一种超声波液体浓度相敏检测方法及装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及液体浓度的检测技术领域，尤其是涉及一种超声波液体浓度相敏检测 方法及装置。
【背景技术】
[0002] 液体的浓度是表征液体特性的一个非常重要的参量，随着现代科学技术的发展， 对于液体溶液浓度的测量精度提出了越来越高的要求。测量液体浓度的方法有多种，但通 过测量液体声学特征，来间接测量液体浓度的方法，具有无需取样、操作简单、速度快而且 精度高、对人体无害、且能够实现在线连续检测优点，已成为液体浓度测量重要手段之一。 超声波浓度测量方法通常采用声时法，它是由发射传感器发射超声波信号，超声波导入被 检液体内并传播固定距离，再利用接收传感器接收穿过液体后的超声波信号。通过直接测 量超声波的传播时间来间接测量超声波的声速，从而进行液体浓度的测量。声时法测量的 关键是时间测量，其测量精度的高低主要由超声波传播时间的测量精度决定。
[0003]目前，声时测量系统一般采用单片机作为系统核心芯片负责产生超声波发射驱动 信号，通过过零检测，接收超声回波信号，实现超声波在液体中渡越的时间的计时（扣除硬 件延时）。单片机测量系统的运行频率一般达不到用在液体测量中超声波传感器的最优频 率40MHz，因此无论是采用定时器方式还是计数器方式中的何种方式，传感器驱动信号的 频率和精度都是有限的，与理论的测量精度要求差距其测量精度受限于所采用的超声波频 率，频率越高精度越大，但其声衰减也随频率增加而增加，对衰减大的比如海地沉淀物的测 量不能用提高超声发射频率来保证测量精度。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种超声波液体浓 度相敏检测方法及装置。
[0005] 本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0006] -种超声波液体浓度相敏检测方法，该方法包括以下步骤：
[0007] 1)连接系统：通过数据线将相敏检测装置的各部分连接完整，并通电；
[0008] 2)标定测量：配制一系列已知浓度和温度的样品溶液，通过相敏检测装置获取样 品溶液的超声信号相位差，并对所有浓度下样品溶液的超声信号相位差和温度进行拟合， 获得样品溶液的标定曲线集；
[0009] 3)浓度测量：获取待检溶液的相位差和温度，并将待检溶液的超声信号相位差和 温度发送到嵌入式计算机中，根据标定曲线集得到待检溶液的浓度，并在显示屏上显示出 来。
[0010] 所述的步骤2)具体包括以下步骤：
[0011] 21)通过最小二乘法对不同浓度样品溶液的温度和超声信号相位差进行拟合，得 到多条不同浓度对应的拟合曲线；
[0012] 22)将多条不同浓度对应的拟合曲线整合为标定曲线集，并将标定曲线集存储到 嵌入式计算机内。
[0013] 所述的步骤3)具体包括以下步骤：
[0014] 31)通过相敏检测装置分别测得待检溶液的超声信号相位差和温度；
[0015] 32)根据测得的待检溶液的超声信号相位差和温度数据，判断该超声信号相位差 和温度数据是否落在标定曲线集的拟合曲线上，若是，则直接读取对应的溶液浓度，若否， 则通过线性插值法，根据已知相邻的拟合曲线数据计算获得待检溶液的浓度。
[0016] -种超声波液体浓度相敏检测装置，该装置包括依次连接的一体化超声检测探 头、浓度检测仪和嵌入式计算机，所述的一体化超声检测探头包括不锈钢支架以及设置在 不锈钢支架上的发射传感器、接收传感器和温度传感器，所述的发射传感器、接收传感器和 温度传感器分别通过信号线与浓度检测仪连接。
[0017] 所述的浓度检测仪包括超声波发射头、温度检测放大器、超声波接收放大器和信 号处理器，所述的超声波发射头与发射传感器连接，所述的温度检测放大器与温度传感器 连接，所述的超声波接收放大器与接收传感器连接，所述的超声波发射头、温度检测放大 器、超声波接收放大器分别与信号处理器连接。
[0018] 所述的嵌入式计算机通过USB接口与浓度检测仪连接。
[0019] 所述的不锈钢支架为U型支架，所述的温度传感器设置在U型支架内侧底部，所述 的发射传感器和接收传感器相对设置在U型支架内侧壁上。
[0020] 与现有技术相比，本发明具有以下优点：
[0021] -、测量精度高：采用相敏检测方法，通过测量超声传播的相位变化来确定液体浓 度的细微变化，相位的测量精度高，其浓度测量精度较声时计数法的要高。
[0022] 二、适用于声衰减大的液体：包括气液混合的液体、泥浆、海底沉积物等，相位的测 量精度不随所采用的超声工作频率变化，即使工作在几十千赫的低频超声仍有较高的测量 精度。
【附图说明】
[0023] 图1为本发明的结构示意图。
[0024] 图2为一体化超声检测探头的结构示意图。
[0025] 图3为浓度检测仪的结构示意图。
[0026] 图4为液体浓度相敏检测原理示意图。
[0027] 其中，1、一体化超声检测探头，11、不锈钢支架，12、发射传感器，13、接收传感器， 14、温度传感器，2、浓度检测仪，21、超声波发射头，22、温度检测放大器，23、超声波接收放 大器，24、信号处理器，3、嵌入式计算机。
【具体实施方式】
[0028] 下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
[0029] 实施例1 :
[0030] 利用一种超声波液体浓度相敏检测装置，发射、接收探头之间的距离为20mm，探头 频率为1MHz，检测纯水在不同水温下的相位变化，检测结果如表1。
[0031] 表1纯水不同水温下相位变化
[0033] 为了验证系统测量精度，采用与国际超声波在纯水中的理论速度标准来比较。表 2为国际通用纯水理论声速表。
[0034] 表2纯水理论声速表
[0036] 为了能够将表1测量数据与表2国际标准进行比较，我们将表1和表2数据都转 化成声时，如表3和表4。
[0037] 表3纯水理论声时表
[0039] 表4纯水实验声时表
[0040]
[0041] 利用MATLAB工具对表3和表4的数据进行曲线拟合。拟合方程中t为纯水理论 声时，单位μ s ;t。为纯水实验声时，单位μ s ;T为被测液体温度，单位°(：。
[0042] 表3纯水理论数据拟合方程为：
[0043] t = -2. 09X10 10XT5+5. 432X 10 8ΧΤ4-7. 279X 10 6ΧΤ3+7. 571 X 10 4XT2 (I)
[0044] -0. 05107 X T+14. 26
[0045] 表4纯水实验数据拟合方程为：
[0046] t。=-3. 361X10 8XΤ5+7· 707X 10 6XΤ4-5· 759X 10 4XΤ3+0· 01982XT2 (2)
[0047] -0· 3511ΧΤ+4. 003
[0048] 根据方程1和方程2计算对应温度点的绝对误差，如表5。
[0049] 表5相敏检测纯水绝对误差
[0051] 由表5可以看出，测量绝对误差没有任何规律。误差的最大值出现在20°C左右，最 大绝对误差为1. 73X 10 3 μ s。
[0052]