[发明专利]一种基于新型多频超声探头的悬移质粒径和级配测量方法

说明书

本发明提供一种基于新型多频超声探头的悬移质粒径和级配测量方法，包括步骤一、在室内利用超声探头测量系统进行实验，针对不同级配的泥沙混合液，分析其颗粒频谱，找出粒径和频率之间的对应关系，整理成频率‑粒径数据对应表；步骤二、配合测量环境，将粒径测量探头固定在相应的载体上，将固定有粒径测量探头的载体放入待测水体中，将粒径测量探头与连采集传输系统连接；步骤三、在用户端设置参数，采集数据并进行计算，结合已有的频率‑粒径对应表反推得到实测的粒径组成。本发明从声信号分析出发，通过直接对水体中散射信号的处理来实现颗粒粒径测量，可以进行线上实时测量，测量系统结构简单。

技术领域

本发明涉及河流泥沙检测技术领域，具体是一种基于新型多频超声探头的悬移质粒径和级配测量方法。

背景技术

颗粒粒度分析在许多领域有着广泛的应用，天然河流中悬浮泥沙的浓度与级配参数的测量，可以为水资源的开发利用、防洪减灾以及流域生态环境建设的决策提供重要的参数。现已有的悬移质泥沙粒径的测量方法有：沉降法、筛分法、光学检测法、声学检测法、图像观测法以及B超成像等。

沉降法广泛应用于细颗粒的粒度测量，尤其是吸管法，现在还被用作为其他沉降方法的检验标准，但这种方法只适用于室内测量，而且测量周期较长；筛分法采用烘干、筛分、称重的模式，测量精度高，但耗时耗力；光学检测方法采用光学手段测量天然河流水流中的含沙浓度与级配，大致可分为透射法、浊度法、光学反向散射法(opticalbackscatter，OBS)和激光衍射法(Laser diffraction)，由于不同基质、粒径和颜色的泥沙颗粒对光的散射性能差异较大，用光学浊度计和LISTT系列产品进行实时测量时依赖于经验关系，仪器的适用性和稳定性都不能满足水文测验规范的要求，激光粒度仪虽然测量精度高，但无法在野外作业时使用；图片类方法则是利用先进的高像素高精度的微相机设备拍摄照片，能清晰反映粒子的尺度特征，现有的水中悬沙粒径测量装置，测量时含沙水体通常需要进入到测量仪器内，从而引起误差。

声学检测法则是利用超声波在介质中的散射和衰减等特性来测量悬浮泥沙信息，超声测量设备具有优点是能量集中，对流场无干扰，快速实时等优点。但是在选择声学模型时，必须要考虑到各种因素对于信号的影响效应。声衰减法通过测量区域内颗粒的超声衰减谱、计算消声系数、计算超声子散射波出射角对目标函数进行求解，获得颗粒的平均粒径以及浓度。薛明华(宽频超声衰减法测量河流泥沙粒径分布)提出采用宽频超声传感器测量了泥沙的级配，设计一个矩形样品池，一个侧面嵌入有机玻璃整流块，对面为不锈钢反射板，利用2.0～7.5MHz的宽频传感器发射和接收超声波信号，检测整流块与样品池界面的第一次回波和钢板反射的第二次回波，分析两次回波信号衰减的强度差，建立概化模型经过反演计算得出泥沙颗粒的级配。该方法受频带宽度所限，适用于粒径范围在20～100μm内的极细颗粒，需要布置反射钢板的结构形式亦不利于在河流中的现场实时测量。基于背向散射原理多为用ADV和ADCP等设备测量，仅能得到浓度，无法测量级配，且精度和量程均有限。

发明内容

本发明提出一种基于新型多频压电超声探头的悬移质粒径和级配测量方法，打破野外作业线上实时测量粒径技术的瓶颈，开发一种能在天然河流中进行粒径分布测量的方案，解决长期以来泥沙级配线下测量的局限性。

一种基于新型多频超声探头的悬移质粒径和级配测量方法，采用超声探头测量系统实现，所述超声探头测量系统包括粒径测量探头、采集传输系统、用户端，所述粒径测量探头承担信号接收和发射作用，由4个不同发射频率的单频探头组成，所述单频探头包括整流块、发射晶片、接收晶片，由不锈钢外壳封装成为一体，所述发射晶片和接收晶片均是由压电复合材料制成；所述采集传输系统用于将粒径测量探头采集的信号传送给用户端；所述方法包括如下步骤：

步骤一、在室内利用超声探头测量系统进行实验，针对不同级配的泥沙混合液，分析其颗粒频谱，找出粒径和频率之间的对应关系，整理成频率-粒径数据对应表；