[发明专利]一种基于新型多频超声探头的悬移质含沙量测量方法

说明书

本发明提供一种基于新型多频超声探头的悬移质含沙量测量方法，包括步骤一、实验室内标定：将浓度测量探头固定在固定支架上，然后伸入浓度未知的待测水体中，进行数据采集和幅值计算，通过测量已知粒径分布不同浓度泥沙悬浊液的声信号，计算幅值，得到不同浓度条件下幅值与浓度之间的关系；步骤二、野外实时浓度测量：选择铅鱼作为测量系统的载体，在铅鱼内部预留空间用于放置数据采集传输系统，进行数据采集后以步骤一中标定的结果为基础，现场测量时针对标定结果中浓度和幅值关系，对实测幅值数据进行反演得到浓度值。本发明可以提供高频率工作环境，弥补了高浓度条件下声衰减过大而无法得到可靠数据的不足。

技术领域

本发明涉及天然河流中悬浮泥沙测量领域，具体是一种基于新型多频超声探头的悬移质含沙量测量方法。

背景技术

天然河流中悬浮泥沙实时测量，是为水利工程前期设计、投入运行、后期维护等方面的研究提供可行条件的重要任务之一。河流水沙运动特性复杂，对其进行现场同步实时测量非常困难。现已有的悬移质泥沙浓度级配的测量方法包括：采样分析法、光学检测法、声学检测法等，后面两种通常用于现场测量。

传统的野外现场采样、实验室内作业分析的模式，将所取样本经烘干、筛分、称重等一系列操作计算得到相应的浓度值和级配分布，属于线下测量，且费时费力；光学检测方法大致可分为透射法、浊度法、光学背向散射法(optical backscatter，OBS)和激光衍射法(Laser diffraction)，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。

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参数，超声测量设备具有能量集中，对流场无干扰，快速实时等优点。苏明旭(CN104833619A)提出一种改进超声衰减谱原理测量固体颗粒粒径和浓度的方法，利用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和浓度，但在高频不同粒径颗粒的超声衰减差异才能体现出来。程恩(CN109738344A)提出一种基于声衰减的入海口悬浮泥沙浓度实时测量方法，计算超声衰减，计算悬浮泥沙造成的声学衰减扰动，通过迭代计算悬浮泥沙浓度，但是需要在入海口布置水下声信号发送端和接收端，结构上不够灵活。国外学者提出利用声压方程建立声学模型，并提出引入颗粒粒径分布的积分函数提高浓度测量精度，但是只能在给定的级配分布下计算，具有很大的局限性。基于背向散射原理的ADV和ADCP等设备，通过提前标定得到颗粒浓度与信号强度的反演关系，且探头到探测体的距离较远，信号在传播路径上的衰减过大，故难以获取有用的信息，量程十分有限。

发明内容

本发明提出一种基于新型多频超声探头的悬移质含沙量测量方法，以解决现有悬移质颗粒参数测量技术的不足、以及不能进行线上实时测量的局限性。

一种基于新型多频超声探头的悬移质含沙量测量方法，其采用超声含沙量测量系统进行，包括所述超声含沙量测量系统包括浓度测量探头、信号采集传输系统、用户端，所述浓度测量探头承担信号接收和发射作用，由个不同频率的单频探头组成，单频探头由超声整流块、发射晶片、接收晶片组成，由不锈钢外壳封装成为一体，所述信号采集传输系统用于将浓度测量探头采集的超声回波信号传送给用户端，所述方法包括如下步骤；

步骤一、实验室内标定：将浓度测量探头固定在固定支架上，然后伸入浓度未知的待测水体中，开始测量之前先利用搅拌器使待测水体内形成相对均匀的浓度场，待电路接通之后，打开用户端上相应的软件，调节参数直到界面上出现清晰正常的回波，进行数据采集和幅值计算，通过测量已知粒径分布不同浓度泥沙悬浊液的声信号，计算幅值，得到不同浓度条件下幅值与浓度之间的关系；