基于超声相控阵传感器技术监测流体模型中的气泡大小及流速

学院：专业：教师：学号：姓名：基于超声相控阵传感器技术监测流体模型中的气泡大小及流速内容提要一、技术背景二、超声相控阵技术三、实验装置四、实验原理五、实验精度分析六、实验结果验证一、技术背景超声相控阵技术已有20多年历史。相控阵技术最早应用于军用雷达。现在医院里采用的B超也是基于相控阵技术。超声相控阵系统正应用于不同无损检测领域，包括电厂、石化、航空航天、工业在线、锅炉压力容器、长输管线等。一、技术背景相控阵雷达一、技术背景B超检测仪一、技术背景相控阵探伤仪二、超声相控阵技术超声相控阵的定义通过软件可以单独控制相控阵探头中每个晶片的激发时间，从而控制产生波束的角度、聚焦位置和焦点尺寸。二、超声相控阵技术超声相控阵传感器的原理超声相控阵传感器的设计基于惠更斯原理。传感器由多个相互独立的压电晶片组成阵列,每个晶片称为一个单元,按一定的规则和时序用电子系统控制激发各个单元,使阵列中各单元发射的超声波叠加形成一个新的波阵面。二、超声相控阵技术惠更斯（Huygens）原理任何时刻波面上的每一点都可作为次波的波源，各自发出球面波；在以后的任何时刻，所有这些次波波面的包络面形成整个波在该时刻的新波面。其核心思想是：介质中任一处的波动状态是由各处的波动决定的。二、超声相控阵技术惠更斯（Huygens）原理的成功之处成功之处直线传播规律反射折射规律双折射现象较好的解释光的定性的解释光的干涉、衍射现象二、超声相控阵技术惠更斯（Huygens）原理的不足之处不足之处不能解释干涉衍射光的振幅变化不能解释衍射光强的重新分布二、超声相控阵技术如何看待相控阵相控阵可以看作由单个信号源单元（压电晶片）组成的线形阵列，并且每个单个信号源单元（压电晶片）可以看作由无限多数量的简单线性信号源沿着长度检测方向的集合。二、超声相控阵技术线形阵列和等间距阵列的简单信号源比较Azaretal比较了线形阵列和等间距阵列的简单信号源，认为因为单元的宽度a与在液体中的波长λfluid相比较小，所以两种结构可以看成是一致的。二、超声相控阵技术一组单元按一定的延迟规则发射超声波形成聚焦的示意图二、超声相控阵技术聚焦假设将整个压电晶片分割成许多相同的小晶片，令小晶片宽度远小于其长度，每个小晶片均可视为辐射柱面波的线状波源。这些线状波源的波阵面就会产生波的干涉，形成整体波阵面，这些小波阵面可被延时并与相位和振幅同步，由此产生可调向的超声聚焦波束。二、超声相控阵技术超声相控阵的特点多晶片探头中各晶片的激励振幅和延时均由计算机控制压电复合晶片受激励后能产生超声聚焦波束声束参数如角度、焦距和焦点尺寸等均可通过软件调整扫描声束是聚焦的二、超声相控阵技术超声相控阵其优点在于一个探头覆盖多个角度能产生纵波或横波分辨率好极大地改善了信噪比提高了穿透力和灵敏度图象直观二、超声相控阵技术超声相控阵其缺点在于探头体积还太大探头导线非常精密，容易损坏仪器参数设置非常复杂相应的标准规范还没有跟上二、超声相控阵技术电子扫查靠晶片的时间多路传输技术实现的。三、实验装置实验装置构成超声相控阵传感器玻璃板硅脂油铝板气泵及阀门油箱软件控制电路计算机三、实验装置超声相控阵传感器1）NT=128个单元组成2）中心频率为f0=10MHz3）单元的宽为a=0.25mm4）单元的宽长为b=7mm5）单元间的间距为d=0.5mm6）每一个聚焦规则的波束都是由N=32个单元激发的波束聚焦而成，7）每个聚焦规则偏移NS=1个单元。8）聚焦规则的数量为NFL=(NT-N)/NS+1=9732个晶片单元共128个晶片单元三、实验装置铝板厚度的选择要求铝板仅可能厚一些，使得从铝板表面的回波与进入铝板后从底面反射的回波能明显分开。三、实验装置阀门的选择要求能通过阀门调节进气量，控制气泡的直径大小。以满足后期的理论计算验证检测结果的要求。三、实验装置流体的选择：硅树脂油1、粘度η=50mPas2、声阻抗系数Zfluid=ρfluidcfluid=1MRa四、实验原理检测条件：用超声波检测粘性流体中气泡的条件是由于在油和气中的阻抗率不同气的声阻抗Zair=ρaircair=340Ra油的声阻抗Zfluid=ρfluidcfluid=1MRa四、实验原理气泡对声波的散射作用：当用超声波检测粘性流体时，粘性流体中气泡会由于其声阻抗与在油声阻抗差异而对回波信号产生影响。四、实验原理实验装置的数学模型的建立发射源所在的坐标（x1，0）焦点所在的坐标（LG+LO，0）LG是玻璃板的厚度dG玻璃中传播路径的长度LO是油层的厚度dO油层中传播路径的长度θG=Arctan（LG/dG）θO=Arctan（LO/dO）=Arctan（x1-LO/dO）L1是在玻璃中的入射点到点x1之间的沿x轴方向的距离四、实验原理X1处的信号源在玻璃和油层理想数学模型中的传播时间cL,glass是在玻璃层中的波速coiI是在油层的波速2222111,()(1)GOLglassoilLLLxLelcctn四、实验原理费玛Fermat原理（最小光程原理）光波在两点之间传递时，自动选取费时最少的路径。即光在任意介质中从一点传播到另一点时，沿所需时间最短的路径传播。此处费玛Fermat原理也适用于声波。四、实验原理费玛Fermat原理的应用1）由此原理可证明光在均匀介质中传播时遵从的直线传播定律、反射和折射定律，以及傍轴条件下透镜的等光程性等。2）光的可逆性原理是几何光学中的一条普遍原理，该原理说，若光线在介质中沿某一路径传播，当光线反向时，必沿同一路径逆向传播。3）费马原理规定了光线传播的唯一可实现的路径，不论光线正向传播还是逆向传播，必沿同一路径。四、实验原理数学模型中X1处的信号源在玻璃和油层的最短传播时间1）根据费玛Fermat原理，则有：2）可得到关于L1的四阶多项式：3）若除L1外的其它参数给定，则L1可用Matlab软件编程解出4）将L1代入方程即可解得数学模型中X1处的信号源在玻璃和油层的最短传播时间1(1)/0eltnL22,1,,,4322221111111(2)()(2)0LglassGLglassoilLglassoilLglasscxLcOGccccLLxLLxLxL2222111,()(1)GOLglassoilLLLxLelcctn四、实验原理22,1,,,4322221111111(2)()(2)0LglassGLglassoilLglassoilLglasscxLcOGccccLLxLLxLxL数学模型中L1有效解的唯一性根据费玛Fermat原理光路的唯一及可逆性则有数学模型中L1有效解的唯一性四、实验原理数学模型中x1处的信号源在玻璃和油层对其它焦点的最短传播时间假定nel=1时是x1处的信号源位于聚焦规则的最远端由于x1处的信号源对其它焦点相对位置同理可得其中：1≤nel≤322222111,((1))()GOelLglassoilLLLxndLelcctn1(1)elxnd32个晶片单元共128个晶片单元四、实验原理数学模型中信号源在玻璃和油层的时间延迟规则根据对其它焦点的相对延迟公式：可得到延迟规则：elelelτ(n)=t(n=1)-t(n)四、实验原理根据确定的延迟规则发射超声波信号，每一个聚焦规则得到一个A-扫查时间响应信号（32个元件信号叠加）一：从玻璃背面返回的回波信号1）纵波在玻璃中传播没有发生模态转换的回波用LL表示。2）纵波在玻璃中传播发生模态转换的回波用LL表示。二：从液体层的底部反射回来我们就用s（t）表示。四、实验原理C-扫查图像s（xFL，tacq）连接A-扫查图像的极大值点得到的包络线经过Hilbert变换就可得到C-扫查图像。1）在流体中没有气泡的s（t）回声信号(兰色实线)2）有大气泡的回声信号(红色虚线)四、实验原理通过C-扫查图像查看气泡通过对C-扫查图像中没有气泡时和有气泡时进行比较，发现有气泡时，振幅会降低，在振幅越大处衰减越严重。而且，气泡越大，对振幅的影响也越大。四、实验原理C-扫查图像组一组采集的数据就是一次所有共NFL个聚焦规则的扫描。采集的数据数据组数为Nacq。得到的C-扫查图象组就由NFL×Nacq个点（xFL（nFL），tacq（nacq））组成。四、实验原理C-扫查图像组数据处理减去C-扫查图象的均值smean。smean是所有采集数据的位置xFL和时间tacq点s（xFL，tacq）的均值。因此，处理的结果为s2（xFL，tacq）=smean-s（xFL，tacq）。图示C-扫查和提取的聚焦规则xFL=24.5mm位置处的波动曲线四、实验原理估计气泡的数量1）先对图中的曲线求平均值2）找到高于两倍平均值的峰值数量就得到气泡的数量在一段时间内图中有20个气泡通过该焦点位置。（红圈标记处）四、实验原理估计气泡的速度1）求出蓝色图形中的白色点的斜率即为对应的气泡速度2）可以求出各点的斜率即可得到所检测到的所有气泡速度bvFLacqΔx/Δt四、实验原理估计气泡的大小1）通过实验或理论模型建立峰值幅值与气泡大小的对应关系。2）通过各峰值幅值确定气泡直径。五、实验精度分析可检测的最小气泡条件在气泡的半径rbubble与液体中的波长λfluid相比是明显的并且达到rbubble/λfluid≥1的条件下。即rbubble≥λfluid可检测到的最小气泡半径为在流体中的波长，可以通过流体中的波速除以频率得到，即λfluid=cfluid/fO=1000/10000000m≈100μm。五、实验精度分析大气泡与微气泡的界定半径大于液体中的波长λfluid的气泡为大气泡。半径小于液体中的波长λfluid的气泡为微气泡。五、实验精度分析z轴方向的分辨率Δz由于沿z轴（波传播轴）回波的持续时间s（t）可是在-6dB(记为t-6dB)条件下的脉冲-回声响应计算得到的62z=96oildBctmΔμ五、实验精度分析x轴方向的分辨率ΔxAzaretal给出了沿x轴方向的Dx（θx）(sin/2)()1sin(sin)/2(sin/2)(sin)/20()|()|elxelxxxjnkanNkajkaxxkanDeeθωτθθθθ五、实验精度分析y轴方向的分辨率ΔyAzaretal给出了沿x轴方向的Dy（θy）sin(sin)/2(sin)/2()||yykayykaDθθθ六、实验结果验证用摄像法验证超声波相控阵测量法在另外的一套实验装置中，玻璃板和铝板用两层聚甲基丙烯酸甲酯板代替，来保证透明度便于从两个方向检测。一侧用摄相机监测流体内气泡的变化，另外一侧用相控阵传感器监测。通过摄像机截取的图片可计算出气泡的大小及速度与相控阵传感器监测结果对比。六、实验结果验证用理论法验证超声波相控阵测量法通过进气阀门控制气泡直径的大小，再用流体力学方法计算出及速度与相控阵传感器监测结果对比。谢谢！