液固兩相流超聲斷面成像裝置的研究

周 明， 邵富群， 張 林

（1.東北大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧沈陽(yáng) 110004； 2.吉林師范大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，吉林四平 136000）

液固兩相流超聲斷面成像裝置的研究

周 明1，2， 邵富群1， 張 林1

（1.東北大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧沈陽(yáng) 110004； 2.吉林師范大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，吉林四平 136000）

以水、泥沙構(gòu)成的液固兩相流為研究對(duì)象，制作了壓電超聲傳感器、傳感器陣列及超聲波收發(fā)電路，構(gòu)成了兩相流斷面超聲投影數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)高速數(shù)據(jù)采集。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，設(shè)計(jì)的壓電傳感器諧振頻率達(dá)到200 kHz，發(fā)射角度大，接收靈敏度高；采用RC濾波方法，能夠有效地濾除接收傳感器受到的工頻電磁干擾信號(hào)；收發(fā)傳感器交替排列的傳感陣列既可以獲得最大數(shù)量的投影數(shù)據(jù)，又可以使強(qiáng)弱電電路分離，免受互擾；采集的投影數(shù)據(jù)能夠反映固相流動(dòng)狀況。

計(jì)量學(xué)；液固兩相流；壓電傳感器；傳感器陣列；投影數(shù)據(jù)；RC濾波

1 引 言

研究人員在醫(yī)學(xué)超聲層析成像UCT（Ultrasonic Computed Tomography）技術(shù)領(lǐng)域已經(jīng)取得了具有實(shí)用價(jià)值的研究成果，并使之逐步完善［1，2］。借鑒UCT技術(shù)成果，以具有流動(dòng)復(fù)雜性的多相流為研究對(duì)象，過程層析成像PT（Process Tomography）技術(shù)已成為近年來被關(guān)注的高新檢測(cè)技術(shù)，并將為生產(chǎn)過程的平穩(wěn)進(jìn)行提供可靠依據(jù)。本文以液固兩相流（水，泥沙）為研究對(duì)象，闡述利用超聲波衰減系數(shù)進(jìn)行斷面成像的機(jī)理。實(shí)驗(yàn)中，制作出超聲波傳感器、傳感器陣列、超聲波激勵(lì)電路以及波幅峰值接收電路，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行投影數(shù)據(jù)采集。通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，傳感器及陣列的工作性能良好，投影數(shù)據(jù)能夠反映固相流動(dòng)狀況。

2 投影數(shù)據(jù)采集原理

2.1 超聲PT斷面成像系統(tǒng)的構(gòu)成

設(shè)計(jì)的兩相流斷面成像系統(tǒng)由5部分組成，包括傳感器陣列單元、信號(hào)激勵(lì)單元、數(shù)據(jù)采集單元、信號(hào)處理及圖像反演重建單元。

2.2 投影數(shù)據(jù)的產(chǎn)生

超聲波能夠引起傳播介質(zhì)微粒振動(dòng)，從而在聲場(chǎng)中產(chǎn)生逾量壓強(qiáng)，這就是聲壓。超聲波在傳播過程中產(chǎn)生能量衰減（表現(xiàn)為幅度衰減），有如下原因：波前的擴(kuò)展；散射衰減；吸收衰減。

設(shè)超聲波在介質(zhì)中沿X軸方向傳播，其聲壓振幅隨傳播距離x的增加呈指數(shù)衰減規(guī)律，可表示為

基于式（1），衰減系數(shù)α／dB的定義式用式（2）表示，其中x2＞x1。

衰減系數(shù)α數(shù)值大小與超聲波頻率、傳播介質(zhì)性質(zhì)及環(huán)境溫度等因素有關(guān)［3，4］。

投影數(shù)據(jù)以接收傳感器輸出電壓的形式體現(xiàn)，電壓正比于所處聲場(chǎng)位置的聲壓值。當(dāng)超聲波頻率固定時(shí)，由收發(fā)傳感器陣列采集到兩相流投影數(shù)據(jù)，如圖1所示，黑色傳感器代表發(fā)射傳感器，白色的代表接收傳感器，畫出射線的為1號(hào)發(fā)射傳感器。利用計(jì)算機(jī)對(duì)投影數(shù)據(jù)采集、處理，再經(jīng)成像算法程序反演兩相流斷面的二維圖像。由雙傳感器陣列的數(shù)據(jù)采集還可以計(jì)算相流量［5］。該系統(tǒng)中，傳感器和傳感器陣列的設(shè)計(jì)是至關(guān)重要的，其性能直接決定采集數(shù)據(jù)的精度。

圖1 由傳感器陣列產(chǎn)生的聲場(chǎng)投影

3 傳感器及傳感陣列的設(shè)計(jì)

3.1 收發(fā)傳感器制作原理

在PT成像檢測(cè)系統(tǒng)中，工作于液相環(huán)境的超聲傳感器應(yīng)具備以下特點(diǎn)：靈敏度高、工作頻帶寬、適用溫度范圍大、易于更換［6］和具有非浸入性［7］。因PZT（Piezoelectric ceramic transducer）材料傳感器具有體積小，重量輕，精度及靈敏度高等特點(diǎn)，采用該材料制作發(fā)射、接收傳感器探頭，且兩種傳感器規(guī)格相同。

傳感器的聲學(xué)特性和電學(xué)參數(shù)是相互關(guān)聯(lián)的［8］，其制作過程還應(yīng)考慮如下因素：

（1）固有諧振頻率。頻率和波長(zhǎng)是聲場(chǎng)中兩個(gè)重要的物理參量，當(dāng)離散相粒尺寸與超聲波長(zhǎng)相當(dāng)或更小時(shí)會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的散射衰減，這會(huì)造成幾何投影困難；（2）結(jié)構(gòu)尺寸。傳感器尺寸與諧振頻率之間存在著必然聯(lián)系，同時(shí)，結(jié)構(gòu)尺寸也決定發(fā)射傳感器的發(fā)射角度；（3）聲阻抗匹配。匹配層起到了有效傳聲和保護(hù)傳感器的作用，另外，傳感器與器壁間應(yīng)消聲，以此來消除由器壁傳導(dǎo)的聲互擾。

3.2 傳感器振子的制作

實(shí)驗(yàn)采用超聲波波長(zhǎng)為0.85 cm，超聲波在連續(xù)相水中聲速c＝1.48×103m／s，由式（3）

計(jì)算得到超聲波頻率f＝170 kHz，傳感器諧振頻率應(yīng)選擇在這個(gè)頻率附近。

以徑向極化的PZT圓管（直徑φ＝3.35 cm）為母材，制作如圖2所示的傳感器振子。在內(nèi)部機(jī)械損耗等于零的條件下，傳感器振子尺寸與自身諧振頻率之間關(guān)系由式（4）表示。

式中：L為材料弧長(zhǎng)，ρ為密度，sE11為柔順系數(shù)，fs為振子串聯(lián)諧振頻率，fr為振子諧振頻率。

PZT材料密度ρ＝7.5×103kg／m3，柔順系數(shù)＝13.5×10－12m2／N，得到L＝18mm。

圖2 傳感器振子結(jié)構(gòu)

3.3 傳感器的制作

在傳感器振子的背側(cè)和側(cè)面涂敷高聲阻抗、高衰減的超聲阻尼材料，阻尼材料選用金屬鎢粉與環(huán)氧樹脂混合物，最外層涂覆純環(huán)氧樹脂。

傳感器采用雙匹配層，匹配材料聲阻抗率按式（5）計(jì)算，層厚度應(yīng)為λ／4。

式中：Z0、Zi和ZL，分別為壓電材料、第i個(gè)匹配層和負(fù)載的聲阻抗率。

室溫下，PZT的聲阻抗率Z0＝ρc＝28×106N·s／m3，連續(xù)相（水）ZL＝ρc＝1.48×106N·s／m3，由此計(jì)算第一匹配層聲阻抗率為Z1＝13.4×106N·s／m3，第二匹配層Z2＝3.1×106N·s／m3。

環(huán)氧樹脂Z＝2.5×106N·s／m3，與Z2相近，因此，傳感器的第一層匹配材料選用環(huán)氧樹脂與金屬鎢粉按比例調(diào)制的混合材料，第二層匹配材料選用純環(huán)氧樹脂。制作完成的壓電傳感器如圖3所示。測(cè)得傳感器諧振頻率為200 kHz。

圖3 傳感器結(jié)構(gòu)俯視圖

3.4 傳感器陣列的設(shè)計(jì)

按照管道（直徑φ＝20 cm）斷面的尺寸、成像像素?cái)?shù)目（成像精度）等指標(biāo)來布置傳感器。在器壁斷面上均勻布置20個(gè)收發(fā)傳感器（編號(hào)1至20，1號(hào)傳感器如圖1所示，其它傳感器逆時(shí)針排列）。接收傳感器（編號(hào)為偶數(shù)）和發(fā)射傳感器（編號(hào)為奇數(shù)）各10個(gè)，交替排列，這樣可以獲得最大數(shù)目的投影數(shù)據(jù)，即為100個(gè)。

4 超聲波收發(fā)電路設(shè)計(jì)

4.1 激勵(lì)信號(hào)源電路的設(shè)計(jì)

采用NE555N芯片外接阻容元件構(gòu)成振蕩電路，該電路輸出連續(xù)方波，頻率為210 kHz，如圖4所示，其中C＝100 pF，R1＝R2＝20 kΩ，Vcc1＝12 V。

圖4 555振蕩電路

4.2 激勵(lì)信號(hào)功放電路的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)圖5所示的激勵(lì)功放電路。具有功率放大作用的場(chǎng)效應(yīng)管型號(hào)為P45NF06，其柵極限流電阻R3為200Ω，漏極限流電阻R4為100Ω、10W。高頻變壓器T的作用是升高激勵(lì)電壓與變阻。二極管D1和可變電阻W1串聯(lián)支路的作用是吸收變壓器初級(jí)繞組中產(chǎn)生的脈沖尖峰。次級(jí)繞組輸出電壓采用IN47A型穩(wěn)壓管雙向穩(wěn)壓，穩(wěn)定電壓值為±20 V，R5＝R6＝1 kΩ，Vcc2＝25 V。

圖5 功放電路

4.3 電壓峰值采集電路的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)圖6所示的接收傳感器電壓峰值采集電路。由輸入電阻高、輸出電阻低、工作頻帶寬的集成運(yùn)放OP37構(gòu)成電壓跟隨器。檢波二極管D2的作用是采集單向峰值電壓。考慮充放電時(shí)間常數(shù)與接收信號(hào)頻率，電容C2取值為50 pF。場(chǎng)效應(yīng)管的RESET端由ARM機(jī)控制，起到放電開關(guān)作用。

圖6 峰值檢測(cè)電路

5 測(cè)量實(shí)驗(yàn)

5.1 發(fā)射角測(cè)試

傳感器的發(fā)射角θ決定了其所發(fā)射超聲波的覆蓋范圍，發(fā)射角越大，有效投影數(shù)據(jù)采集量就越多，如圖7所示。由傳感器和母材之間的幾何關(guān)系可求得發(fā)射角θ＝62°。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，與發(fā)射傳感器直接相鄰的接收傳感器也能接收到超聲波信號(hào)。

圖7 傳感器的發(fā)射角

5.2 接收靈敏度測(cè)試

接收靈敏度定義為接收傳感器輸出電壓和實(shí)際作用到傳感器的有效聲壓之比。用示波器觀察接收電壓，發(fā)現(xiàn)電壓信號(hào)受工頻干擾嚴(yán)重，幾乎將其淹沒。將RC濾波電路置于接收傳感器輸出端，有效地消除了工頻干擾。RC濾波后的輸出電壓波形如圖8所示。

圖8 RC濾波后的接收電壓信號(hào)

5.3 典型流型仿真投影數(shù)據(jù)測(cè)量

用薄塑料套管（直徑為2.5 cm）充滿泥沙（水、沙的質(zhì)量比各占50%），置于充滿純水的圓柱形管道（直徑為20.0 cm）中，見圖9。

圖9 仿真流型

采用以上設(shè)計(jì)的超聲波收發(fā)電路，使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行投影數(shù)據(jù)采集。流型仿真環(huán)境中，每個(gè)投影數(shù)據(jù)獲得方法是，接收傳感器輸出電壓峰值的10次測(cè)量均值，減去管道中純水環(huán)境下10次測(cè)量均值，再取絕對(duì)值。各仿真流型的一組投影數(shù)據(jù)（1號(hào)發(fā)射，各接收傳感器依次接收），見表1。

表1 仿真超聲波幅度投影數(shù)據(jù)

從表1中的投影數(shù)據(jù)可直接觀察到各種仿真流型對(duì)投影數(shù)據(jù)值的影響。經(jīng)分析，產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)誤差的原因有：發(fā)射電路幅值精確度的影響；聲場(chǎng)中回波干擾；從容器壁傳導(dǎo)過來的外部環(huán)境聲干擾；外部電磁干擾；仿真泥沙管的位置誤差。

6 結(jié) 論

制作了壓電超聲傳感器振子，諧振頻率為170 kHz。將振子引出電極線，加載聲匹配層，構(gòu)成超聲傳感器，諧振頻率為200 kHz。傳感器諧振頻率發(fā)生偏離變化，兩者之間誤差為17.6%。柱面型傳感器的發(fā)射角度大，接收靈敏度高。RC濾波電路能夠消除產(chǎn)生于接收傳感器中的工頻干擾。交替排列收發(fā)傳感器的陣列布設(shè)方式既能使系統(tǒng)獲得最大數(shù)量的投影數(shù)據(jù)，又能使強(qiáng)弱電分離，從而方便地設(shè)計(jì)收發(fā)電路。后續(xù)工作將是，由雙傳感陣列系統(tǒng)采集投影數(shù)據(jù)，經(jīng)成像算法和相關(guān)算法程序?qū)ν队皵?shù)據(jù)處理、運(yùn)算，獲得液固兩相流的斷面圖像，并使之成為計(jì)量相流量的新手段。

［1］ Huang SW，Li P C.Ultrasonic Computed Tomography Reconstruction of the Attenuation Coefficient Using a Linear Array［J］.IEEETransactionsonUltrasonics，F(xiàn)erroelectrics，andFrequencyControl，2005，52（11）：2011－2014.

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［4］ 姚駿，張權(quán)，李斌.基于超聲衰減的紙漿濃度測(cè)量技術(shù)的研究［J］.計(jì)量學(xué)報(bào)，2008，29（1）：87－90.

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Study on Ultrasonic Imaging Devices for Liquid-solid Two-phase Flow

ZHOU Ming1，2， SHAO Fu-qun1， ZHANG Lin1
（1.College of Information Science and Engineering，Northeastern University，Shenyang，Liaoning 110004，China；
2.College of Computer，Jilin Normal University，Siping，Jilin 136000，China）

To constitute a data acquisition system for ultrasonic projections，piezoelectric ultrasonic sensors，sensor array，sending and receiving circuits for ultrasound weremade.W ith the liquid-solid two-phase flow ofwater and sediment as research object，the projection data were collected by a computer.It is found that resonance frequency of the sensor is up to 200kHz，launch angle of the launching sensor is bigger，and receiving sensitivity of the receiving sensor is higher.The electromagnetic interference produced in the receiving sensor is eliminated significantly by RC filter.The way of alternate arrangement of the sensors can make system to get the largest number of projection data，and make the design of circuits feasible to avoid mutual interference of signal.The projection data truly reflect the flow condition of solid phase.

Metrology；Liquid-solid two-phase flow；Piezoelectric sensor；Sensor array；Projection data；RC filter

TB937

A

1000-1158（2014）02-0147-04

10．3969／j．issn．1000-1158．2014．02．11

2012-05-21；

2012-07-12

周明（1968－），男，吉林四平人，吉林師范大學(xué)副教授，東北大學(xué)在讀博士生，主要從事檢測(cè)技術(shù)與自動(dòng)化裝置的研究。zhou_m＠126.com