液固两相流超声断面成像装置的研究

周 明， 邵富群， 张 林

（1.东北大学信息科学与工程学院，辽宁沈阳 110004； 2.吉林师范大学计算机学院，吉林四平 136000）

液固两相流超声断面成像装置的研究

周 明1，2， 邵富群1， 张 林1

（1.东北大学信息科学与工程学院，辽宁沈阳 110004； 2.吉林师范大学计算机学院，吉林四平 136000）

以水、泥沙构成的液固两相流为研究对象，制作了压电超声传感器、传感器阵列及超声波收发电路，构成了两相流断面超声投影数据采集系统，实现了计算机高速数据采集。实验验证，设计的压电传感器谐振频率达到200 kHz，发射角度大，接收灵敏度高；采用RC滤波方法，能够有效地滤除接收传感器受到的工频电磁干扰信号；收发传感器交替排列的传感阵列既可以获得最大数量的投影数据，又可以使强弱电电路分离，免受互扰；采集的投影数据能够反映固相流动状况。

计量学；液固两相流；压电传感器；传感器阵列；投影数据；RC滤波

1 引 言

研究人员在医学超声层析成像UCT（Ultrasonic Computed Tomography）技术领域已经取得了具有实用价值的研究成果，并使之逐步完善［1，2］。借鉴UCT技术成果，以具有流动复杂性的多相流为研究对象，过程层析成像PT（Process Tomography）技术已成为近年来被关注的高新检测技术，并将为生产过程的平稳进行提供可靠依据。本文以液固两相流（水，泥沙）为研究对象，阐述利用超声波衰减系数进行断面成像的机理。实验中，制作出超声波传感器、传感器阵列、超声波激励电路以及波幅峰值接收电路，利用计算机进行投影数据采集。通过实验数据分析，传感器及阵列的工作性能良好，投影数据能够反映固相流动状况。

2 投影数据采集原理

2.1 超声PT断面成像系统的构成

设计的两相流断面成像系统由5部分组成，包括传感器阵列单元、信号激励单元、数据采集单元、信号处理及图像反演重建单元。

2.2 投影数据的产生

超声波能够引起传播介质微粒振动，从而在声场中产生逾量压强，这就是声压。超声波在传播过程中产生能量衰减（表现为幅度衰减），有如下原因：波前的扩展；散射衰减；吸收衰减。

设超声波在介质中沿X轴方向传播，其声压振幅随传播距离x的增加呈指数衰减规律，可表示为

基于式（1），衰减系数α／dB的定义式用式（2）表示，其中x2＞x1。

衰减系数α数值大小与超声波频率、传播介质性质及环境温度等因素有关［3，4］。

投影数据以接收传感器输出电压的形式体现，电压正比于所处声场位置的声压值。当超声波频率固定时，由收发传感器阵列采集到两相流投影数据，如图1所示，黑色传感器代表发射传感器，白色的代表接收传感器，画出射线的为1号发射传感器。利用计算机对投影数据采集、处理，再经成像算法程序反演两相流断面的二维图像。由双传感器阵列的数据采集还可以计算相流量［5］。该系统中，传感器和传感器阵列的设计是至关重要的，其性能直接决定采集数据的精度。

图1 由传感器阵列产生的声场投影

3 传感器及传感阵列的设计

3.1 收发传感器制作原理

在PT成像检测系统中，工作于液相环境的超声传感器应具备以下特点：灵敏度高、工作频带宽、适用温度范围大、易于更换［6］和具有非浸入性［7］。因PZT（Piezoelectric ceramic transducer）材料传感器具有体积小，重量轻，精度及灵敏度高等特点，采用该材料制作发射、接收传感器探头，且两种传感器规格相同。

传感器的声学特性和电学参数是相互关联的［8］，其制作过程还应考虑如下因素：

（1）固有谐振频率。频率和波长是声场中两个重要的物理参量，当离散相粒尺寸与超声波长相当或更小时会产生严重的散射衰减，这会造成几何投影困难；（2）结构尺寸。传感器尺寸与谐振频率之间存在着必然联系，同时，结构尺寸也决定发射传感器的发射角度；（3）声阻抗匹配。匹配层起到了有效传声和保护传感器的作用，另外，传感器与器壁间应消声，以此来消除由器壁传导的声互扰。

3.2 传感器振子的制作

实验采用超声波波长为0.85 cm，超声波在连续相水中声速c＝1.48×103m／s，由式（3）

计算得到超声波频率f＝170 kHz，传感器谐振频率应选择在这个频率附近。

以径向极化的PZT圆管（直径φ＝3.35 cm）为母材，制作如图2所示的传感器振子。在内部机械损耗等于零的条件下，传感器振子尺寸与自身谐振频率之间关系由式（4）表示。

式中：L为材料弧长，ρ为密度，sE11为柔顺系数，fs为振子串联谐振频率，fr为振子谐振频率。

PZT材料密度ρ＝7.5×103kg／m3，柔顺系数＝13.5×10－12m2／N，得到L＝18mm。

图2 传感器振子结构

3.3 传感器的制作

在传感器振子的背侧和侧面涂敷高声阻抗、高衰减的超声阻尼材料，阻尼材料选用金属钨粉与环氧树脂混合物，最外层涂覆纯环氧树脂。

传感器采用双匹配层，匹配材料声阻抗率按式（5）计算，层厚度应为λ／4。

式中：Z0、Zi和ZL，分别为压电材料、第i个匹配层和负载的声阻抗率。

室温下，PZT的声阻抗率Z0＝ρc＝28×106N·s／m3，连续相（水）ZL＝ρc＝1.48×106N·s／m3，由此计算第一匹配层声阻抗率为Z1＝13.4×106N·s／m3，第二匹配层Z2＝3.1×106N·s／m3。

环氧树脂Z＝2.5×106N·s／m3，与Z2相近，因此，传感器的第一层匹配材料选用环氧树脂与金属钨粉按比例调制的混合材料，第二层匹配材料选用纯环氧树脂。制作完成的压电传感器如图3所示。测得传感器谐振频率为200 kHz。

图3 传感器结构俯视图

3.4 传感器阵列的设计

按照管道（直径φ＝20 cm）断面的尺寸、成像像素数目（成像精度）等指标来布置传感器。在器壁断面上均匀布置20个收发传感器（编号1至20，1号传感器如图1所示，其它传感器逆时针排列）。接收传感器（编号为偶数）和发射传感器（编号为奇数）各10个，交替排列，这样可以获得最大数目的投影数据，即为100个。

4 超声波收发电路设计

4.1 激励信号源电路的设计

采用NE555N芯片外接阻容元件构成振荡电路，该电路输出连续方波，频率为210 kHz，如图4所示，其中C＝100 pF，R1＝R2＝20 kΩ，Vcc1＝12 V。

图4 555振荡电路

4.2 激励信号功放电路的设计

设计图5所示的激励功放电路。具有功率放大作用的场效应管型号为P45NF06，其栅极限流电阻R3为200Ω，漏极限流电阻R4为100Ω、10W。高频变压器T的作用是升高激励电压与变阻。二极管D1和可变电阻W1串联支路的作用是吸收变压器初级绕组中产生的脉冲尖峰。次级绕组输出电压采用IN47A型稳压管双向稳压，稳定电压值为±20 V，R5＝R6＝1 kΩ，Vcc2＝25 V。

图5 功放电路

4.3 电压峰值采集电路的设计

设计图6所示的接收传感器电压峰值采集电路。由输入电阻高、输出电阻低、工作频带宽的集成运放OP37构成电压跟随器。检波二极管D2的作用是采集单向峰值电压。考虑充放电时间常数与接收信号频率，电容C2取值为50 pF。场效应管的RESET端由ARM机控制，起到放电开关作用。

图6 峰值检测电路

5 测量实验

5.1 发射角测试

传感器的发射角θ决定了其所发射超声波的覆盖范围，发射角越大，有效投影数据采集量就越多，如图7所示。由传感器和母材之间的几何关系可求得发射角θ＝62°。实验发现，与发射传感器直接相邻的接收传感器也能接收到超声波信号。

图7 传感器的发射角

5.2 接收灵敏度测试

接收灵敏度定义为接收传感器输出电压和实际作用到传感器的有效声压之比。用示波器观察接收电压，发现电压信号受工频干扰严重，几乎将其淹没。将RC滤波电路置于接收传感器输出端，有效地消除了工频干扰。RC滤波后的输出电压波形如图8所示。

图8 RC滤波后的接收电压信号

5.3 典型流型仿真投影数据测量

用薄塑料套管（直径为2.5 cm）充满泥沙（水、沙的质量比各占50%），置于充满纯水的圆柱形管道（直径为20.0 cm）中，见图9。

图9 仿真流型

采用以上设计的超声波收发电路，使用计算机进行投影数据采集。流型仿真环境中，每个投影数据获得方法是，接收传感器输出电压峰值的10次测量均值，减去管道中纯水环境下10次测量均值，再取绝对值。各仿真流型的一组投影数据（1号发射，各接收传感器依次接收），见表1。

表1 仿真超声波幅度投影数据

从表1中的投影数据可直接观察到各种仿真流型对投影数据值的影响。经分析，产生实验误差的原因有：发射电路幅值精确度的影响；声场中回波干扰；从容器壁传导过来的外部环境声干扰；外部电磁干扰；仿真泥沙管的位置误差。

6 结 论

制作了压电超声传感器振子，谐振频率为170 kHz。将振子引出电极线，加载声匹配层，构成超声传感器，谐振频率为200 kHz。传感器谐振频率发生偏离变化，两者之间误差为17.6%。柱面型传感器的发射角度大，接收灵敏度高。RC滤波电路能够消除产生于接收传感器中的工频干扰。交替排列收发传感器的阵列布设方式既能使系统获得最大数量的投影数据，又能使强弱电分离，从而方便地设计收发电路。后续工作将是，由双传感阵列系统采集投影数据，经成像算法和相关算法程序对投影数据处理、运算，获得液固两相流的断面图像，并使之成为计量相流量的新手段。

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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，吉林师范大学副教授，东北大学在读博士生，主要从事检测技术与自动化装置的研究。zhou_m＠126.com