沉降过程超声成像传感器制作及其声场测量.pdf

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1、854化工自动化及仪表第40卷沉降过程超声成像传感器制作及其声场测量周明1’2邵富群2张文波1(1．吉林师范大学计算机学院，吉林四平136000；2．东北大学信息科学与工程学院，沈阳110004)摘要在沉降过程超声成像系统中，工作于液态环境传感器的设计与制作质量直接决定投影数据的采集精度。根据超声波传播理论、压电陶瓷材料的谐振特性和圆形检测场的要求，制作了柱面形且尺寸满足成像要求的压电传感器。根据位相跟踪法，测得传感器的谐振频率在200kHz附近．谐振等效电阻在460Q左右；发射传感器的发射角度达620；接收传感器的接收电压达到百

2、毫伏数量级。实验结果表明：接收传感器灵敏度高；发射传感器的发射角度大，声场范围充满了圆形检测场；通过合理控制激励电路的发射功率，声场中无反射波产生，使测量数据具有良好的稳定性。关键词沉降过程超声传感器制作发射角谐振频率声场测量中圈分类号TH841文献标识码A文章编号1000-3932(2013)07--0854-06超声过程成像技术因无污染、成本低及超声波指向性好等优点，已成为国内外研究人员所关注的一项高新检测技术¨。J，该项技术在水声成像领域的研究工作也在逐步开展H’51。近年来，超声波传感器阵列的设计受到高度重视哺】，但文献在

3、水声传感器制作及性能分析方面的成果介绍却比较少。国外学者采用压电薄膜(PVdF)材料装配了医用的超声波传感器。川，该类传感器工作频率高，可达25MHz以上，但传感器输出功率却远小于压电材料的传感器。国内科研人员制作了较多种类的压电传感器，如吴伟炜等采用压电陶瓷材料制作了较大输出功率的水声传感器"】，但大功率种类的传感器并不适用于小区域声场测量。基于文献[9—11]，工作于液态环境的传感器应具备发射效率高、接收灵敏度高、工作频带宽、适用温度范围大、易于更换及与连续相声匹配等特点。针对圆形沉降截面的成像问题，应制作既适用于液态环境下工

4、作，又适用于圆形检测场的传感器。实验采用压电陶瓷材料，制作了合理尺寸的柱面形收、发两用传感器，并对检测声场中的连续介质超声衰减数据进行了采集，发现所设计的传感器尺寸符合成像像素要求，能够可靠地发送、接收超声波信号。1超声过程成像系统1．1成像系统组成笔者所研究的超声成像系统结构如图1所示，检测对象为圆形管道(直径中=20cm)中的沉降过程。传感器阵列均匀布置于管道截面壁上，并采用准非浸入方式。1．2成像原理介绍在介质中传播的超声波，随着传播距离的增加会发生能量衰减。沿z方向传播的超声波，其声压振幅与传播距离彳、衰减系数a之间呈指数

5、衰减规律：P(z)=Poe一(1)由于声压正比于传感器的输出电压，可把式(1)式改写成电压幅值的表示形式：A(z)=Aoe～(2)衰减系数a与超声波传播介质的性质、超声波自身频率和环境温度有关¨2J3。。当超声波频率、环境温度固定时，连续相和离散相的衰减系数值是不同的。具体成像方法是将衰减系数的反演问题离散化，即将图像重建区域离散成被编号的小网格单元，每个单元就是一个像元。每个像元内的衰减系数被认为具有相同的衰减系数。可将式(2)的表示形式离散为：∑锄-lnf争1(3)收稿日期：2013．．06．．07(修改稿)基金项目：四平市科

6、技发展计划项目(四科合字第2011011号)第7期习明等．沉降过程超声成像传感器制作及其声场测量855∥f。≈≮．夕’。≮。≮、伽乡＼：：==：：∥激励电路控制IU采路集电路fJ厂———]下位机I．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．一图1超声成像硬件系统框图其中，z。是第i条超声波射线经过第_『个像元系，因此要根据谐振频率来确定传感器尺寸。激的距离，a，是第_『个像元内的衰减系数，A．是第i励信号频率、传感器谐振频率和成像像素尺寸所条射线的投影值。记射线路径矩阵为￡，反演参要求超声波的频率皆应相同。激励信号频率与传数列向量为菇

7、，投影列向量为Y，式(3)可表示为矩感器固有谐振频率相同，可使发射传感器输出最阵形式：大功率。当离散相粒尺寸与超声波长相当或更小／,x=Y(4)矩阵方程经反演计算得到检测场中衰减系数的分布，最终由成像程序绘制检测场的二维图像，为相流动过程分析和质量流量计算打下基础。由于检测区域为较小范围的圆形水平截面，当一个传感器发射超声波，其他传感器皆要接收超声波。再有，传播的超声波又存在较为复杂的反射及散射等现象，这些客观条件为传感器制作提出了新要求。2传感器制作原理结合检测场的形状与液相环境，在传感器制作过程中，考虑了以下设计因素：传感器材

8、料的选择，以适于发射传感器能够输出较大功率，接收传感器具有较高的接收灵敏度；形状设计，以适于圆形检测场；尺寸设计，以适于对成像像素的要求；传感器声匹配材料的选择，以适于与液态连续相声匹配。多晶压电陶瓷材料PZT的机电耦合系数、压电常数都具有较高数值