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

《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》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、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

2、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

3、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

4、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

5、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

6、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Zflu

7、id=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