【《基于超声波的海冰性质实验系统设计案例》5400字】

基于超声波的海冰性质实验系统设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u7589基于超声波的海冰性质实验系统设计案例 1271651.1实验系统设计 1229081.2海冰参数测量子系统 2121561.2.1海冰温度测量模块 366111.2.2海冰盐度测量模块 4193911.2.3海冰温度测量模块 43401.3超声波参数测量子系统 6255891.1.1超声波激励模块 7168021.1.2超声波换能器选型 111.1实验系统设计由于海冰不是均匀固体介质材料，在海冰剖面上，其孔隙分布不均匀，孔隙的存在使得超声波的散射变得复杂，超声波对海冰的探测理论模型需要进行大量的实验进行完善和补充。这需要在保持海冰参数恒定情况下（即结构稳定），通过大量的低温实验方法进行超声波穿透海冰的参数研究，包括海冰在稳定条件下的温度、盐度、密度和孔隙率等这些海冰参数与超声波的频率、声速、衰减量等参数的关系。为了实现对超声波参数与海冰参数的实验测量，建立超声波参数与海冰变化的统计数据库，分析二者之间的统计函数关系，建立超声波在结构相对稳定的海冰中传播模型，获取超声波和冰物理参数及力学参数的相关关系，设计了基于超声波的海冰性质实验系统，图（3-1）为其方框图。图3-1基于超声波的海冰性质实验系统方框图Fig.3-1Blockdiagramofseaicepropertyexperimentsystembasedonultrasonicwave基于超声波的海冰性质实验系统主要由超声波参数测量子系统和海冰参数测量子系统两大部分组成。超声波参数测量子系统包括海冰盐度参数测量模块、海冰温度参数测量模块和海冰密度参数测量模块；超声波参数测量子系统包括超声波激励模块、显示接收模块和超声波计算模块等。将冰样保持在低温环境，通过对超声波参数与稳定的海冰物理参数的获取及测量，实现了对海冰及淡水冰的温度、盐度、密度等参数和超声波声速和衰减参数的获取。对数据进行分析和手机，建立超声波参数与海冰变化的统计数据库，分析超声波参数与海冰参数的相关关系，为获取超声波和冰物理参数及力学参数的相关关系提供数据基础。1.2海冰参数测量子系统海冰参数测量子系统包含不同的海冰物理参数模块，包括温度测量模块、盐度测量模块、密度测量模块等不同模块，可实现在低温环境下对结构稳定的淡水及海冰冰样的温度、盐度、密度等参数的测量，图（3-2）为海冰性质测量子系统方框图。图3-2海冰性质测量子系统方框图Fig.3-2Blockdiagramofseaicepropertymeasurementsubsystem1.2.1海冰温度测量模块海冰温度测量模块采用了包含温度传感器的测温探头，其核心为基于pt1000铂电阻金属传感器。考虑到实验室处于的室温环境对冰样温度会造成极大的影响，对冰样的超声波穿透实验和物理参数测量均在低温冷库进行。当环境温度处于低温环境下时，可以有效防止冰样的温度剧烈变化以及冰样结构的破坏。在制取冰样过程中，将防水的温度探头放置在配置了一定盐度的海水中，在海水结晶为海冰以及海冰自身的降温过程中实时的记录海冰的温度过程，这是实验室测量海冰的常用方法。在野外进行冰层温度的测量，一般采用钻取冰芯后打孔，在孔中插入冰温传感器，进行现场冰温的测量的办法。图（3-3）为实验室现场图。图3-3冰样温度测量Fig.3-3Icesampletemperaturemeasurement1.2.2海冰盐度测量模块冰的盐度测量采取和野外测量现场冰盐度的方法一致。在冰面上进行巡回调查时，选择适合于试验的冰面，利用取心钻钻取冰心，放在木制冰样盒上，截取若干段，放入特制的塑料盒密封，在室温下融化后，用盐度测试仪直接测融化后的海水盐度，即冰的盐度。在实验室中对海冰盐度的测量放在海冰温度和密度等参数的测量完毕后，对冰样截取，记录截取的具体位置，放入特制的塑料盒密封，通过对冰样进行融化获得盐水，对融化后获得的盐水进行测量，记为海冰的盐度。采用MS-31型盐度计，使用电导率测定法测量盐度，顶端配有电镀铂金探头，可测量盐度、比重和盐水温度，盐度量程在0～55‰，比重测量范围为1.000～1.045，温度测量范围为0～100℃，比重精度为0.001，盐度精度为0.1‰。测量过程为按压电源开关后，将探头浸入盐水，注意水位不要超过探头浸润范围，短暂停留后可得测量盐水盐度。图（3-4）为MS-31型盐度计实物图。图3-4盐度计Fig.3-4Salinitymeter1.2.3海冰温度测量模块对海冰密度的测量采用了两种方法。初期采用了质量-体积法。用这种方法，从实验室制得的冰块上切如图（3-5）所示的冰样品，然后修整成标准的立方体，体积约为10cm×10cm×10cm。测量样品的尺寸并计算样品的体积，通过电子秤获取样品的质量，冰的密度通过公式（3-1）计算：(3-1)实验过程在低温下进行，以避免对冰的物理参数获取造成较大干扰。图3-5冰样Fig.3-5Icesample后期采用密度计进行对海冰密度的测量，采用605MD型密度计，基于阿基米德浮力法测量密度。可以测量固体、液体以及颗粒状物体的密度，可测量质量范围在0.005g～600g,密度测量精度达0.0001g/cm3,常用于玉石、石油及金属的密度测量。图（3-6）为605MD型密度计实物图。图3-6密度计Fig.3-6Densitymeter对海冰来说，由于海冰的密度总小于1g/cm3,所以需要使用抗浮架进行辅助测量。与此同时，由于温度对海冰的密度造成很大影响，需要在实验过程中将实验环境温度保持在较低温度。密度计中通常使用的浮力来源是水的浮力，但是这样无法为冰的测量提供低温环境，冰样会在水中迅速融化。所以在本研究中，浮力的来源不能是水，所以采用了耐低温的冷却液.冷却液最低温度可降低到-45℃，满足实验对于低温环境的要求。其密度为972g/cm3与通用设置不同，需要在密度计中进行参数调整。同时由于冷却液呈蓝色或粉色，可以清楚地观察到浸润其中的冰样是否发生融化或结构的破坏。但是由于冰在取样过程中不可避免会对结构造成影响，密度测量过程尽可能缩短时间，将冰样的变化影响降到最低。其工作过程为：组装好密度计，在量盒中放入温度冷却至0℃以下的冷却液，将吊篮浸入冷却液中，将抗浮架放入吊篮，使其完全被冷却液覆盖，清零密度计，开始测量。将冰样放置在测量台上测量其在空气中的重量，再将其放入冷却液中，用抗浮架使其完全浸没，测量其在冷却液中的质量，通过阿基米德原理，测量出冰样密度。1.3超声波参数测量子系统超声波参数测量子系统可实现对穿过冰的超声波的传播速度、峰峰值及衰减等参数的测量。超声波参数测量子系统包括一个超声波激励模块、同步模块、接收模块、扫描模块、显示模块、超声波参数计算模块以及超声波探头。图（3-7）为超声波参数测量子系统方框图。图3-7超声波参数测量子系统方框图Fig.3-7Blockdiagramofultrasonicexcitationinstrumentcircuit在图（3-7）所示的超声波参数测量子系统由同步模块、激励模块、接收模块、扫描模块、显示/记录模块、超声波参数计算模量及超声波探头组成。其中，同步模块是超声波参数测量子系统的指挥中心，由它产生时基线，并控制协调其他各模块协同工作；激励模块产生一个时间很短的高频电脉冲输入到探头内的压电晶片上产生超声脉冲波；超声波探头激发和采集超声波；接收模块负责接收探头传回的回波电脉冲；传回的回波电脉冲经放大、检波和滤波后加载在显示/记录模块以供观测和储存记录；最终由超声波参数计算模块进行对声速和衰减的计算。1.1.1超声波激励模块通过调整激励模块的参数，改变激励超声波探头的电信号，可实现对超声波幅值、频率、相位、激发个数、脉冲类型等多个参数，在保证超声波探头正常工作的前提下，可以最大化开发超声波探头性能，提升探头探测范围，提高观测精度，有助于进一步提升实验观测效率。本研究中采用了三种不同的超声波激励模块设计，以保证实验精度的基础上提升便携性，为实现远程冰上原位观测提供设备基础。（1）非线性高能激励模块非线性高能激励模块基于RitecRAM-5000高能超声设备，是专门用于超声和材料无损检测的仪器。可通过计算机程序可控制激发的超声波的各种参数和功能，设置放大器的放大倍数，设置脉冲信号中周期的个数，射频脉冲的功率，脉冲的延时，信号重复频率等。可获得频率范围在50KHz至40MHz的超声信号，在降低输出功率时，最低频率可达30KHz。图（3-8）RAM-5000非线性高能激励装置图3-8RAM-5000Fig.3-8RitecRAM-5000主要工作过程为：在超声波激发设置版面的synthesizer栏，根据探头的中心频率选择设置激励频率和周期个数，使RAM-5000非线性高能激励模块激励超声波探头发出一定中心频率的超声波信号；接收界面Receiver栏Input开关选择为：on；接收通道选择为：channel1；Tracking界面source为No.1；接收界面Frequency:选择与激励频率保持一致；通过gatedamplifier调节激励信号的放大，以及通过调整接收信号的gain增益使示波器接收的超声波信号清晰且具有较好的分辨率。图（3-9）计算机程序激发参数调整界面。图3-9RAM-5000非线性软件界面Fig.3-9SoftwareinterfaceofRAM-5000NonlinearDeviceRAM-5000非线性高能激励模块具有激励范围广，激励频率带宽广，激发能量高，信号可调参数完备等多方面优点。但是在研究中发现，RAM-5000非线性高能激励模块由于体积笨重，设备使用不便，难以实现现场观测；同时由于RAM-5000非线性高能激励装置激发频率一般较高，应用低频信号时，有信号激励效果较差等缺点出现。（2）单通道超声波激励模块单通道超声波激励模块采用了USPC7100LA超声激发信号发射卡进行信号的激励，在示波器和计算机上实现对超声波信号的接收和处理，可实现激励频率带宽在0.75M至25M的超声波信号激发与接收。此超声卡可直接连接在计算机PCI插槽上，通过安装的软件，直接显示在外接显示器上，通过设置相应的参数，即可获取高质量的超声波信号。采用SMB标准接口连接计算设计，使用三通BNC接头连接超声波探头。图（3-11）为USCP5100超声波激励模块的软件界面，软件通过LabVIEW程序开发，可根据需要由开发人员进行调整，增加不同的超声波探测模块，具有一定的扩展性。图3-10USCP5100Fig.3-10USCP5100面板下侧设有不同栏目，Pulser栏可调节激发信号的电压，通过放大电路，对激发信号进行调整，使激发信号具有不同的幅值和声压；Receiver栏可通过滑块对接收信号进行调整，事接收界面的信号变得清晰。通过设置Gate1栏和Gate2栏的接收信号截取，可以方便的在界面右侧读出接收信号的峰峰值和信号最大值对应的时刻。在信号显示界面的上侧，在Tool选择栏，可通过Acquisition界面获取超声信号的数据，以CSV文件储存在电脑中，通过频谱分析和傅里叶变换，可以得到超声波的频域图，实现对超声波衰减的测量。图3-11USCP5100超声波模块软件界面Fig.3-11SoftwareinterfaceofUSCP5100ultrasonicexcitationsystem单通道超声波激励模块具有体积小，便于携带，使用方便的优点实现超声卡与电脑之间的通讯，软件的主面板是信号的接收和展示模块，可以直观的通过USCP5100软件界实现对激发信号和接收信号的同步以及观察，通过调整界面参数，软件的信号接收界面可以方便实现对信号的展示，替代了原本需要外接的示波器等设备。（3）ATmega1284P超声激励模块上文提到的两种超声波激励模块，具有非常广泛的频率带宽，能够实现基于超声波的全面检测，可以激发多种不同频率和幅值的脉冲波，可以实现频率可变的连续性信号激励。在进行了多种频率的超声波穿透实验后，通过实验发现，频率在1MHz及以下频率具有衰减较小的特点，更适合应用于对海冰的测量。为了超声波检测装置应用于野外检测，实现远程海冰检测，需要进一步减小超声波激发设备的体积和重量以使其方便携带。设计了激发固定频率的基于单片机ATmega1284P的超声波激励模块。ATmega1284P超声波激励模块以单片机ATmega1284P为核心，在Tmega1284P单片机上加载了超声波激发程序和同步程序，实现超声波的信号激励和接收信号的同步。通过超声波发射频率的选择开关，将开关拨到不同位置，运行脉冲发送主程序，频率选择程序，超声波探头发射便发射频率为50KHz、150KHz和500KHz的超声波信号。图（3-12）为超声波发射电路板。图3-12超声波发射电路板Fig.3-12Ultrasonicemissionboard超声波发射单元脉冲主程序和频率选择程序均用C语言编程，进行编译调试，并通过仿真器与接口连接进行程序的在线调试与下载，下表为超声波激发板元器件表：表3-1超声波激发板元器件Tab.3-1Ultrasonicexcitationboardcomponents标注部件功能1ATmega1284P超声波整体发射电路的核心

实现信号激励和同步2ZH-EE19脉冲变压器放大激励信号3tudioAVR仿真器接口灌注程序4发射频率选择开关11——50kHz

00——150kHz

01——500kHz5电源接口连接5V直流电6发射信号指示灯显示信号激发7超声换能器接口连接超声波换能器ATmega1284P超声波激励模块具有体积小，激励电压可调，可实现固定频率超声波激励的优点。具有可扩展性，通过加载滤波、接收电路，可实现在野外的超声波激发、检测和接收。且由于其体积小、能耗低的优点，可通过耐低温电源供电，具有在极地低温环境正常工作的应用前景。1.1.2超声波换能器选型在本研究中，考虑到采用了垂直反射回波法对衰减较大的特殊材料海冰进行测量，所以采用了纵波直探头和纵波聚焦探头对冰层进行检测。目前商品化探头的标称频率有0.5MHz、1MHz、1.25MHz、2MHz、2.5MHz、4MHz、5MHz、6MHz、10MHz、15MHz和25MHz,常用的超声检测频率在0.5～l0MHz之间。频率的高低对超声检测有较大的影响，既有好的一面，也有不利一面。在本研究中，通过实验发现，1M以上频率在海冰中存在较大的衰减，难以获取清晰信号，检测灵敏度较低，所以最终采用了500KHz及1MHz两种频率进行测量，采用了直径15mm到40mm的晶片。同时考虑到超声探头放置在低温冷冻室内以防止其温度对冰样温度造成影响，探头材料选择了耐