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第 37 卷 第 6 期 夏多兵等： 非侵入式超声波浆料浓度测量技术研究 845

实验中通过搅拌器保持常速旋转对颗粒进行 3.2 实验过程
有效分散，为接收信噪比高的超声信号，分别对中 将超声换能器紧贴在玻璃圆管外壁的磨平区
心频率为 40 kHz、200 kHz 以及 1 MHz 的换能器进 域并对中固定，接触面涂抹超声耦合剂。设置脉冲
行了前期试验和性能比较。40 kHz换能器方向角较 发生器的频率为 200 kHz，脉冲电压为 200 V，脉冲
大，信号发散严重，接收器不能获得足够有效信号； 重复频率为 200 Hz，产生脉冲波信号激励超声换能
1 MHz 换能器在浆料中衰减明显，仅限在低浓度时 器，使用 LabVIEW 软件编写的数据采集程序并调
使用，高浓度时有效信号过于微弱；200 kHz 换能器 节采样率为 2 MHz, 采样点数为 1 × 10 (足够储存
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的方向角和衰减系数总体指标较为合理，一方面超 整个声波信号)，采样由同步信号触发。实验前需要
声波束可以有效集中，另一方面高浓度时依然可以 确定换能器接收的超声信号是沿直线传播的纵波，
测得有效信号。图 2 为实验采用的超声换能器，中 而不是沿壁面传播的表面波 [13] 。利用片状吸声材
心频率为 200 kHz，采用该频率可有效避免环境噪 料分别在水和浆料中遮挡声波透射路径，分析发现
声的影响，在高浓度测量时可获得较高信噪比，也无 超声信号基本消失，无遮挡时信号恢复正常，确定所
需设置过高的采样率，降低了对数据采集硬件的要 测超声信号是沿直线传播的纵波，实验信号适用。
求。此外，实验采用的超声换能器方向角为4 左右， 实验中，在玻璃管道内倒入定量水，根据水量
◦
超声波束较为集中，其声能密度符合要求。数据采 换算每次需要加入样品的量。用电子天平称取定
集卡缓存为 8 MByte，采样率设为 2 MHz (换能器 量的物料倒入管内，由搅拌器进行均匀混合后移开
中心频率的10倍)，信号时域持续较长。 搅拌器，待浆料较为稳定时开始保存数据。由于温
实验采用非侵入式超声波测量方法，如图 3 所 度变化会对超声信号产生影响，分别在清水和一定
示，有机玻璃管外壁面磨平之后则无需考虑换能器
3
的散射情况，管道外径为 70 mm，壁厚 9 mm，而磨
2
2
平面积为 78 mm ，磨平深度为 2 mm，对管壁强度
的影响可忽略不计。同时为避免对流体流态造成影 1
响，管道内壁没有进行任何处理。 ࣨϙ/V 0

-1
-2

-3
0 2000 4000 6000 8000 10000
௑ᫎ/ns

图 4 接收超声信号
Fig. 4 Received ultrasonic signal

图 2 超声波换能器 3
Fig. 2 Ultrasonic transducers 2

1
ࣨϙ/V 0

-1
-2

-3
0 100 200 300 400 500 600 700 800
௑ᫎ/ns

图 3 有机玻璃圆管 图 5 局部放大波形信号
Fig. 3 Plexiglass pipe Fig. 5 Partial enlargement of waveform signal