Page 219 - 《应用声学》2023年第4期

第 42 卷 第 4 期 陈俊羽等： 固液悬浮体系下超声波浓度测量技术进展 881

超声衰减定义为 [9]
0 引言
1 P 1 V
α = − ln = − ln , (1)
L P 0 L V 0
监测和控制颗粒悬浮物状态是许多现代工业
式(1) 中，P 0 表示初始位置处的声压，P 表示声波传
过程的重要环节之一。浓度则是监测工业浆体的一
播了距离 L 后的声压；V 0 表示初始位置处的接收电
个重要的物理参数，反映在制造行业的各个领域，
压，V 表示声波传播了距离L后的接收电压。
尤其反映在处于我国战略发展重要位置的电子元
目前，已有学者根据超声衰减原理得出不同悬
器件制造领域。例如随着 5G 的发展，在智能手机、
浮液下的浓度—声衰减关系曲线，如图1所示。
航天、军工等方面对多层陶瓷电容器 (Multi-layer
ceramic capacitors, MLCC) 的需求都持续增长 [1] 。 1.8
6.5 µm
而流延成型是 MLCC 生产的关键步骤。在流延成 1.6 10 µm
型工艺流程中，陶瓷浆料性能决定流延素坯的均匀 1.4 18 µm
25 µm
性及微观结构，进而决定电子陶瓷产品质量 [2] ，而 1.2 74 µm
1.0
浆料性能评价的关键指标则是其整体浓度的均一 ᛰѓϙ/(dBScm -1 ) 0.8
性 [3−4] 。因此浆料的浓度直接影响着产品器件的质 0.6
量。与此同时，河流和水库等地表水体中的悬浮泥 0.4
沙浓度是解决水利设计、水资源管理等工程问题的 0.2
最重要的水文数据之一 [5] 。因此浆体浓度的高精度 0 0 5 10 15 20 25 30
测量在生产和勘测过程中举足轻重，如何能够快捷 ʹሥᄈѬไए/%
方便又准确地测出浆体中固定成分的浓度成为当 (a) ᆃᔮᆋไएˁܦᛰѓТጇ [10]
70
下研究的热点。
0.117 mm
60 0.087 mm
1 基于超声波传感器的浓度检测方法 50 0.062 mm

超声波是一种机械波，其频率高于 20 kHz，在 ᛰѓጇ஝/(dBScm -1 ) 40
工业应用中常采用的频率范围是 20 kHz∼10 MHz。 30
超声波具有如下特性：(1) 适应性强，能够应对不同 20
的生产环境；(2) 功耗低，成本低；(3) 精度高，响应 10
速度快。根据超声波在不同悬浮液中的衰减和传播 0
0 2 4 6 8 10 12 14
特性，目前主要分为超声波衰减、超声波声速这两 ᠏᧚ไए/(gSm -3 )
种基于超声波的悬浮液浓度测量方法，因此需要综 (b) ˀՏዢय़ʾไएˁᛰѓጇ஝ᄊТጇ
[7]
合考虑两者针对不同浆料的变化响应，选用合适的 47
方法。 46

1.1 超声波衰减 45 ေ᝷ϙ
ࠄᰎϙ
44
基于超声波衰减的悬浮液浓度测量方法是目 43
前使用较多的测量方式。波的吸收和散射是引起衰 ᡔܦฉᛰѓጇ஝/(NpSm -1 ) 42
减现象的主要因素 [6] 。当超声波穿过浆体时，信号 41
强度会因超声波与浆体中的颗粒之间的相互作用 40
而降低 [7] 。这种情况将超声能转化为热能，从而间 39
接降低了波信号的初始振幅 [8] 。被测液体中的悬浮 38
0 2 4 6 8 10
颗粒物的含量与超声波信号的衰减成正比，因此通 ʹሥᄈѬไए/%
过分析在线测量的衰减信号可以得到相应的浆料 (c) ᛰѓጇ஝ࠄᰎϙˁᝠካϙᄊࠫඋ [11]
体积百分浓度。在部署传感器之前，要利用已知浓 图 1 不同的浓度 -声衰减关系图
度的浆料对传感器声衰减进行校准，以防出现异常 Fig. 1 The different charts of relationship between
测量结果。 concentration and attenuation coefficient