一種超聲波液體濃度相敏檢測方法及裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及液體濃度的檢測技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種超聲波液體濃度相敏檢測 方法及裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 液體的濃度是表征液體特性的一個非常重要的參量，隨著現(xiàn)代科學技術(shù)的發(fā)展， 對于液體溶液濃度的測量精度提出了越來越高的要求。測量液體濃度的方法有多種，但通 過測量液體聲學特征，來間接測量液體濃度的方法，具有無需取樣、操作簡單、速度快而且 精度高、對人體無害、且能夠?qū)崿F(xiàn)在線連續(xù)檢測優(yōu)點，已成為液體濃度測量重要手段之一。 超聲波濃度測量方法通常采用聲時法，它是由發(fā)射傳感器發(fā)射超聲波信號，超聲波導入被 檢液體內(nèi)并傳播固定距離，再利用接收傳感器接收穿過液體后的超聲波信號。通過直接測 量超聲波的傳播時間來間接測量超聲波的聲速，從而進行液體濃度的測量。聲時法測量的 關(guān)鍵是時間測量，其測量精度的高低主要由超聲波傳播時間的測量精度決定。
[0003]目前，聲時測量系統(tǒng)一般采用單片機作為系統(tǒng)核心芯片負責產(chǎn)生超聲波發(fā)射驅(qū)動 信號，通過過零檢測，接收超聲回波信號，實現(xiàn)超聲波在液體中渡越的時間的計時（扣除硬 件延時）。單片機測量系統(tǒng)的運行頻率一般達不到用在液體測量中超聲波傳感器的最優(yōu)頻 率40MHz，因此無論是采用定時器方式還是計數(shù)器方式中的何種方式，傳感器驅(qū)動信號的 頻率和精度都是有限的，與理論的測量精度要求差距其測量精度受限于所采用的超聲波頻 率，頻率越高精度越大，但其聲衰減也隨頻率增加而增加，對衰減大的比如海地沉淀物的測 量不能用提高超聲發(fā)射頻率來保證測量精度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種超聲波液體濃 度相敏檢測方法及裝置。
[0005] 本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)：
[0006] -種超聲波液體濃度相敏檢測方法，該方法包括以下步驟：
[0007] 1)連接系統(tǒng)：通過數(shù)據(jù)線將相敏檢測裝置的各部分連接完整，并通電；
[0008] 2)標定測量：配制一系列已知濃度和溫度的樣品溶液，通過相敏檢測裝置獲取樣 品溶液的超聲信號相位差，并對所有濃度下樣品溶液的超聲信號相位差和溫度進行擬合， 獲得樣品溶液的標定曲線集；
[0009] 3)濃度測量：獲取待檢溶液的相位差和溫度，并將待檢溶液的超聲信號相位差和 溫度發(fā)送到嵌入式計算機中，根據(jù)標定曲線集得到待檢溶液的濃度，并在顯示屏上顯示出 來。
[0010] 所述的步驟2)具體包括以下步驟：
[0011] 21)通過最小二乘法對不同濃度樣品溶液的溫度和超聲信號相位差進行擬合，得 到多條不同濃度對應的擬合曲線；
[0012] 22)將多條不同濃度對應的擬合曲線整合為標定曲線集，并將標定曲線集存儲到 嵌入式計算機內(nèi)。
[0013] 所述的步驟3)具體包括以下步驟：
[0014] 31)通過相敏檢測裝置分別測得待檢溶液的超聲信號相位差和溫度；
[0015] 32)根據(jù)測得的待檢溶液的超聲信號相位差和溫度數(shù)據(jù)，判斷該超聲信號相位差 和溫度數(shù)據(jù)是否落在標定曲線集的擬合曲線上，若是，則直接讀取對應的溶液濃度，若否， 則通過線性插值法，根據(jù)已知相鄰的擬合曲線數(shù)據(jù)計算獲得待檢溶液的濃度。
[0016] -種超聲波液體濃度相敏檢測裝置，該裝置包括依次連接的一體化超聲檢測探 頭、濃度檢測儀和嵌入式計算機，所述的一體化超聲檢測探頭包括不銹鋼支架以及設置在 不銹鋼支架上的發(fā)射傳感器、接收傳感器和溫度傳感器，所述的發(fā)射傳感器、接收傳感器和 溫度傳感器分別通過信號線與濃度檢測儀連接。
[0017] 所述的濃度檢測儀包括超聲波發(fā)射頭、溫度檢測放大器、超聲波接收放大器和信 號處理器，所述的超聲波發(fā)射頭與發(fā)射傳感器連接，所述的溫度檢測放大器與溫度傳感器 連接，所述的超聲波接收放大器與接收傳感器連接，所述的超聲波發(fā)射頭、溫度檢測放大 器、超聲波接收放大器分別與信號處理器連接。
[0018] 所述的嵌入式計算機通過USB接口與濃度檢測儀連接。
[0019] 所述的不銹鋼支架為U型支架，所述的溫度傳感器設置在U型支架內(nèi)側(cè)底部，所述 的發(fā)射傳感器和接收傳感器相對設置在U型支架內(nèi)側(cè)壁上。
[0020] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點：
[0021] -、測量精度高：采用相敏檢測方法，通過測量超聲傳播的相位變化來確定液體濃 度的細微變化，相位的測量精度高，其濃度測量精度較聲時計數(shù)法的要高。
[0022] 二、適用于聲衰減大的液體：包括氣液混合的液體、泥漿、海底沉積物等，相位的測 量精度不隨所采用的超聲工作頻率變化，即使工作在幾十千赫的低頻超聲仍有較高的測量 精度。
【附圖說明】
[0023] 圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0024] 圖2為一體化超聲檢測探頭的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0025] 圖3為濃度檢測儀的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0026] 圖4為液體濃度相敏檢測原理示意圖。
[0027] 其中，1、一體化超聲檢測探頭，11、不銹鋼支架，12、發(fā)射傳感器，13、接收傳感器， 14、溫度傳感器，2、濃度檢測儀，21、超聲波發(fā)射頭，22、溫度檢測放大器，23、超聲波接收放 大器，24、信號處理器，3、嵌入式計算機。
【具體實施方式】
[0028] 下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。
[0029] 實施例1 :
[0030] 利用一種超聲波液體濃度相敏檢測裝置，發(fā)射、接收探頭之間的距離為20mm，探頭 頻率為1MHz，檢測純水在不同水溫下的相位變化，檢測結(jié)果如表1。
[0031] 表1純水不同水溫下相位變化
[0033] 為了驗證系統(tǒng)測量精度，采用與國際超聲波在純水中的理論速度標準來比較。表 2為國際通用純水理論聲速表。
[0034] 表2純水理論聲速表
[0036] 為了能夠?qū)⒈?測量數(shù)據(jù)與表2國際標準進行比較，我們將表1和表2數(shù)據(jù)都轉(zhuǎn) 化成聲時，如表3和表4。
[0037] 表3純水理論聲時表
[0039] 表4純水實驗聲時表
[0040]
[0041] 利用MATLAB工具對表3和表4的數(shù)據(jù)進行曲線擬合。擬合方程中t為純水理論 聲時，單位μ s ;t。為純水實驗聲時，單位μ s ;T為被測液體溫度，單位°(：。
[0042] 表3純水理論數(shù)據(jù)擬合方程為：
[0043] t = -2. 09X10 10XT5+5. 432X 10 8ΧΤ4-7. 279X 10 6ΧΤ3+7. 571 X 10 4XT2 (I)
[0044] -0. 05107 X T+14. 26
[0045] 表4純水實驗數(shù)據(jù)擬合方程為：
[0046] t。=-3. 361X10 8XΤ5+7· 707X 10 6XΤ4-5· 759X 10 4XΤ3+0· 01982XT2 (2)
[0047] -0· 3511ΧΤ+4. 003
[0048] 根據(jù)方程1和方程2計算對應溫度點的絕對誤差，如表5。
[0049] 表5相敏檢測純水絕對誤差
[0051] 由表5可以看出，測量絕對誤差沒有任何規(guī)律。誤差的最大值出現(xiàn)在20°C左右，最 大絕對誤差為1. 73X 10 3 μ s。
[0052]