本發(fā)明屬于多相流檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種用于超聲層析成像系統(tǒng)的一體化超聲傳感器及使用方法。

背景技術(shù)：

超聲層析成像(ultrasonictomography，ut)是一種通過物體外部獲取到的數(shù)據(jù)重建物體內(nèi)部分布的技術(shù)，目前已被廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)和工業(yè)領(lǐng)域。利用ut技術(shù)對(duì)多相流流動(dòng)參數(shù)的實(shí)時(shí)檢測(cè)已經(jīng)成為近年來的研究熱點(diǎn)，在多相流流動(dòng)參數(shù)檢測(cè)中，油氣金屬管道中氣液兩相流流型的檢測(cè)對(duì)石油輸送的安全和效率起到了至關(guān)重要的作用。

石油多通過金屬管道輸送，目前，在利用ut技術(shù)檢測(cè)金屬石油管道中兩相流時(shí)，多采用直接將多個(gè)超聲換能器通過耦合劑均勻粘貼在管道外壁，循環(huán)激勵(lì)所有超聲換能器完成一次掃描，利用接收傳感器接收到的信號(hào)進(jìn)行反演金屬管道內(nèi)部的兩相流分布。由于亞克力材料的聲阻抗和石油的聲阻抗相差較小，所以目前利用ut技術(shù)檢測(cè)多相流的流動(dòng)過程多停留在亞克力管等管材中，而利用ut技術(shù)對(duì)金屬管中多相流的檢測(cè)卻鮮見報(bào)道。

超聲波在透過被檢測(cè)對(duì)象后信號(hào)的獲取是研究ut技術(shù)的前提。由于金屬和石油的聲阻抗相差非常大，在利用ut技術(shù)檢測(cè)石油管道中兩相流時(shí)，超聲波在金屬管道與石油的交界面處會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈的反射，只有微弱的超聲波能進(jìn)入管道內(nèi)。同時(shí)，換能器往往先接收到管壁中的干擾信號(hào)且信號(hào)幅值相對(duì)有用信號(hào)較大，信號(hào)處理較困難，因此，如何提高進(jìn)入管道內(nèi)部的攜帶檢測(cè)信息的有用信號(hào)和沿管壁傳播的不攜帶檢測(cè)信息的干擾信號(hào)的幅值之比是本發(fā)明擬解決的關(guān)鍵問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

要解決的技術(shù)問題

為了避免現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，本發(fā)明提出一種用于超聲層析成像系統(tǒng)的一體化超聲傳感器及使用方法，使得減小管壁中干擾信號(hào)的幅值并使其到達(dá)時(shí)間延遲。

技術(shù)方案

一種用于超聲層析成像系統(tǒng)的一體化超聲傳感器，其特征在于包括金屬管、超聲壓電換能器單元和液體介質(zhì)；金屬管的圓周上設(shè)有多個(gè)類齒輪狀的突起和多個(gè)超聲壓電換能器單元，金屬管內(nèi)注滿液體介質(zhì)；所述多個(gè)類齒輪狀的突起和多個(gè)超聲壓電換能器單元位于圓周均勻分布且相互間隔；所述液體介質(zhì)內(nèi)含有氣泡。

所述液體介質(zhì)為水或石油。

所述多個(gè)類齒輪狀的突起和多個(gè)超聲壓電換能器單元為八個(gè)。

所述類齒輪狀的突起為半圓形。

一種所述用于超聲層析成像系統(tǒng)的一體化超聲傳感器的使用方法，其特征在于步驟如下：將傳感器表面與管壁平行，與管壁采用耦合劑進(jìn)行耦合。

檢測(cè)過程中，超聲換能器將激勵(lì)電信號(hào)轉(zhuǎn)換為超聲信號(hào)，在耦合劑耦合下將超聲信號(hào)傳至管壁。此時(shí)一部分超聲信號(hào)穿過管壁與管中液體的界面向管道內(nèi)部傳播，另一部分超聲信號(hào)沿管壁傳播。沿管壁傳播的超聲波經(jīng)過突起時(shí)會(huì)有部分超聲波在突起內(nèi)反復(fù)反射并衰減，最終與管內(nèi)傳播的超聲波一起被接收傳感器接收。

有益效果

本發(fā)明提出的一種用于超聲層析成像系統(tǒng)的一體化超聲傳感器及使用方法，通過一體化傳感器中外形類齒輪狀金屬管的設(shè)計(jì)，對(duì)在管壁中傳播的無用超聲信號(hào)產(chǎn)生濾波作用，大幅減小管壁中干擾信號(hào)的幅值，提高管道內(nèi)傳播的有用信號(hào)與干擾信號(hào)的幅值之比。干擾超聲信號(hào)在類齒輪狀金屬管的突起中反復(fù)反射，最終到達(dá)接收傳感器的路程增加，到達(dá)時(shí)間相對(duì)普通管道滯后，便于在處理接收到的信號(hào)時(shí)對(duì)有用信號(hào)的識(shí)別和提取。

附圖說明

圖1：外形類齒輪狀的特殊金屬管結(jié)構(gòu)圖；

圖2：一體化超聲傳感器裝置基本原理示意圖；

1-第一超聲換能器，2-第二超聲換能器，3-第三超聲換能器，4-第四超聲換能器，5-第五超聲換能器，6-第六超聲換能器，7–第七超聲換能器，8-第八超聲換能器，9-金屬管，10-液體介質(zhì)，11-為液體中的氣泡，12-超聲信號(hào)穿過管壁在液體中傳播的路徑，13-超聲信號(hào)沿管壁傳播的路徑，14-超聲信號(hào)在管壁內(nèi)傳播時(shí)，部分信號(hào)在管壁突起內(nèi)的反射的路徑。

圖3：超聲信號(hào)在突起內(nèi)反射示意圖；

圖4：普通管道與本發(fā)明設(shè)計(jì)一體化超聲傳感器中超聲信號(hào)對(duì)比示意圖。

具體實(shí)施方式

現(xiàn)結(jié)合實(shí)施例、附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述：

本發(fā)明實(shí)施例提供一種用于超聲層析成像系統(tǒng)的一體化超聲傳感器設(shè)計(jì)，所述一體化超聲傳感器裝置包括外形類齒輪狀的特殊金屬管和8個(gè)超聲壓電換能器單元，兩者組成一個(gè)整體，即一體化超聲傳感器。特殊金屬管內(nèi)注滿液體(水、石油等)并含有氣泡。

本發(fā)明設(shè)計(jì)的管道在傳統(tǒng)金屬管道的基礎(chǔ)上針對(duì)超聲層析成像系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)和優(yōu)化，設(shè)計(jì)了具有若干突起的特殊金屬管壁。如圖1所示，所設(shè)計(jì)的特殊金屬管道是在普通的金屬管道的基礎(chǔ)之上添加了具有一定形狀和尺寸的突起，本實(shí)施例中管道外壁的突起為半圓形，半圓形突起的圓心位于管道外壁上，圖中d表示管道的外徑，d表示管道的內(nèi)徑，r表示半圓形突起的半徑，θ表示相鄰兩個(gè)突起圓心相對(duì)管道中心的夾角。相鄰?fù)黄鹬g的夾角與突起的個(gè)數(shù)有關(guān)，本例中的八個(gè)半圓形突起均勻地分布于管道四周，相鄰兩突起之間的夾角θ為22.5°。半圓形突起的半徑r取為管道外徑的d的0.08倍，即r＝0.08d。

如圖2所示，圖中1-8為超聲層析成像系統(tǒng)所使用的超聲換能器，換能器均勻分布于管壁突起之間，且與相鄰管壁突起保持相同距離。所有傳感器均具有相同結(jié)構(gòu)和參數(shù)，且均可激勵(lì)或接收超聲信號(hào)。圖中9為所設(shè)計(jì)的外形類齒輪狀的特殊金屬管，10為管道中的液體，11為液體中的氣泡，與液體形成氣液兩相界面。傳感器表面與管壁平行，與管壁采用耦合劑進(jìn)行耦合。

檢測(cè)過程中，超聲換能器將激勵(lì)電信號(hào)轉(zhuǎn)換為超聲信號(hào)，在耦合劑耦合下將超聲信號(hào)傳至管壁。如圖2所示，12為超聲信號(hào)穿過管壁在液體中傳播的路徑，13為超聲信號(hào)沿管壁傳播的路徑，14為超聲信號(hào)在管壁內(nèi)傳播時(shí)，部分信號(hào)在管壁突起內(nèi)的反射的路徑。如圖3所示，超聲信號(hào)在管壁中傳播，在經(jīng)過突起時(shí)，部分信號(hào)會(huì)在在突起內(nèi)反復(fù)反射，在這個(gè)過程中，信號(hào)的幅值會(huì)被大幅降低，信號(hào)最終到達(dá)接收傳感器的時(shí)間也會(huì)滯后。如圖4所示，(a)為普通金屬管道的管壁中傳播的超聲信號(hào)，(b)為本發(fā)明設(shè)計(jì)的管道的管壁中傳播的超聲信號(hào)，相比普通金屬管道，本發(fā)明設(shè)計(jì)的一體化超聲傳感器能夠大幅減小管壁中干擾信號(hào)的幅值并使其產(chǎn)生延遲，有利于信號(hào)處理時(shí)對(duì)有用信號(hào)的識(shí)別和提取。

技術(shù)特征：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及一種用于超聲層析成像系統(tǒng)的一體化超聲傳感器，其特征在于包括金屬管、超聲壓電換能器單元和液體介質(zhì)；金屬管的圓周上設(shè)有多個(gè)類齒輪狀的突起和多個(gè)超聲壓電換能器單元，金屬管內(nèi)注滿液體介質(zhì)。使用時(shí)將傳感器表面與管壁平行，與管壁采用耦合劑進(jìn)行耦合。通過一體化傳感器中外形類齒輪狀金屬管的設(shè)計(jì)，對(duì)在管壁中傳播的無用超聲信號(hào)產(chǎn)生濾波作用，大幅減小管壁中干擾信號(hào)的幅值，提高管道內(nèi)傳播的有用信號(hào)與干擾信號(hào)的幅值之比。干擾超聲信號(hào)在類齒輪狀金屬管的突起中反復(fù)反射，最終到達(dá)接收傳感器的路程增加，到達(dá)時(shí)間相對(duì)普通管道滯后，便于在處理接收到的信號(hào)時(shí)對(duì)有用信號(hào)的識(shí)別和提取。

技術(shù)研發(fā)人員：李楠;付強(qiáng)文;李四海;徐昆;劉洋;鄭江濤
受保護(hù)的技術(shù)使用者：西北工業(yè)大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：2017.03.31
技術(shù)公布日：2017.07.11