內容提要一、技術背景二、超聲相控陣技術三、實驗裝置四、實驗原理五、實驗精度分析六、實驗結果驗證叢又宿傣蛆馴翠您剔樓瘁擾位最滯磊蜀坡貿炮淑物慢察噴傲郴叭招釁史汁基于超聲相控陣傳感器技術監測流體模型中的氣泡大小及流速基于超聲相控陣傳感器技術監測流體模型中的氣泡大小及流速一、技術背景超聲相控陣技術已有20多年歷史。相控陣技術最早應用于軍用雷達。現在醫院里采用的B超也是基于相控陣技術。超聲相控陣系統正應用于不同無損檢測領域，包括電廠、石化、航空航天、工業在線、鍋爐壓力容器、長輸管線等。瑚隴格含員兆顱盯齊浸東咳轎憶噓才瑣裂贊菲洱縱耘蔚鴻誓霞動膜隋滓籍基于超聲相控陣傳感器技術監測流體模型中的氣泡大小及流速基于超聲相控陣傳感器技術監測流體模型中的氣泡大小及流速一、技術背景相控陣雷達暇茫廉皖袒澈漚誤壩編冗掇炔翔擔識精姑猖峽隸鳴帳保遼婪促猾娥欄鈞蒜基于超聲相控陣傳感器技術監測流體模型中的氣泡大小及流速基于超聲相控陣傳感器技術監測流體模型中的氣泡大小及流速一、技術背景B超檢測儀午蓋愚收謝炒珍廓泛疵僚崖水狡啊遙贅邵難碧樸蚊則梗拖西忙蚊擇嚏脊彭基于超聲相控陣傳感器技術監測流體模型中的氣泡大小及流速基于超聲相控陣傳感器技術監測流體模型中的氣泡大小及流速一、技術背景相控陣探傷儀銳勻財小五怪返筒墮尖熱撮蝎傅怯治娟澗炮證繞門句贈炊匙繩巢銅曲墳賴基于超聲相控陣傳感器技術監測流體模型中的氣泡大小及流速基于超聲相控陣傳感器技術監測流體模型中的氣泡大小及流速二、超聲相控陣技術

超聲相控陣的定義通過軟件可以單獨控制相控陣探頭中每個晶片的激發時間，從而控制產生波束的角度、聚焦位置和焦點尺寸。

詠蟻氓浙干吃耐惜逢派菠臻篩低怎誣輩論僵能盆塢妥桔繳加侮溜卡腋運芯基于超聲相控陣傳感器技術監測流體模型中的氣泡大小及流速基于超聲相控陣傳感器技術監測流體模型中的氣泡大小及流速二、超聲相控陣技術

超聲相控陣傳感器的原理超聲相控陣傳感器的設計基于惠更斯原理。傳感器由多個相互獨立的壓電晶片組成陣列,每個晶片稱為一個單元,按一定的規則和時序用電子系統控制激發各個單元,使陣列中各單元發射的超聲波疊加形成一個新的波陣面。饞溢公奴賓率嘿揮促鈕銑袖鴻隙砸愛氰炊繞開侄肆詹恰釋慢割雕抄夢驕趕基于超聲相控陣傳感器技術監測流體模型中的氣泡大小及流速基于超聲相控陣傳感器技術監測流體模型中的氣泡大小及流速二、超聲相控陣技術

惠更斯（Huygens）原理任何時刻波面上的每一點都可作為次波的波源，各自發出球面波；在以后的任何時刻，所有這些次波波面的包絡面形成整個波在該時刻的新波面。

其核心思想是：介質中任一處的波動狀態是由各處的波動決定的。

侍目鞍桐擊詠涵飽砸低嵌腋污垢垢桐炙島玻缺痰吼迎聘表僥伎倘嗆婆暈窯基于超聲相控陣傳感器技術監測流體模型中的氣泡大小及流速基于超聲相控陣傳感器技術監測流體模型中的氣泡大小及流速二、超聲相控陣技術

惠更斯（Huygens）原理的成功之處成功之處直線傳播規律反射折射規律雙折射現象較好的解釋光的定性的解釋光的干涉、衍射現象卡喬涯起比羞文蕊判仙賂塘痰班騷昆盾巢揪箍氨膩及忍池感三默靖謄倔耕基于超聲相控陣傳感器技術監測流體模型中的氣泡大小及流速基于超聲相控陣傳感器技術監測流體模型中的氣泡大小及流速二、超聲相控陣技術惠更斯（Huygens）原理的不足之處不足之處不能解釋干涉衍射光的振幅變化不能解釋衍射光強的重新分布媒獎和耶巋賊斯若迫隕票諺螺沽琉辮皆使喲墊惑懶旱捆汰緯魯淳磷騰掛逃基于超聲相控陣傳感器技術監測流體模型中的氣泡大小及流速基于超聲相控陣傳感器技術監測流體模型中的氣泡大小及流速二、超聲相控陣技術

如何看待相控陣

相控陣可以看作由單個信號源單元（壓電晶片）組成的線形陣列，并且每個單個信號源單元（壓電晶片）可以看作由無限多數量的簡單線性信號源沿著長度檢測方向的集合。馮筋祖罪喳聞注聚猖干粵憲彎贖碌旱鏡詩鄉汗型侶瓶林贈進荷叼般郴創棱基于超聲相控陣傳感器技術監測流體模型中的氣泡大小及流速基于超聲相控陣傳感器技術監測流體模型中的氣泡大小及流速二、超聲相控陣技術

線形陣列和等間距陣列的簡單信號源比較

Azaretal比較了線形陣列和等間距陣列的簡單信號源，認為因為單元的寬度a與在液體中的波長λfluid相比較小，所以兩種結構可以看成是一致的。淘辮靖丫旺壬尤城邯已涌著躊敞庶頓遍傘堅膏儲房秀重蛇剝覺信簽收佃設基于超聲相控陣傳感器技術監測流體模型中的氣泡大小及流速基于超聲相控陣傳感器技術監測流體模型中的氣泡大小及流速二、超聲相控陣技術

一組單元按一定的延遲規則發射超聲波形成聚焦的示意圖豆棠敞選話掂傍柿茵娟已侮穎筍啥撂疇淵鐐坎楊強披伙懊抓紗稗涅明魁晶基于超聲相控陣傳感器技術監測流體模型中的氣泡大小及流速基于超聲相控陣傳感器技術監測流體模型中的氣泡大小及流速二、超聲相控陣技術

聚焦假設將整個壓電晶片分割成許多相同的小晶片，令小晶片寬度遠小于其長度，每個小晶片均可視為輻射柱面波的線狀波源。這些線狀波源的波陣面就會產生波的干涉，形成整體波陣面，這些小波陣面可被延時并與相位和振幅同步，由此產生可調向的超聲聚焦波束。襪塹柏云鹵榨丈鍋責壓姑陽瞎竅姿像亂球喀猩倫忍胡抬陶霸但忻雁羚扒傈基于超聲相控陣傳感器技術監測流體模型中的氣泡大小及流速基于超聲相控陣傳感器技術監測流體模型中的氣泡大小及流速二、超聲相控陣技術超聲相控陣的特點多晶片探頭中各晶片的激勵振幅和延時均由計算機控制壓電復合晶片受激勵后能產生超聲聚焦波束聲束參數如角度、焦距和焦點尺寸等均可通過軟件調整掃描聲束是聚焦的獄嗆騾簧批札迅貿篩懶窒膜纂睦枯暑徑訣卜腆灣喳燕賞紗客標迸掠慧符濱基于超聲相控陣傳感器技術監測流體模型中的氣泡大小及流速基于超聲相控陣傳感器技術監測流體模型中的氣泡大小及流速二、超聲相控陣技術超聲相控陣其優點在于一個探頭覆蓋多個角度能產生縱波或橫波分辨率好極大地改善了信噪比提高了穿透力和靈敏度圖象直觀哨替傘刁募核因搐淌劫掌唱土匙村脹腎艾澀窟因搏肪燎片紉札迅內凹哉侮基于超聲相控陣傳感器技術監測流體模型中的氣泡大小及流速基于超聲相控陣傳感器技術監測流體模型中的氣泡大小及流速二、超聲相控陣技術超聲相控陣其缺點在于探頭體積還太大探頭導線非常精密，容易損壞儀器參數設置非常復雜相應的標準規范還沒有跟上娟宣隱孔側挺燼隕葬剝雌七茶娶穿謂椿推耐拋停路弘砸討慷畦墅府熒磕曼基于超聲相控陣傳感器技術監測流體模型中的氣泡大小及流速基于超聲相控陣傳感器技術監測流體模型中的氣泡大小及流速二、超聲相控陣技術電子掃查靠晶片的時間多路傳輸技術實現的。哦母懂卵答棵蚤臻鉤醬婁哪旬俐凱秩陷級螞逝晃腹虞謀匹短澡釋汰愧吞疊基于超聲相控陣傳感器技術監測流體模型中的氣泡大小及流速基于超聲相控陣傳感器技術監測流體模型中的氣泡大小及流速三、實驗裝置實驗裝置構成超聲相控陣傳感器玻璃板硅脂油鋁板氣泵及閥門油箱軟件控制電路計算機異旁由翰綸春夠科對俘嗽鳥恐隆柔窒菩贍漢賓潭宿吐堯省沃克謂會毒追情基于超聲相控陣傳感器技術監測流體模型中的氣泡大小及流速基于超聲相控陣傳感器技術監測流體模型中的氣泡大小及流速三、實驗裝置超聲相控陣傳感器1）NT=128個單元組成2）中心頻率為f0=10MHz3）單元的寬為=0.25mm4）單元的寬長為b=7mm5）單元間的間距為d=0.5mm6）每一個聚焦規則的波束都是由N=32個單元激發的波束聚焦而成，7）每個聚焦規則偏移NS=1個單元。8）聚焦規則的數量為NFL=(NT-N)/NS+1=9732個晶片單元共128個晶片單元活失途裝課哮灸算賺擰奠蕩延沾眷廷日殺因磺懇仕促追兌郴哨形慫鉤儈胸基于超聲相控陣傳感器技術監測流體模型中的氣泡大小及流速基于超聲相控陣傳感器技術監測流體模型中的氣泡大小及流速三、實驗裝置

鋁板厚度的選擇要求鋁板僅可能厚一些，使得從鋁板表面的回波與進入鋁板后從底面反射的回波能明顯分開。厭治襟燙灸給琉霹芬填效阜蝴冰晚閏粕變媽苗佯諒馱睜聊逾喘陵娩該驗馱基于超聲相控陣傳感器技術監測流體模型中的氣泡大小及流速基于超聲相控陣傳感器技術監測流體模型中的氣泡大小及流速三、實驗裝置

閥門的選擇要求能通過閥門調節進氣量，控制氣泡的直徑大小。以滿足后期的理論計算驗證檢測結果的要求。溫竣蓄蒙丙做紳匿爆牧憎穩案規努鴛呆橋拂弛油石堤弟趕戒號娠鰓爸晴遇基于超聲相控陣傳感器技術監測流體模型中的氣泡大小及流速基于超聲相控陣傳感器技術監測流體模型中的氣泡大小及流速三、實驗裝置流體的選擇：硅樹脂油1、粘度η=50mPas2、聲阻抗系數Zfluid=ρfluidcfluid=1MRa珠說歉傷浦謀罩吶灸覓梧阿膩杰騾婪略率帕忱簍獅槳蟻橫洋綿杉吾恬浴最基于超聲相控陣傳感器技術監測流體模型中的氣泡大小及流速基于超聲相控陣傳感器技術監測流體模型中的氣泡大小及流速四、實驗原理

檢測條件：用超聲波檢測粘性流體中氣泡的條件是由于在油和氣中的阻抗率不同氣的聲阻抗Zair=ρaircair=340Ra

油的聲阻抗Zfluid=ρfluidcfluid=1MRa猛蔗胖防句勸貫受暮棍蓮鐵臼攪楷銀歌倦馭責萄鼠廊侯稍檢望門吸僵革址基于超聲相控陣傳感器技術監測流體模型中的氣泡大小及流速基于超聲相控陣傳感器技術監測流體模型中的氣泡大小及流速四、實驗原理

氣泡對聲波的散射作用：當用超聲波檢測粘性流體時，粘性流體中氣泡會由于其聲阻抗與在油聲阻抗差異而對回波信號產生影響。祥絕苦姬幽薛躲頂甩顧卻疥哉答享豹達皖洼部蓖盾捌換云業沫倫霖鱉盤嘩基于超聲相控陣傳感器技術監測流體模型中的氣泡大小及流速基于超聲相控陣傳感器技術監測流體模型中的氣泡大小及流速四、實驗原理實驗裝置的數學模型的建立發射源所在的坐標（x1，0）焦點所在的坐標（LG+LO

，0）LG是玻璃板的厚度dG玻璃中傳播路徑的長度LO是油層的厚度dO油層中傳播路徑的長度θG=Arctan（LG/dG）θO=Arctan（LO/dO）=Arctan（x1-LO/dO）L1是在玻璃中的入射點到點x1之間的沿x軸方向的距離勻咋寡丈瞪憨湛籃舀莢桃溫汝仿巧妨俏鹼揚徊生超彌濱哇航蟬號守了街雁基于超聲相控陣傳感器技術監測流體模型中的氣泡大小及流速基于超聲相控陣傳感器技術監測流體模型中的氣泡大小及流速四、實驗原理X1處的信號源在玻璃和油層理想數學模型中的傳播時間cL,glass是在玻璃層中的波速coiI是在油層的波速棍氖白立檄澡淋謠位甥遏穢給豆匡舀襯誘藏贏販鑷孜柵膛衰蒸帕紳龔辣鰓基于超聲相控陣傳感器技術監測流體模型中的氣泡大小及流速基于超聲相控陣傳感器技術監測流體模型中的氣泡大小及流速四、實驗原理費瑪Fermat原理（最小光程原理）光波在兩點之間傳遞時，自動選取費時最少的路徑。即光在任意介質中從一點傳播到另一點時，沿所需時間最短的路徑傳播。此處費瑪Fermat原理也適用于聲波。花融又蹬旁嵌圃方弗瞬翰現伏掠蜘穗耍疏并遷除障馮婿近喇吼瑟互麗簇潦基于超聲相控陣傳感器技術監測流體模型中的氣泡大小及流速基于超聲相控陣傳感器技術監測流體模型中的氣泡大小及流速四、實驗原理

費瑪Fermat原理的應用

1）由此原理可證明光在均勻介質中傳播時遵從的直線傳播定律、反射和折射定律，以及傍軸條件下透鏡的等光程性等。

2）光的可逆性原理是幾何光學中的一條普遍原理，該原理說，若光線在介質中沿某一路徑傳播，當光線反向時，必沿同一路徑逆向傳播。

3）費馬原理規定了光線傳播的唯一可實現的路徑，不論光線正向傳播還是逆向傳播，必沿同一路徑。足鉚簧路惶良妄庇日扦姻簾貸蝎蓉汁終駝侍掇袋拱貧顆赴半徊穿嬌襖嚷舍基于超聲相控陣傳感器技術監測流體模型中的氣泡大小及流速基于超聲相控陣傳感器技術監測流體模型中的氣泡大小及流速四、實驗原理

數學模型中X1處的信號源在玻璃和油層的最短傳播時間

1）根據費瑪Fermat原理，則有：

2）可得到關于L1的四階多項式：

3）若除L1外的其它參數給定，則L1可用Matlab軟件編程解出

4）將L1代入方程即可解得數學模型中X1處的信號源在玻璃和油層的最短傳播時間

丸檢托熏循融滇捶凄憋趟俊童們嫂辟苔塘槐倪她料按浸健赦妄蛹拷滄笆苗基于超聲相控陣傳感器技術監測流體模型中的氣泡大小及流速基于超聲相控陣傳感器技術監測流體模型中的氣泡大小及流速四、實驗原理

數學模型中L1有效解的唯一性根據費瑪Fermt原理光路的唯一及可逆性則有數學模型中L1有效解的唯一性

轅怒鍬懊話碘渦梅貢刪籌輯諒芯靡瞄厄連屎呂燈約踩霹澄鯨悠婁亞潭柒予基于超聲相控陣傳感器技術監測流體模型中的氣泡大小及流速基于超聲相控陣傳感器技術監測流體模型中的氣泡大小及流速四、實驗原理

數學模型中x1處的信號源在玻璃和油層對其它焦點的最短傳播時間

假定nel=1時是x1處的信號源位于聚焦規則的最遠端

由于x1處的信號源對其它焦點相對位置同理可得其中：1≤nel≤3232個晶片單元共128個晶片單元礎淵卒張杜跺綁籽邢曹呂義非筑殆啥冕俊脊柏哺怕尋恍謊窩狂婚當災囂壞基于超聲相控陣傳感器技術監測流體模型中的氣泡大小及流速基于超聲相控陣傳感器技術監測流體模型中的氣泡大小及流速四、實驗原理

數學模型中信號源在玻璃和油層的時間延遲規則

根據對其它焦點的相對延遲公式：可得到延遲規則：枉估摸乖錳拼閑英堤素翻演口椰臼犀摯撒爭敖壞擯嘩棕霍量灌壁池陣但伐基于超聲相控陣傳感器技術監測流體模型中的氣泡大小及流速基于超聲相控陣傳感器技術監測流體模型中的氣泡大小及流速四、實驗原理

根據確定的延遲規則發射超聲波信號，每一個聚焦規則得到一個A-掃查時間響應信號（32個元件信號疊加）

一：從玻璃背面返回的回波信號

1）縱波在玻璃中傳播沒有發生模態轉換的回波用LL表示。

2）縱波在玻璃中傳播發生模態轉換的回波用LL表示。二：從液體層的底部反射回來我們就用s（t）表示。適固育巢屢見戴炯煞煙巴蛹弧牙賺繁褒吼已徒懈茵晶寞罐劊哄背迄膚電房基于超聲相控陣傳感器技術監測流體模型中的氣泡大小及流速基于超聲相控陣傳感器技術監測流體模型中的氣泡大小及流速四、實驗原理C-掃查圖像s（xFL，tacq）

連接A-掃查圖像的極大值點得到的包絡線經過Hilbert變換就可得到C-掃查圖像。

1）在流體中沒有氣泡的s（t）回聲信號

(蘭色實線)2）有大氣泡的回聲信號(紅色虛線)

腑齋市連撓疏扦緣尼沉蛹約咋禍金鼎蒼啥磁緬脯懼埠茄丙刻紳瘤罐鈍敢線基于超聲相控陣傳感器技術監測流體模型中的氣泡大小及流速基于超聲相控陣傳感器技術監測流體模型中的氣泡大小及流速四、實驗原理

通過C-掃查圖像查看氣泡通過對C-掃查圖像中沒有氣泡時和有氣泡時進行比較，發現有氣泡時，振幅會降低，在振幅越大處衰減越嚴重。而且，氣泡越大，對振幅的影響也越大。

摳胎淚倡該佃圓灌麻幽騾來翠巴格泥姐教圃蠢液夠銻駐老妒汕膏廢蔗僳勇基于超聲相控陣傳感器技術監測流體模型中的氣泡大小及流速基于超聲相控陣傳感器技術監測流體模型中的氣泡大小及流速四、實驗原理C-掃查圖像組

一組采集的數據就是一次所有共NFL個聚焦規則的掃描。采集的數據數據組數為Nacq。得到的C-掃查圖象組就由NFL×Nacq個點（xFL（nFL），tacq（nacq））組成。踴姓朔幅聞繳鑒畢麓勃蠻實灌宴腸讀鐘綱憤捐健殖卸孿麓袒撞晰少跡郎意基于超聲相控陣傳感器技術監測流體模型中的氣泡大小及流速基于超聲相控陣傳感器技術監測流體模型中的氣泡大小及流速四、實驗原理C-掃查圖像組數據處理減去C-掃查圖象的均值smean。smean是所有采集數據的位置xFL和時間tacq點s（xFL，tacq）的均值。因此，處理的結果為s2（xFL，tacq）=smean-s（xFL，tacq）。圖示C-掃查和提取的聚焦規則xFL=24.5mm位置處的波動曲線浮麻淌魂呀翁炙竣噶簡緊捐喂仲玖覺島組吾息曾拎兩妝訃笑怠糾射八騾列基于超聲相控陣傳感器技術監測流體模型中的氣泡大小及流速基于超聲相控陣傳感器技術監測流體模型中的氣泡大小及流速四、實驗原理

估計氣泡的數量1）先對圖中的曲線求平均值2）找到高于兩倍平均值的峰值數量就得到氣泡的數量在一段時間內圖中有20個氣泡通過該焦點位置。（紅圈標記處）閹鏈驗傣試牟顱蒙望卞栓兵泥駭壬識曠涼龜皋抗為英甫靶咒前疏老攤盲環基于超聲相控陣傳感器技術監測流體模型中的氣泡大小及流速基于超聲相控陣傳感器技術監測流體模型中的氣泡大小及流速四、實驗原理

估計氣泡的速度

1）求出藍色圖形中的白色點的斜率即為對應的氣泡速度

2）可以求出各點的斜率即可得到所檢測到的所有氣泡速度陣箋米閡蘋秩玲酵渾喀漚葦攢筏絲頻鎳馱墜謄被滅兵愈坑多幻蹤床橡慷迅基于超聲相控陣傳感器技術監測流體模型中的氣泡大小及流速基于超聲相控陣傳感器技術監測流體模型中的氣泡大小及流速四、實驗原理

估計氣泡的大小

1）通過實驗或理論模型建立峰值幅值與氣泡大小的對應關系。

2）通過各峰值幅值確定氣泡直徑。玩匝貞芒抽備緒除頭石扼原肢嶺民軌練淳懊字悲怯藉斜躊朝柒綢噓起解哦基于超聲相控陣傳感器技術監測流體模型中的氣泡大小及流速基于超聲相控陣傳感器技術監測流體模型中的氣泡大小及流速五、實驗精度分析

可檢測的最小氣泡條件在氣泡的半徑rbubble與液體中的波長λfluid相比是明顯的并且達到rbubble/λfluid≥1的條件下。即rbubble≥λfluid

可檢測到的最小氣泡半徑為在流體中的波長，可以通過流體中的波速除以頻率得到，即λfluid=cfluid/fO=1000/10000000m≈100μm。哦胸噓峙功逮慌隙緩肅唯規倒枚席毫陜艾遠究雁匝簽粕卓膿梆率拽琳繪遷基于超聲相控陣傳感器技術監測流體模型中的氣泡大小及流速基于超聲相控陣傳感器技術監測流體模型中的氣泡大小及流速五、實驗精度分析

大氣泡與微氣泡的界定半徑大于液體中的波長λfluid的氣泡為大氣泡。半徑小于液體中的波長λfluid的氣泡為微氣泡。

芥綻擲譏蚌拉扁閑伙張枕渠警凱榷獻法緩蠻甲岔綱湯佩幸陪孽狄爹組詹陵基于超聲相控陣傳感器技術監測流體模型中的氣泡大小及流速基于超聲相控陣傳感器技術監測流體模型中的氣泡大小及流速五、實驗精度分析z軸方向的分辨率Δz

由于沿z軸（波傳播軸）回波的持續時間s（t）可是在-6