基于超聲波的海冰性質(zhì)實驗系統(tǒng)設(shè)計案例目錄TOC\o"1-3"\h\u7589基于超聲波的海冰性質(zhì)實驗系統(tǒng)設(shè)計案例 1271651.1實驗系統(tǒng)設(shè)計 1229081.2海冰參數(shù)測量子系統(tǒng) 2121561.2.1海冰溫度測量模塊 366111.2.2海冰鹽度測量模塊 4193911.2.3海冰溫度測量模塊 43401.3超聲波參數(shù)測量子系統(tǒng) 6255891.1.1超聲波激勵模塊 7168021.1.2超聲波換能器選型 111.1實驗系統(tǒng)設(shè)計由于海冰不是均勻固體介質(zhì)材料，在海冰剖面上，其孔隙分布不均勻，孔隙的存在使得超聲波的散射變得復(fù)雜，超聲波對海冰的探測理論模型需要進(jìn)行大量的實驗進(jìn)行完善和補充。這需要在保持海冰參數(shù)恒定情況下（即結(jié)構(gòu)穩(wěn)定），通過大量的低溫實驗方法進(jìn)行超聲波穿透海冰的參數(shù)研究，包括海冰在穩(wěn)定條件下的溫度、鹽度、密度和孔隙率等這些海冰參數(shù)與超聲波的頻率、聲速、衰減量等參數(shù)的關(guān)系。為了實現(xiàn)對超聲波參數(shù)與海冰參數(shù)的實驗測量，建立超聲波參數(shù)與海冰變化的統(tǒng)計數(shù)據(jù)庫，分析二者之間的統(tǒng)計函數(shù)關(guān)系，建立超聲波在結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定的海冰中傳播模型，獲取超聲波和冰物理參數(shù)及力學(xué)參數(shù)的相關(guān)關(guān)系，設(shè)計了基于超聲波的海冰性質(zhì)實驗系統(tǒng)，圖（3-1）為其方框圖。圖3-1基于超聲波的海冰性質(zhì)實驗系統(tǒng)方框圖Fig.3-1Blockdiagramofseaicepropertyexperimentsystembasedonultrasonicwave基于超聲波的海冰性質(zhì)實驗系統(tǒng)主要由超聲波參數(shù)測量子系統(tǒng)和海冰參數(shù)測量子系統(tǒng)兩大部分組成。超聲波參數(shù)測量子系統(tǒng)包括海冰鹽度參數(shù)測量模塊、海冰溫度參數(shù)測量模塊和海冰密度參數(shù)測量模塊；超聲波參數(shù)測量子系統(tǒng)包括超聲波激勵模塊、顯示接收模塊和超聲波計算模塊等。將冰樣保持在低溫環(huán)境，通過對超聲波參數(shù)與穩(wěn)定的海冰物理參數(shù)的獲取及測量，實現(xiàn)了對海冰及淡水冰的溫度、鹽度、密度等參數(shù)和超聲波聲速和衰減參數(shù)的獲取。對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和手機，建立超聲波參數(shù)與海冰變化的統(tǒng)計數(shù)據(jù)庫，分析超聲波參數(shù)與海冰參數(shù)的相關(guān)關(guān)系，為獲取超聲波和冰物理參數(shù)及力學(xué)參數(shù)的相關(guān)關(guān)系提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。1.2海冰參數(shù)測量子系統(tǒng)海冰參數(shù)測量子系統(tǒng)包含不同的海冰物理參數(shù)模塊，包括溫度測量模塊、鹽度測量模塊、密度測量模塊等不同模塊，可實現(xiàn)在低溫環(huán)境下對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的淡水及海冰冰樣的溫度、鹽度、密度等參數(shù)的測量，圖（3-2）為海冰性質(zhì)測量子系統(tǒng)方框圖。圖3-2海冰性質(zhì)測量子系統(tǒng)方框圖Fig.3-2Blockdiagramofseaicepropertymeasurementsubsystem1.2.1海冰溫度測量模塊海冰溫度測量模塊采用了包含溫度傳感器的測溫探頭，其核心為基于pt1000鉑電阻金屬傳感器。考慮到實驗室處于的室溫環(huán)境對冰樣溫度會造成極大的影響，對冰樣的超聲波穿透實驗和物理參數(shù)測量均在低溫冷庫進(jìn)行。當(dāng)環(huán)境溫度處于低溫環(huán)境下時，可以有效防止冰樣的溫度劇烈變化以及冰樣結(jié)構(gòu)的破壞。在制取冰樣過程中，將防水的溫度探頭放置在配置了一定鹽度的海水中，在海水結(jié)晶為海冰以及海冰自身的降溫過程中實時的記錄海冰的溫度過程，這是實驗室測量海冰的常用方法。在野外進(jìn)行冰層溫度的測量，一般采用鉆取冰芯后打孔，在孔中插入冰溫傳感器，進(jìn)行現(xiàn)場冰溫的測量的辦法。圖（3-3）為實驗室現(xiàn)場圖。圖3-3冰樣溫度測量Fig.3-3Icesampletemperaturemeasurement1.2.2海冰鹽度測量模塊冰的鹽度測量采取和野外測量現(xiàn)場冰鹽度的方法一致。在冰面上進(jìn)行巡回調(diào)查時，選擇適合于試驗的冰面，利用取心鉆鉆取冰心，放在木制冰樣盒上，截取若干段，放入特制的塑料盒密封，在室溫下融化后，用鹽度測試儀直接測融化后的海水鹽度，即冰的鹽度。在實驗室中對海冰鹽度的測量放在海冰溫度和密度等參數(shù)的測量完畢后，對冰樣截取，記錄截取的具體位置，放入特制的塑料盒密封，通過對冰樣進(jìn)行融化獲得鹽水，對融化后獲得的鹽水進(jìn)行測量，記為海冰的鹽度。采用MS-31型鹽度計，使用電導(dǎo)率測定法測量鹽度，頂端配有電鍍鉑金探頭，可測量鹽度、比重和鹽水溫度，鹽度量程在0～55‰，比重測量范圍為1.000～1.045，溫度測量范圍為0～100℃，比重精度為0.001，鹽度精度為0.1‰。測量過程為按壓電源開關(guān)后，將探頭浸入鹽水，注意水位不要超過探頭浸潤范圍，短暫停留后可得測量鹽水鹽度。圖（3-4）為MS-31型鹽度計實物圖。圖3-4鹽度計Fig.3-4Salinitymeter1.2.3海冰溫度測量模塊對海冰密度的測量采用了兩種方法。初期采用了質(zhì)量-體積法。用這種方法，從實驗室制得的冰塊上切如圖（3-5）所示的冰樣品，然后修整成標(biāo)準(zhǔn)的立方體，體積約為10cm×10cm×10cm。測量樣品的尺寸并計算樣品的體積，通過電子秤獲取樣品的質(zhì)量，冰的密度通過公式（3-1）計算：(3-1)實驗過程在低溫下進(jìn)行，以避免對冰的物理參數(shù)獲取造成較大干擾。圖3-5冰樣Fig.3-5Icesample后期采用密度計進(jìn)行對海冰密度的測量，采用605MD型密度計，基于阿基米德浮力法測量密度?？梢詼y量固體、液體以及顆粒狀物體的密度，可測量質(zhì)量范圍在0.005g～600g,密度測量精度達(dá)0.0001g/cm3,常用于玉石、石油及金屬的密度測量。圖（3-6）為605MD型密度計實物圖。圖3-6密度計Fig.3-6Densitymeter對海冰來說，由于海冰的密度總小于1g/cm3,所以需要使用抗浮架進(jìn)行輔助測量。與此同時，由于溫度對海冰的密度造成很大影響，需要在實驗過程中將實驗環(huán)境溫度保持在較低溫度。密度計中通常使用的浮力來源是水的浮力，但是這樣無法為冰的測量提供低溫環(huán)境，冰樣會在水中迅速融化。所以在本研究中，浮力的來源不能是水，所以采用了耐低溫的冷卻液.冷卻液最低溫度可降低到-45℃，滿足實驗對于低溫環(huán)境的要求。其密度為972g/cm3與通用設(shè)置不同，需要在密度計中進(jìn)行參數(shù)調(diào)整。同時由于冷卻液呈藍(lán)色或粉色，可以清楚地觀察到浸潤其中的冰樣是否發(fā)生融化或結(jié)構(gòu)的破壞。但是由于冰在取樣過程中不可避免會對結(jié)構(gòu)造成影響，密度測量過程盡可能縮短時間，將冰樣的變化影響降到最低。其工作過程為：組裝好密度計，在量盒中放入溫度冷卻至0℃以下的冷卻液，將吊籃浸入冷卻液中，將抗浮架放入吊籃，使其完全被冷卻液覆蓋，清零密度計，開始測量。將冰樣放置在測量臺上測量其在空氣中的重量，再將其放入冷卻液中，用抗浮架使其完全浸沒，測量其在冷卻液中的質(zhì)量，通過阿基米德原理，測量出冰樣密度。1.3超聲波參數(shù)測量子系統(tǒng)超聲波參數(shù)測量子系統(tǒng)可實現(xiàn)對穿過冰的超聲波的傳播速度、峰峰值及衰減等參數(shù)的測量。超聲波參數(shù)測量子系統(tǒng)包括一個超聲波激勵模塊、同步模塊、接收模塊、掃描模塊、顯示模塊、超聲波參數(shù)計算模塊以及超聲波探頭。圖（3-7）為超聲波參數(shù)測量子系統(tǒng)方框圖。圖3-7超聲波參數(shù)測量子系統(tǒng)方框圖Fig.3-7Blockdiagramofultrasonicexcitationinstrumentcircuit在圖（3-7）所示的超聲波參數(shù)測量子系統(tǒng)由同步模塊、激勵模塊、接收模塊、掃描模塊、顯示/記錄模塊、超聲波參數(shù)計算模量及超聲波探頭組成。其中，同步模塊是超聲波參數(shù)測量子系統(tǒng)的指揮中心，由它產(chǎn)生時基線，并控制協(xié)調(diào)其他各模塊協(xié)同工作；激勵模塊產(chǎn)生一個時間很短的高頻電脈沖輸入到探頭內(nèi)的壓電晶片上產(chǎn)生超聲脈沖波；超聲波探頭激發(fā)和采集超聲波；接收模塊負(fù)責(zé)接收探頭傳回的回波電脈沖；傳回的回波電脈沖經(jīng)放大、檢波和濾波后加載在顯示/記錄模塊以供觀測和儲存記錄；最終由超聲波參數(shù)計算模塊進(jìn)行對聲速和衰減的計算。1.1.1超聲波激勵模塊通過調(diào)整激勵模塊的參數(shù)，改變激勵超聲波探頭的電信號，可實現(xiàn)對超聲波幅值、頻率、相位、激發(fā)個數(shù)、脈沖類型等多個參數(shù)，在保證超聲波探頭正常工作的前提下，可以最大化開發(fā)超聲波探頭性能，提升探頭探測范圍，提高觀測精度，有助于進(jìn)一步提升實驗觀測效率。本研究中采用了三種不同的超聲波激勵模塊設(shè)計，以保證實驗精度的基礎(chǔ)上提升便攜性，為實現(xiàn)遠(yuǎn)程冰上原位觀測提供設(shè)備基礎(chǔ)。（1）非線性高能激勵模塊非線性高能激勵模塊基于RitecRAM-5000高能超聲設(shè)備，是專門用于超聲和材料無損檢測的儀器?？赏ㄟ^計算機程序可控制激發(fā)的超聲波的各種參數(shù)和功能，設(shè)置放大器的放大倍數(shù)，設(shè)置脈沖信號中周期的個數(shù)，射頻脈沖的功率，脈沖的延時，信號重復(fù)頻率等?？色@得頻率范圍在50KHz至40MHz的超聲信號，在降低輸出功率時，最低頻率可達(dá)30KHz。圖（3-8）RAM-5000非線性高能激勵裝置圖3-8RAM-5000Fig.3-8RitecRAM-5000主要工作過程為：在超聲波激發(fā)設(shè)置版面的synthesizer欄，根據(jù)探頭的中心頻率選擇設(shè)置激勵頻率和周期個數(shù)，使RAM-5000非線性高能激勵模塊激勵超聲波探頭發(fā)出一定中心頻率的超聲波信號；接收界面Receiver欄Input開關(guān)選擇為：on；接收通道選擇為：channel1；Tracking界面source為No.1；接收界面Frequency:選擇與激勵頻率保持一致；通過gatedamplifier調(diào)節(jié)激勵信號的放大，以及通過調(diào)整接收信號的gain增益使示波器接收的超聲波信號清晰且具有較好的分辨率。圖（3-9）計算機程序激發(fā)參數(shù)調(diào)整界面。圖3-9RAM-5000非線性軟件界面Fig.3-9SoftwareinterfaceofRAM-5000NonlinearDeviceRAM-5000非線性高能激勵模塊具有激勵范圍廣，激勵頻率帶寬廣，激發(fā)能量高，信號可調(diào)參數(shù)完備等多方面優(yōu)點。但是在研究中發(fā)現(xiàn)，RAM-5000非線性高能激勵模塊由于體積笨重，設(shè)備使用不便，難以實現(xiàn)現(xiàn)場觀測；同時由于RAM-5000非線性高能激勵裝置激發(fā)頻率一般較高，應(yīng)用低頻信號時，有信號激勵效果較差等缺點出現(xiàn)。（2）單通道超聲波激勵模塊單通道超聲波激勵模塊采用了USPC7100LA超聲激發(fā)信號發(fā)射卡進(jìn)行信號的激勵，在示波器和計算機上實現(xiàn)對超聲波信號的接收和處理，可實現(xiàn)激勵頻率帶寬在0.75M至25M的超聲波信號激發(fā)與接收。此超聲卡可直接連接在計算機PCI插槽上，通過安裝的軟件，直接顯示在外接顯示器上，通過設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)，即可獲取高質(zhì)量的超聲波信號。采用SMB標(biāo)準(zhǔn)接口連接計算設(shè)計，使用三通BNC接頭連接超聲波探頭。圖（3-11）為USCP5100超聲波激勵模塊的軟件界面，軟件通過LabVIEW程序開發(fā)，可根據(jù)需要由開發(fā)人員進(jìn)行調(diào)整，增加不同的超聲波探測模塊，具有一定的擴展性。圖3-10USCP5100Fig.3-10USCP5100面板下側(cè)設(shè)有不同欄目，Pulser欄可調(diào)節(jié)激發(fā)信號的電壓，通過放大電路，對激發(fā)信號進(jìn)行調(diào)整，使激發(fā)信號具有不同的幅值和聲壓；Receiver欄可通過滑塊對接收信號進(jìn)行調(diào)整，事接收界面的信號變得清晰。通過設(shè)置Gate1欄和Gate2欄的接收信號截取，可以方便的在界面右側(cè)讀出接收信號的峰峰值和信號最大值對應(yīng)的時刻。在信號顯示界面的上側(cè)，在Tool選擇欄，可通過Acquisition界面獲取超聲信號的數(shù)據(jù)，以CSV文件儲存在電腦中，通過頻譜分析和傅里葉變換，可以得到超聲波的頻域圖，實現(xiàn)對超聲波衰減的測量。圖3-11USCP5100超聲波模塊軟件界面Fig.3-11SoftwareinterfaceofUSCP5100ultrasonicexcitationsystem單通道超聲波激勵模塊具有體積小，便于攜帶，使用方便的優(yōu)點實現(xiàn)超聲卡與電腦之間的通訊，軟件的主面板是信號的接收和展示模塊，可以直觀的通過USCP5100軟件界實現(xiàn)對激發(fā)信號和接收信號的同步以及觀察，通過調(diào)整界面參數(shù)，軟件的信號接收界面可以方便實現(xiàn)對信號的展示，替代了原本需要外接的示波器等設(shè)備。（3）ATmega1284P超聲激勵模塊上文提到的兩種超聲波激勵模塊，具有非常廣泛的頻率帶寬，能夠?qū)崿F(xiàn)基于超聲波的全面檢測，可以激發(fā)多種不同頻率和幅值的脈沖波，可以實現(xiàn)頻率可變的連續(xù)性信號激勵。在進(jìn)行了多種頻率的超聲波穿透實驗后，通過實驗發(fā)現(xiàn)，頻率在1MHz及以下頻率具有衰減較小的特點，更適合應(yīng)用于對海冰的測量。為了超聲波檢測裝置應(yīng)用于野外檢測，實現(xiàn)遠(yuǎn)程海冰檢測，需要進(jìn)一步減小超聲波激發(fā)設(shè)備的體積和重量以使其方便攜帶。設(shè)計了激發(fā)固定頻率的基于單片機ATmega1284P的超聲波激勵模塊。ATmega1284P超聲波激勵模塊以單片機ATmega1284P為核心，在Tmega1284P單片機上加載了超聲波激發(fā)程序和同步程序，實現(xiàn)超聲波的信號激勵和接收信號的同步。通過超聲波發(fā)射頻率的選擇開關(guān)，將開關(guān)撥到不同位置，運行脈沖發(fā)送主程序，頻率選擇程序，超聲波探頭發(fā)射便發(fā)射頻率為50KHz、150KHz和500KHz的超聲波信號。圖（3-12）為超聲波發(fā)射電路板。圖3-12超聲波發(fā)射電路板Fig.3-12Ultrasonicemissionboard超聲波發(fā)射單元脈沖主程序和頻率選擇程序均用C語言編程，進(jìn)行編譯調(diào)試，并通過仿真器與接口連接進(jìn)行程序的在線調(diào)試與下載，下表為超聲波激發(fā)板元器件表：表3-1超聲波激發(fā)板元器件Tab.3-1Ultrasonicexcitationboardcomponents標(biāo)注部件功能1ATmega1284P超聲波整體發(fā)射電路的核心

實現(xiàn)信號激勵和同步2ZH-EE19脈沖變壓器放大激勵信號3tudioAVR仿真器接口灌注程序4發(fā)射頻率選擇開關(guān)11——50kHz

00——150kHz

01——500kHz5電源接口連接5V直流電6發(fā)射信號指示燈顯示信號激發(fā)7超聲換能器接口連接超聲波換能器ATmega1284P超聲波激勵模塊具有體積小，激勵電壓可調(diào)，可實現(xiàn)固定頻率超聲波激勵的優(yōu)點。具有可擴展性，通過加載濾波、接收電路，可實現(xiàn)在野外的超聲波激發(fā)、檢測和接收。且由于其體積小、能耗低的優(yōu)點，可通過耐低溫電源供電，具有在極地低溫環(huán)境正常工作的應(yīng)用前景。1.1.2超聲波換能器選型在本研究中，考慮到采用了垂直反射回波法對衰減較大的特殊材料海冰進(jìn)行測量，所以采用了縱波直探頭和縱波聚焦探頭對冰層進(jìn)行檢測。目前商品化探頭的標(biāo)稱頻率有0.5MHz、1MHz、1.25MHz、2MHz、2.5MHz、4MHz、5MHz、6MHz、10MHz、15MHz和25MHz,常用的超聲檢測頻率在0.5～l0MHz之間。頻率的高低對超聲檢測有較大的影響，既有好的一面，也有不利一面。在本研究中，通過實驗發(fā)現(xiàn)，1M以上頻率在海冰中存在較大的衰減，難以獲取清晰信號，檢測靈敏度較低，所以最終采用了500KHz及1MHz兩種頻率進(jìn)行測量，采用了直徑15mm到40mm的晶片。同時考慮到超聲探頭放置在低溫冷凍室內(nèi)以防止其溫度對冰樣溫度造成影響，探頭材料選擇了耐