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原文传递基于超声的粉尘云团扩散动态湍流动能的检测系统及方法

专利名称：	基于超声的粉尘云团扩散动态湍流动能的检测系统及方法
摘要：	本发明公开了一种基于超声的粉尘云团扩散动态湍流动能的检测系统及方法。本发明采用脉冲超声波传感器、传感器支撑件、集成电路、摄像头和计算机；脉冲超声波分别顺流和逆流穿过粉尘云团，通过摄像头采集的图像计算得到粉尘扩散速度与脉冲超声波传感器的法线夹角；计算机根据第一和第二脉冲超声收发换能器接收到脉冲超声波的时间差以及夹角，计算得到粉尘扩散速度，进一步得到平均速度和均方根速度，从而得到粉尘云团湍流动能；本发明通过脉冲超声波传感器，测量扩散粉尘云团在超声波脉冲中的湍流动能，根据脉冲电信号的实时响应，建立脉冲超声波与湍流动能的动态梯度关系，实现粉尘扩散湍流的检测，具备客观的应用价值和研究价值。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	北京;11
申请人：	北京理工大学
发明人：	娄文忠;付胜华;李楚宝;陈朝辉
专利状态：	有效
申请日期：	2019-06-19T00:00:00+0800
发布日期：	2019-10-01T00:00:00+0800
申请号：	CN201910530637.4
公开号：	CN110296912A
代理机构：	北京万象新悦知识产权代理有限公司
代理人：	王岩
分类号：	G01N13/00(2006.01);G;G01;G01N;G01N13
申请人地址：	100081 北京市海淀区中关村南大街5号
主权项：	1.一种基于超声的粉尘云团扩散动态湍流动能的检测系统，其特征在于，所述检测系统包括：脉冲超声波传感器、传感器支撑件、集成电路、摄像头和计算机；其中，脉冲超声波传感器固定在传感器支撑件上，位于粉尘云团中待检测的位置；脉冲超声波传感器连接至集成电路；集成电路连接至计算机；脉冲超声波传感器包括第一和第二脉冲超声收发换能器，第一和第二脉冲超声收发换能器同时作为发射器和接收器相对放置，二者之间的距离为L；摄像头固定在传感器支撑件上，正对第一和第二脉冲超声收发换能器之间的区域，摄像头连接计算机；计算机控制集成电路与摄像头同步；摄像头拍摄粉尘云团的扩散动态过程，将图像传输至计算机，计算机分析图像，得到在脉冲超声波传感器处的粉尘云团随时间的颗粒运动轨迹，从而计算得到粉尘扩散速度与第一和第二脉冲超声收发换能器的法线夹角；计算机控制集成电路在当前采样时刻同时向第一和第二脉冲超声收发换能器发出脉冲电信号，第一和第二脉冲超声收发换能器接收到脉冲电信号并转换为脉冲超声波，同时向对方发送出脉冲超声波；脉冲超声波分别顺流和逆流穿过粉尘云团，被第一和第二脉冲超声收发换能器接收，转换为脉冲超声模拟信号后传输至集成电路；集成电路经过滤波放大并转换成超声数字信号处理后，传输至计算机；计算机根据第一和第二脉冲超声收发换能器接收到脉冲超声波的时间差以及粉尘扩散速度与第一和第二脉冲超声收发换能器的法线夹角，计算得到在脉冲超声波传感器处每次采样时刻的粉尘扩散速度，并根据多次采样时刻的粉尘扩散速度得到粉尘扩散平均速度和均方根速度，最终计算得到粉尘云团扩散动态湍流动能。 2.如权利要求1所述的检测系统，其特征在于，所述集成电路包括：电源管理电路、脉冲超声产生电路、信号滤波调制电路、信号放大电路、A/D转换电路、控制处理器和串口通讯接口；其中，控制处理器连接至脉冲超声产生电路，脉冲超声产生电路连接至第一和第二脉冲超声收发换能器，第一和第二脉冲超声收发换能器连接至信号滤波调制电路，信号滤波调制电路连接至信号放大电路，信号放大电路连接至A/D转换电路，A/D转换电路连接至控制处理器，电源管理电路连接至脉冲超声产生电路、信号滤波调制电路、信号放大电路、A/D转换电路和控制处理器，提供工作电压；控制处理器通过串口通讯接口经由串口数据线连接至计算机；控制处理器激励脉冲超声产生电路生成脉冲电信号至第一和第二脉冲超声收发换能器，第一和第二脉冲超声收发换能器通过压电效应，将脉冲电信号转换成脉冲超声波；第一和第二脉冲超声收发换能器接收到来自对方的脉冲超声波，同样利用压电效应转换成脉冲超声模拟信号传输至信号滤波调制电路；信号滤波调制电路对脉冲超声模拟信号进行消除噪声干扰和整流后传输至信号放大电路；信号放大电路对去噪和整流后的脉冲超声模拟信号进行信号放大，便于信号的特征提取后传输至A/D转换电路；A/D转换电路将脉冲超声模拟信号转换成超声数字信号，最终实时存储至控制处理器，并通过串口通讯接口经串口数据线实时将超声数字信号传送至计算机。 3.如权利要求1所述的检测系统，其特征在于，所述换能器支撑件采用聚氨酯软材料。 4.如权利要求1所述的检测系统，其特征在于，所述第一和第二脉冲超声收发换能器之间的距离L为30mm～50mm。 5.一种如权利要求1所述的基于超声的粉尘云团扩散动态湍流动能的检测系统的检测方法，其特征在于，所述检测方法包括以下步骤： 1)计算机控制集成电路与摄像头同步； 2)计算机控制集成电路在当前采样时刻同时向第一和第二脉冲超声收发换能器发出脉冲电信号，第一和第二脉冲超声收发换能器接收到脉冲电信号并转换为脉冲超声波，同时向对方发送出脉冲超声波； 3)脉冲超声波分别顺流和逆流穿过粉尘云团，被第一和第二脉冲超声收发换能器接收； 4)第一和第二脉冲超声收发换能器将脉冲超声波转换为脉冲超声模拟信号后传输至集成电路；集成电路经过滤波放大并转换成超声数字信号处理后，传输至计算机； 5)计算机得到第i采样时刻的第一和第二脉冲超声收发换能器接收到脉冲超声波的时间差ΔTi，i＝1,……,n，n为采样次数，n≥2的自然数； 6)摄像头同步拍摄粉尘云团的扩散动态过程，将图像传输至计算机，计算机分析图像，得到在脉冲超声波传感器处的粉尘云团随时间的颗粒运动轨迹，从而计算得到当前采样时刻的粉尘扩散速度与第一和第二脉冲超声收发换能器的法线夹角θi； 7)计算机根据第一和第二脉冲超声收发换能器接收到脉冲超声波的时间差ΔTi以及第i采样时刻的粉尘扩散速度与第一和第二脉冲超声收发换能器的法线夹角θi，计算得到脉冲超声波传感器处第i采样时刻的脉冲超声波传感器处的粉尘扩散速度vi：其中，L为第一和第二脉冲超声收发换能器之间的距离，c为超声在空气中的传播速度，i＝1,……,n，n为采样次数，n为自然数； 8)重复步骤2)～7)，直至完成n次采样； 9)计算机根据n次采样的粉尘扩散速度，计算得到粉尘扩散平均速度U和均方根速度u’： 10)计算得到粉尘云团扩散动态湍流动能k：其中，I为湍流强度，I＝u′/U。 6.如权利要求5所述的检测方法，其特征在于，在步骤7)中，对第一和第二脉冲超声收发换能器接收到脉冲超声波的时间差ΔTi做一个补偿，得到补偿值计算公式为：其中，tτ1和tτ2分别为发射时第一和第二脉冲超声收发换能器产生的额外时间，tω1和tω2分别为接收时第一和第二脉冲超声收发换能器产生的额外的时间，根据上式得到脉冲超声波传感器处第i采样时刻的粉尘扩散速度vi。
所属类别：	发明专利