[发明专利]一种基于超声导波频散测量液体密度的方法

说明书

本发明公开了一种基于超声导波频散测量液体密度的方法，所述方法包括以下步骤：建立顶端有截断的楔形波导杆垂直插入液面模型，换能器作用于波导杆激发产生超声导波；沿波导杆传播方向进行扫描并绘制B‑scan图，二维傅里叶变换方法或相位谱法得到超声导波的频散关系；波导杆浸入不同密度的液体，分别得到导波模态的频散曲线，作为参考曲线；将待测液体导波模态的频散曲线与参考曲线比较，确定液体密度。本发明为液体密度测定提供了一种可靠的方法，为实现液体密度的快速检测提供指导依据。

技术领域

本发明涉及超声检测技术领域，特别是一种基于超声导波频散测量液体密度的方法。

背景技术

楔形结构材料是一种非常常见的结构材料。厚度非均匀的金属板状结构，特别是金属楔形构件在工业材料及其零部件中有广泛的应用。密度测试已涉及到科学技术和国民经济的每个部门，并在冶金、建筑、石化、煤炭、医疗、贸易、国防以及科学研究等领域中广泛应用。因此，对密度测量的分辨率、安全性、维护的需要、成本等提出了要求。常用的在线液体密度的方法有很多，其中有电容式液体密度计、射线式液体密度计和超声式液体密度计，等体积静浮力比较法等。其中，电容式成本低，在测量中应用较多，但测量准确度不高，维护较为麻烦；射线式可进行非接触的测量，但存在射线的辐射危害，因此，使用较少；超声式液体密度计的应用范围很广，维护方便，对人体没有危害，但是超声波在液体中衰减很快，在特殊环境中影响测量精度。等体积静浮力比较法对待测液体的密度、测量环境与一定的特殊要求。

楔形波是一种特殊的导波，主要存在于楔形结构中，沿楔形波导杆传播。由于它的能量集中，可以以较低的衰减传播很远的距离。此外，楔形波的速度相对于其他导波速度较慢，因此认为可以提高测量精度，这与测量设备的时间分辨率密切相关。此外，当楔形波传播的波导浸入液体中时，声波的速度降低，提高密度的测量精度。

但是，目前还并未有利用导波模态频散间接测量液体密度方面的研究。液体密度测量在工业上经常会因为人为因素、仪器因素、环境因素等方面而产生误差，给生产应用带来不利，并且会一定程度上影响经济效益。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种能够较好确定液体密度位置，且具有较高测量精度，可用于工业的在线监测的基于超声导波频散测量液体密度的方法。

本发明的目的通过以下技术方案实现。

一种基于超声导波频散测量液体密度的方法，包括以下步骤：

1)建立顶端有截断的楔形波导杆模型，波导杆中激发产生导波；

2)根据步骤1)所述顶端有截断的楔形波导杆模型导波沿楔形波导杆尖端方向传播，沿传播方向等间距记录声波波形并绘制Bscan图；二维傅里叶变换方法或相位谱法对声波模态进行分离，得到超声导波模态的频散曲线，即模态-速度-频率关系；

3)将波导杆浸入不同密度的液体，分别得到导波模态的频散曲线，提取单一模态，得到模态频散曲线和密度之间关系，此为参考曲线；

4)楔形波导杆模型浸入待测液体，根据步骤2)测得的频散曲线与参考曲线比较，确定液体密度。

进一步的，所述超声导波模态通过等间距记录导波波形获得。

进一步的，所述步骤2)在超声导波沿波导杆方向进行B扫描，得到超声导波模态的频散曲线其具体步骤如下：

超声导波沿波导杆会发生模式分离；控制波导杆的截断，使得超声导波仅存在幅值最强的两个模态，且模态是频散的；对沿波导杆方向传播的声波，等间距记录波形；二维傅里叶变换方法或相位谱法对声波模态进行分离，得到导波模态的频散曲线，即模态-速度-频率关系。

进一步的，所述步骤4)中的液体密度通过如下方法确定：