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专利名称：一种主动超声探测流体空化装置及方法
技术领域：
本发明涉及流体空化检测领域，特别涉及一种主动超声探测流体空化装置及方 法。
背景技术：
空化是液体特有的一种动力学现象，发生在局部压力低于该温度下饱和蒸汽压的 液体区域。水轮机、泵的叶片以及船舶螺旋桨推进器等设备的运行都受到空化空蚀的困扰。 空化是影响流体机械使用寿命与性能的主要问题之一，会导致机械效率下降，噪声和振动 加剧，甚至会引起桨叶的材料剥蚀、结构破坏等。
目前工程应用的空化检测的方法主要基于能量、压力、振动和声学等手段。空化 引起水泵、涡轮水翼和推进器等机械的使用效率降低，通过监测机械的运行效率与理想效 率的偏离程度，可以从侧面反映当前的空化状态，只是能量法不能及时检测到空化出现，当 效率降低时，空化程度已经很严重了，而且空化状态只是影响设备运行效率的主要因素之 一，该方法不能完全或者直接反映空化状态。监测压力脉动也是判断空化的一种手段，文献 "Observations of oscillating cavitation of an inducer"(Source Journal of Fluids Engineering, 199 :775 781，1997)在进行水泵空化实验时，对吸入管的压力脉动进行监 测，得到空化与压力脉动的关系，但这一关系的适用性受到限制。对于螺旋桨推进器，则可 以通过螺旋桨轴向的脉动监测空化的发生，不过其他偶然因素也可能引起脉动信号异常变 化，造成误报。加拿大魁北克水力研究所及华中科技大学等研究单位通过安装在设备外部 的加速度计测得振动信号，从而分析内部的空化状态，不过空化信号很容易受到设备本身 正常振动的影响，降低判断准确率。清华大学的文献“水轮机空化空蚀破坏的在线监测方 法及诊断装置”(专利号02131333. 4)利用加速度计和水听器分析水轮机的信号，通过阈 值比较法检测空化状态，文献“轴流转桨式水轮机空化程度声信号辨识研究”(来源中国 电机工程学报，Vol.26, No. 8, 2006)通过分析噪声级，结合噪声谱的特征判断空化。实际 环境中由于机械正常运转时的强烈的背景噪声干扰，容易造成误判，尤其对空化初生阶段 的判别更为困难。1990 年 Barkhoudarian 曾在文献“Ultrasonic cavitationdetection system，，(Source :United States Patent,Patent Number :5, 235，524)中提到主动超声发 射的方法，其基本原理是利用空化产生的大量空泡遮挡超声的传播，依据接收到的信号强 度判断空化状态，而实际中当大量空泡产生时，设备空化已非常严重了，无法对较早期的空 化现象进行诊断。发明内容
本发明的目的在于，提供一种主动超声探测流体空化装置及方法，以监测流体机 械的空化状态，可以较精确地探测空化初生阶段。
为实现上述发明目的，本发明提出了一种主动超声探测流体空化装置，该装置包 括超声信号源、超声驱动器和超声换能器；
所述的超声信号源产生的高频电信号通过所述的超声驱动器驱动所述的超声换 能器按照既定频率发射超声波；
所述的一对或多对超声换能器对应放置在空化区域的两侧，或所述的一个或多个 收发合一的超声换能器放置在具有反射面的空化区域的另一侧，使超声波传播路线经过空 化区域后，把流场信息调制到超声波上成为已调超声信号，被所述的超声换能器接收；其特 征在于，
该装置还包括超声解调器、信号调理采集器和信号处理器；
所述的超声解调器，用于对超声信号进行解调，得到具有流场信息的解调信号；
所述的信号调理采集器，用于对已调超声信号或解调信号放大、抗混叠滤波以及 模数转换；
所述的信号处理器，用于对经超声解调器和信号调理采集器处理后的信号进行模 式分类并判断是否发生空化。
所述的信号处理器根据已知空化状态的解调信号特征训练得到的分类模型和提 取到的超声解调信号特征，对实时的超声解调信号进行模式分类，判断是否发生空化。
为实现本发明的目的，提出一种主动超声探测流体空化方法，该方法步骤包括
步骤1)所述的一对或多对超声换能器放置在空化区域的两侧，或所述的一个或 多个超声换能器放置在具有反射面的空化区域的另一侧，所述的超声信号源产生的高频电 信号通过所述的超声驱动器驱动所述的超声换能器按照既定频率发射超声波，使超声传播 路线经过空化区域后，把流场信息调制到超声上成为已调超声信号，被所述的超声换能器 接收；
步骤2):所述的超声解调器对已调超声信号的解调得到反映流场信息的超声解 调信号；或所述的信号调理采集器对已调超声信号进行放大、抗混叠滤波以及模数转换；
对应地，步骤幻所述的信号调理采集器对超声解调信号进行放大、抗混叠滤波 以及模数转换；或所述的超声解调器对信号调理采集器处理后的信号进行解调得到反映流 场信息的信号；
步骤4)根据已知空化状态的解调信号特征训练得到的分类模型和提取到的超 声解调信号特征，所述的信号处理器对经超声解调器和信号调理采集器处理后的信号进行 模式分类，判断是否发生空化；
步骤幻最后将诊断结果通过所述的通讯接口与上位机通信，发送空化报警信 肩、ο
所述的步骤4)中判断空化现象的算法步骤包括
步骤4. 1)读取从所述的信号调理采集器中输出的数字信号；
步骤4. 检测采集得到的信号幅度，根据信号强度调整程控增益的设置，使得 信号保持在50% 90%范围内；
步骤4. 3)针对特征选择中确定的特征类型，计算特征值生成特征向量；
步骤4. 4)根据已知空化状态的解调信号特征训练得到的分类模型和提取到的 超声解调信号特征对实时的解调信号进行模式分类，判断是否发生空化。
所述的分类模型需要已知空化状态的数据库进行训练得到。
所述的步骤4. 3)中特征选择的范围包括但不限于
权利要求
1.一种主动超声探测流体空化装置，该装置包括超声信号源、超声驱动器和超声换 能器；所述的超声信号源产生的高频电信号通过所述的超声驱动器驱动所述的超声换能器 按照既定频率发射超声波；所述的一对或多对超声换能器对应放置在空化区域的两侧，或所述的一个或多个收发 合一的超声换能器放置在具有反射面的空化区域的另一侧，使超声波传播路线经过空化区 域后，把流场信息调制到超声波上成为已调超声信号，被所述的超声换能器接收； 其特征在于，该装置还包括超声解调器、信号调理采集器和信号处理器； 所述的超声解调器，用于对超声信号进行解调，得到具有流场信息的解调信号； 所述的信号调理采集器，用于对已调超声信号或解调信号放大、抗混叠滤波以及模数 转换；所述的信号处理器，用于对经超声解调器和信号调理采集器处理后的信号进行模式分 类并判断是否发生空化。
2.根据权利要求1所述的主动超声探测流体空化装置，其特征在于，所述的信号处理 器根据已知空化状态的解调信号特征训练得到的分类模型和提取到的解调信号特征，对实 时的超声解调信号进行模式分类，判断是否发生空化。
3.—种主动超声探测流体空化方法，该方法步骤包括步骤1)所述的一对或多对超声换能器放置在空化区域的两侧，或所述的一个或多个 超声换能器放置在具有反射面的空化区域的另一侧，所述的超声信号源产生的高频电信号 通过所述的超声驱动器驱动所述的超声换能器按照既定频率发射超声波，使超声传播路 线经过空化区域后，把流场信息调制到超声上成为已调超声信号，被所述的超声换能器接 收；步骤幻所述的超声解调器对已调超声信号的解调得到反映流场信息的超声解调信 号；/所述的信号调理采集器对已调超声信号进行放大、抗混叠滤波以及模数转换；对应地，步骤幻所述的信号调理采集器对超声解调信号进行放大、抗混叠滤波以及 模数转换；/所述的超声解调器对信号调理采集器处理后的信号进行解调得到反映流场信 息的信号；步骤4)根据已知空化状态的解调信号特征训练得到的分类模型和提取到的超声解 调信号特征，所述的信号处理器对经超声解调器和信号调理采集器处理后的信号进行模式 分类，判断是否发生空化；步骤5)最后将诊断结果通过所述的通讯接口与上位机通信，发送空化报警信息。
4.根据权利要求3所述的主动超声探测流体空化方法，其特征在于，所述的步骤4)中 判断空化现象的算法步骤包括步骤4. 1)读取从所述的信号调理采集器中输出的数字信号； 步骤4. 检测采集得到的信号幅度，根据信号强度调整程控增益的设置，使得信号 保持在50% 90%范围内；步骤4. 3)针对特征选择中确定的特征类型，计算特征值生成特征向量； 步骤4. 4)根据训练得到的分类模型对实时的解调信号特征进行模式分类，判断是否发生空化。
5.根据权利要求3或4所述的主动超声探测流体空化方法，其特征在于，所述的分类模 型需要已知空化状态的数据库进行训练得到。
6.根据权利要求4所述的主动超声探测流体空化方法，其特征在于，所述的步骤4.3) 中特征选择的范围包括
7.根据权利要求4所述的主动超声探测流体空化方法，其特征在于，所述的特征选择 过程步骤包括步骤1)利用提取的全部原始特征分别单独建立分类器，使用测试集数据检验分类效果；步骤幻选择分类效果较好的若干特征进行组合，归一化后组成最优特征向量，利用最优特征向量建立最优分类器。
8.根据权利要求7所述的主动超声探测流体空化方法，其特征在于，所述的分类器的 分类算法采用C-SVC支持向量机，选择径向基核函数为核函数类型。
9.根据权利要求7所述的主动超声探测空化方法，其特征在于，所述的步骤4.3)中的 特征选择采用分类器准确率作为评价标准，选择使分类器的错误概率最小的若干特征组合 作为最终分类向量。
10.根据权利要求9所述的主动超声探测流体空化方法，其特征在于，所述的分类器参 数的取值通过实验优化；所述的分类器参数包括惩罚因子C和核参数gammar。
全文摘要
本发明涉及一种主动超声探测流体空化的装置及方法，一对或多对超声换能器放置在空化区域的两侧，或一个或多个收发合一的超声换能器放置在具有反射面的空化区域的另一侧，超声信号源产生的高频电信号通过超声驱动器驱动超声换能器按照既定频率发射超声波；使超声波经过空化区域后，把流场信息调制到超声波上被超声换能器接收；超声解调器对超声信号进行解调得到具有流场信息的解调信号；信号调理采集器对已调超声信号或解调信号放大、抗混叠滤波以及模数转换；信号处理器对已调超声信号的解调，得到具有流场信息的解调信号并进行模式分类，判断是否发生空化。
文档编号G01N29/44GK102033106SQ20101054407
公开日2011年4月27日 申请日期2010年11月12日 优先权日2010年11月12日
发明者李晓东, 程晓斌, 阎兆立, 陈笑然 申请人:中国科学院声学研究所