基于聲波共振的液位測量實驗系統設計與測試

徐曉濱, 李 果, 方丹楓

(杭州電子科技大學 自動化學院， 浙江 杭州 310018)

超聲波液位測量方法應用廣泛[1-2]，但在實際的工業應用中,被測液體表面常常漂浮大量的泡沫、殘渣等異物，當超聲波遇到漂浮在液面上的異物會發生寄生反射現象,降低超聲波液位儀的測量精度[3-4]。低頻可聞聲波的波長較長,當遇到異物時可以發生衍射,繞開異物繼續傳播,從而避免了寄生衍射。

本文結合承擔的國家自然科學基金重點項目“面向工業大系統安全高效運行的報警設計與消除方法及應用”和“船舶電力推進系統狀態監測與故障診斷的信息融合方法”中對于液位變量測量與狀態監測的實際需求,設計了一套基于低頻可聞聲波共振的液位測量系統,實現寬范圍液位高度的測量。該系統由聲波發射器、聲波接收器、處理單元以及顯示單元組成,量程在0.6～10 m之間,測量精度可以達到1%,優于市面上大部分的超聲波液位儀,且造價低廉易于推廣。測控類專業和化工類專業的學生不僅可以通過該系統熟悉聲學傳感及工業過程變量檢測系統的工作原理、運行機制,完成相關課程單元知識的實驗科目外,還能開展以狀態監測與故障診斷為目的的開放式實驗項目,調動學生開展實際工業監控系統中基于監測變量的故障監測方法與技術的研究,從而提升自主學習與科研能力,達到開放式創新實踐教學的目的。

1 基于低頻可聞聲波共振的液位測量系統結構及測量原理

液位測量系統結構見圖1,由揚聲器、麥克風、溫度計、控制處理單元、導聲管、溫度計等組成[5-6]。

圖1 液位測量系統結構

通過揚聲器發出頻率隨時間變化的掃頻聲波。在發聲的同時,通過控制麥克采集數據。揚聲器產生的聲波沿導聲管的方向傳播到液面并垂直反射回來,揚聲器發出的聲波信號與反射聲波信號疊加產生駐波[7]。定義y1為揚聲器產生的聲波,y2表示反射聲波,則有：

(1)

(2)

合成波為

(3)

其中,A是聲波的幅度,f是聲波的頻率,l是從揚聲器到液面的距離,亦即探測距離。

對于不同的高度,所采集到的合成波中都會包含一組駐波,每個駐波所對應的頻率即共振頻率[8]。例如在2 s內,通過揚聲器發出1 kHz～2 kHz隨時間均勻變化的掃頻信號,探測距離l=2 m。此時所采集到的信號如圖2所示,共出現11個共振點(圖中幅值最大的11個點)。

圖2 合成的正弦波(l=2 m)

每個駐波所對應的頻率與長度的關系為

(4)

其中：k為1 kHz～2 kHz內出現的第k個駐波;m是共振點的個數;f(k)是在該頻率段出現的第k個共振頻率;c是聲波在空氣中傳播的速度,c=331.45+0.61T[9];n(k)表示f(k)是初始共振頻率的多少倍，具體計算如下：當k=1,2時,由(4)式可知

(5)

變換后有

(6)

根據不完全歸納法可得

(7)

則

(8)

由上式可知,通過任意相鄰的2個共振頻率的差值,就可以計算出n(k)。但受到實際測量環境中眾多不確定因素的干擾,上式中的n(k)可能不是整數,若將它代入(1)式計算,會引起較大的誤差。在1 kHz～2 kHz頻段內出現的共振頻率是初始共振頻率fRF的整數倍,并有f(k+1)-f(k)=fRF,所以可令

(9)

分母是相鄰共振頻率的差值的平均值,并對其去整數位||·||,使得

(10)

那么,(4)式可變換為

(11)

最終計算得到液位高度h為

(12)

(13)

亦即m-1個測量值的平均值,取平均的操作可以有效降低觀測噪聲對測量結果的影響。

2 液位測量實驗系統設計

基于以上測量原理設計的實驗系統由硬件數據采集裝置和軟件數據處理兩部分組成,其總體結構如框圖3所示,實物如圖4所示。

圖3 液位測量系統的總體結構框圖

圖4 液位測量系統的實物圖

聲波信號的發射和采集分別由揚聲器和麥克風實現,通過A/D轉換器將聲波信號轉換為數字信號。數據處理模塊將采集到數據進行快速傅里葉變換,把時域信號轉換為頻域信號,提取共振頻率點,進而計算出液位的高度并給予顯示。

2.1 實驗系統硬件設計

選用STM32F746G-DISCO開發板作為主控制器實現聲波的收發、存儲與處理,其使用的微控制器為STM32F746NGH,基于ARM Cortex-M7內核,具有強大的運算處理能力,可以滿足音頻信號的計算與處理需求。它搭載了音頻解碼芯片WM8994,該芯片具有高集成、低功耗、高保真等特點,可以保證揚聲器發出的聲音信號和麥克風采集到的聲音信號都具有較好的精準性。

揚聲器選用F10電動式揚聲器,用于發射頻率隨時間變化的聲波。該型號的揚聲器結構簡單,可發出聲波的頻率范圍在20 Hz～20 kHz,信噪比在90 dB以上,可以發出較為理想的聲波且價格低廉。

麥克風選用TCM-340駐極體麥克,接收到的聲波頻率范圍在70 Hz～16 kHz,靈敏度為-45 dB±3 dB,用于接收反射聲波信號。該麥克結構簡單易于固定安裝且價格低廉。

導聲管使用選用直徑為7.5 cm,內壁為2 mm的PVC管材。PVC管材具有耐腐蝕性、耐藥品性優良等優點,可以應用于多種場景。

溫度傳感器選用DS18B20,采用總線的方式與微處理器連接。該傳感器價格低廉,抗干擾能力強,可以應用于各種惡劣的環境,測量溫度范圍可達-55 ℃～+125 ℃,在-18 ℃～+85 ℃測量精度可達到±5 ℃。

2.2 實驗系統軟件設計

該系統軟件部分可以利用Windows下的Keil進行開發,它提供了C編譯器、宏匯編、鏈接器、庫管理以及在線調試等一系列功能,大大縮短了開發的時間。利用Keil工具,在平臺下采用模塊化設計,包括掃頻信號的產生模塊、共振頻率提取模塊、基于共振頻率的液位換算模塊等。各個模塊各自獨立,這大大提升了程序調試的效率。

(1) 掃頻信號產生模塊。主要產生頻率隨時間變化的聲波信號。在規定的時間內,通過揚聲器發出從fL到fH的掃頻信號,這里選取fL=1 000 Hz,fH=2 000 Hz。

y=Acos(2πf(t)t)

(14)

其中,y表示揚聲器發出的初始的聲波信號,f(t)是在t時刻聲波的頻率,并隨著時間t從fL開始均勻增加到fH截止。本系統中,發音和收音是同時進行的,故接收到的信號是發出的原始聲波和液面反射波的合成波。

(2) 共振頻率的提取模塊。用于提取麥克風接收到的合成波中的共振頻率。首先將采集到的合成波進行快速傅里葉變換,得到合成波頻譜。由于測量環境中的干擾以及傳感器存在的誤差,會造成頻譜中存在諸多噪聲,所以需要采用相應的濾波算法去噪,并從中提取共振頻率。常見的數字濾波算法有限幅濾波法、中值濾波法、算數平均濾波法和滑動平均濾波法等[10]。但是,由于頻譜信號的數據數量較大、開發板的存儲空間有限等原因,常見的數字濾波方法濾波及頻率提取效果有限。在文獻[11]提出了一種共振頻率快速提取算法,分別對頻譜進行一次平滑、二次平滑、最后進行共振頻率的峰值提取,分步降低數據的處理規模,減小處理器的負荷。

(3) 基于共振頻率的液位換算模塊。該模塊在提取出共振頻率的基礎上,基于式(12)和式(13)計算出液位的高度。

3 液位測量實驗

聲波信號的發出、接收、共振頻率提取、液位計算在5 s內即可完成,整個運行流程如圖5所示。首先將麥克風、揚聲器、溫度傳感器放置在導聲管的一端,保持與導聲管垂直，按下開發板背部的開始按鍵,由開發板主控制器發出指令,由揚聲器發出一組在1 kHz～2 kHz內隨時間均勻變化的掃頻信號(時長為2 s)；與此同時麥克風采集合成波信號回傳到開發板中,通過開發板中的音頻編碼解碼器將聲波信號轉換為數字信號；處理器利用FFT算法將時域信號轉換為頻域信號,進而通過共振頻率快速提取算法將頻域信號中的共振頻率提取出來,最終根據共振頻率點計算液位高度并給予顯示。

圖5 液位測量流程

l=2 m時通過共振頻率快速提取算法獲取的共振點頻率值見圖6。圖7給出了系統的顯示效果,液位高測量值為2.018 m,相對誤差9‰,達到了較高的精度。表1給出了0.6～10.6 m區間段中12組不同長度的測量結果(2次),經過多組實驗數據的統計分析,平均的相對誤差1%,精度優于一般超聲測距的精度(一般超聲測距的平均相對誤差為5%[12])。

圖6 l=2m時的頻域數據以及從中提取的共振頻率點

圖7 液位測量的顯示界面

4 實驗項目設置

實驗系統可以完成以下實驗項目:

(1) 掃頻信號的生成實驗:熟悉Matlab/C語言的基本指令,利用Matlab/C語言生成在固定頻段內隨時間均勻變化的掃頻信號;

(2) 聲共振原理實驗:了解聲波共振的原理,采集不同液位高度下的合成波信號,利用Matlab/C語言中的FFT算法計算不同液位高度下的合成波頻譜,分析不同高度下共振頻率的變化情況;

表1 不同液位高度的測量結果

注:l—實際的距離；l1,l2—測量的兩組數據。

(3) 聲共振頻率的數字濾波實驗:提取聲波信號的共振頻率,由于測量環境中存在不同程度的干擾,所以合成波頻譜中會存在噪聲,可以利用Matlab/C語言編寫不同原理的濾波算法,對比不同濾波算法的去噪效果;

(4) 硬件搭建實驗:了解硬件的主要組成部分,根據不同的應用需求進行硬件選型實踐;

(5) 軟件模塊測試實驗:根據模塊化的思想編寫各個模塊的代碼,進行調試。將具有不同功能的模塊代碼進行整合,實現實驗要求的功能。

5 總結

本文設計了一套基于聲波共振的液位測量實驗系統,該系統具有以下特點:

(1) 實用性:該液位測量系統的測量對象為化工和石油的液罐,可以對液位進行實時監測,通過對其功能和原理的理解,可以使學生掌握常見的聲學原理解決實際的工程測量問題的方法；

(2) 系統性:該實驗系統包括掃頻信號產生、聲波信號的發射與接收、數據的處理與顯示,通過合成波的采集、共振頻率提取算法的設計等過程,學生能夠理解工業變量測量系統設計的整體過程,為以后參與類似的工程系統設計打下基礎；

(3) 綜合性:該實驗系統包括硬件數據采集裝置和軟件數據處理模塊,根據模塊化的思路進行設計,可以分為多個實驗供學生學習實踐,能夠提高學生的硬件設計和軟件編寫能力。

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