[發明專利]基于固定頻段聲波共振頻率的液位測量方法

有效

• 申請號: 201010176203.8
• 申請日: 2010-05-18
• 公開（公告）號: CN101852638A
• 公開（公告）日: 2010-10-06
• 發明（設計）人: 徐曉濱;文成林;吳開華;夏丙鐸
• 申請（專利權）人: 杭州電子科技大學
• 主分類號: G01F23/296
• 分類號: G01F23/296
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 杜軍

1.基于固定頻段聲波共振頻率的液位測量方法，其特征在于該方法包括如下步驟：

步驟(1).將導聲管豎直插入待測液面以下，揚聲器和麥克風并排安裝在導聲管一端內，導聲管的另一端沒入液面以下，揚聲器和麥克風所在水平面到液面的距離為待測液面高度L；

步驟(2).在時間段Δt內，通過DSP控制器的語音芯片輸出頻段D＝[a，b]Hz內的一組線性掃頻正弦信號，并將該信號傳給與語音芯片連接的揚聲器；該揚聲器發出的聲波經導聲管垂直于液面傳播，傳至液面后發生反射，形成的回波由麥克風采集，并輸入所述的語音芯片；

在待測液面高度L范圍內，[a，b]的選擇需要保證a＞＞20Hz且b-a＞3f₀，f₀為初始共振頻率，即頻段D內至少出現3個共振頻率；

步驟(3).該語音芯片把所采集得的聲音信號轉化為時域波形送給DSP控制器；

步驟(4).該DSP控制器采用快速傅里葉變換將步驟(3)中的時域波形信號變換到時一頻域中的頻譜；

步驟(5).采用快速頻率檢測方法獲取步驟(4)頻譜中的M個共振頻率點；具體步驟如下：

(5.1)進行一次平滑處理：設置寬度為ΔHz的窗口，該寬度Δ小于兩個相鄰共振頻率差的2倍，從aHz至bHz滑動窗口，依次找到每個非重疊窗口中頻率幅值最大的點，記為P(f₁，y₁)，P(f₂，y₂)，…，P()，共有N₁個，其中橫坐標f表示頻率，縱坐標y表示幅值；

(5.2)進行二次平滑處理：對于點列{P(f_i，y_i)，i＝1，2，…，N₁}，從i＝1到i＝N₁-2，依次判斷相鄰3點P(f_i，y_i)，P(f_i+1，y_i+1)，P(f_i+2，y_i+2)之間，若存在y_i＞y_i+1且y_i+2＞y_i+1，則令f_i+1＝0，y_i+1＝0，只保留點P(f_i，y_i)和P(f_i+2，y_i+2)，最終得到單調變化的頻率點列{P(f_j，y_j)，j＝1，2，…，N₂}，且N₂＜N₁；

(5.3)提取峰值：采用逐點比較的方法，從步驟(5.2)得的點列{P(f_j，y_j)，j＝1，2，…，N₂}中，提取共振頻率點列{f(k)，k＝1，2，…，M}，其中M為在頻段D內獲得的共振頻率個數；

步驟(6).利用相鄰共振頻率的等差關系及基于共振頻率的液位換算公式得到多個液位測量值，將它們取平均后作為最終的液位值，其步驟依次如下：

(6.1)給出基于固定頻段D內共振頻率的液位換算公式為

L′＝n(k)c/2f(k)??k＝1，2…，M

其中c≈331.45+0.61T為聲速，它和液位測量環境的溫度T有關；共振頻率f(k)是初始共振頻率f₀的n(k)倍，n(k)為整數，記為n(k)＝f(k)/f₀；

(6.2)根據步驟(5.3)所得點列{f(k)，k＝1，2，…，M}，通過f(k)和f(k+1)之間的等差關系可以得到

n(k)＝f(k)/(f(k+1)-f(k))?k＝1，2，…，M-1

因為f(k+1)-f(k)＝f₀，令n(k)的估算值為

n(k)‾=f(k)/(Σk=1M-1(f(k+1)-f(k))/(M-1))]]>

分母為相鄰共振頻率之差的均值，該值更接近真實的f₀，從而減少了不確定性的影響，并可以保證k＝1，2…，M-1，其中‖·‖表示取整數位；

(6.3)根據步驟(5.3)所得共振頻率點列{f(k)，k＝1，2，…，M}和步驟(6.2)中所得得到共M-1個液位計算值L_k

Lk=||n(k)‾||c/2f(k)+ΔL(f(k))k=1,2...,M-1]]>

其中，ΔL(f(k))是補償項；

(6.4)將步驟(6.3)所得L_k取平均，得到液面高度L。

L=(Σk=1M-1Lk)/(M-1)]]>