[發(fā)明專利]基于固定頻段聲波共振頻率的液位測(cè)量方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201010176203.8
• 申請(qǐng)日: 2010-05-18
• 公開（公告）號(hào): CN101852638A
• 公開（公告）日: 2010-10-06
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 徐曉濱;文成林;吳開華;夏丙鐸
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 杭州電子科技大學(xué)
• 主分類號(hào): G01F23/296
• 分類號(hào): G01F23/296
• 代理公司: 杭州求是專利事務(wù)所有限公司 33200
• 代理人: 杜軍

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于測(cè)量技術(shù)，涉及基于固定頻段聲波共振頻率的液位測(cè)量方法。

背景技術(shù)

基于聲波反射原理的液位測(cè)量方法在許多工業(yè)領(lǐng)域中已經(jīng)得到了廣泛地應(yīng)用，其中的超聲波測(cè)量方法是最常用的方法之一。但是，在實(shí)際的工業(yè)應(yīng)用中，被測(cè)液體表面常常會(huì)出現(xiàn)泡沫、殘?jiān)统练e物等異物。當(dāng)超聲波遇到這些障礙物時(shí)，易發(fā)生寄生反射現(xiàn)象，改變傳播路徑，從而嚴(yán)重影響測(cè)量效果，大大降低超聲波的測(cè)量精度。

而低頻聲波波長較長，遇到障礙物時(shí)會(huì)發(fā)生衍射，即聲波可以繞開障礙物繼續(xù)傳播，避免了寄生反射。Denis?Donlagic在文獻(xiàn)《The?Use?of?One-DimensionalAcoustical?Gas?Resonator?for?Fluid?Level?Measurements》IEEE?Transactions?on?Instrumentationand?Measurement中，基于低頻聲波的共振原理，從初始共振頻率(記為f₀)換算出液位高度。但是，該方法的最大量程取決于f₀，而該頻率的最小值受揚(yáng)聲器原理、類型、聲源體積和質(zhì)量等因素的限制，一般僅為20Hz。由于量程越長，其對(duì)應(yīng)的初始共振頻率越小，若在標(biāo)準(zhǔn)聲速下進(jìn)行測(cè)量，與最小初始共振頻率f₀＝20Hz對(duì)應(yīng)的最大量程也只有8.28m。并且，這也對(duì)麥克風(fēng)的靈敏度提出了較高的要求，而一般麥克風(fēng)可以感應(yīng)到的最低音頻為20Hz左右，這些因素都極大的限制了該方法在長距離測(cè)量中的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于固定頻段聲波共振頻率的液位測(cè)量方法。

本發(fā)明方法采用快速頻率檢測(cè)方法獲取固定頻段內(nèi)由聲波反射產(chǎn)生的一組共振頻率；利用相鄰共振頻率的等差關(guān)系及基于共振頻率的液位換算公式得到多個(gè)液位測(cè)量值，將它們?nèi)∑骄笞鳛樽罱K的液位值，具體包括以下步驟：

步驟(1).將導(dǎo)聲管豎直插入待測(cè)液面以下，揚(yáng)聲器和麥克風(fēng)并排安裝在導(dǎo)聲管一端內(nèi)，導(dǎo)聲管的另一端沒入液面以下，揚(yáng)聲器和麥克風(fēng)所在水平面到液面的距離為待測(cè)液面高度L。

步驟(2).在時(shí)間段Δt內(nèi)，通過DSP控制器的語音芯片輸出頻段D＝[a，b]Hz內(nèi)的一組線性掃頻正弦信號(hào)，并將該信號(hào)傳給與語音芯片連接的揚(yáng)聲器。該揚(yáng)聲器發(fā)出的聲波經(jīng)導(dǎo)聲管垂直于液面?zhèn)鞑ィ瑐髦烈好婧蟀l(fā)生反射，形成的回波由麥克風(fēng)采集，并輸入所述的語音芯片。

在待測(cè)液面高度L范圍內(nèi)，[a，b]的選擇需要保證a》20Hz且b-a＞3f₀，亦即頻段D內(nèi)至少出現(xiàn)3個(gè)共振頻率，以此確定a、b的取值，f₀為初始共振頻率。例如，當(dāng)L最小取值為0.6m時(shí)，可選取D＝[1000，2500]Hz，這樣可以保證該頻段的回波中出現(xiàn)的共振頻率個(gè)數(shù)M＝5，L越長在該頻段內(nèi)出現(xiàn)的共振頻率越多。

步驟(3).該語音芯片把所采集得的聲音信號(hào)轉(zhuǎn)化為時(shí)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(FFT)將步驟(3)中的時(shí)域波形信號(hào)變換到時(shí)-頻域中的頻譜。

步驟(5).采用快速頻率檢測(cè)方法獲取步驟(4)頻譜中的M個(gè)共振頻率點(diǎn)。

其步驟如下：

步驟(5.1)進(jìn)行一次平滑處理：在該頻譜圖中，各個(gè)共振頻率點(diǎn)的幅值都是局部極大值。由于頻譜曲線并不滿足單增(減)的理想趨勢(shì)，無法直接通過逐點(diǎn)比較幅值的方法找到各個(gè)共振頻率點(diǎn)。所以，設(shè)置寬度為ΔHz的窗口，該寬度Δ小于兩個(gè)相鄰共振頻率差的2倍，以免平滑掉待選的共振頻率點(diǎn)。從aHz至bHz滑動(dòng)窗口，依次找到每個(gè)非重疊窗口中頻率幅值最大的點(diǎn)，記為P(f₁，y₁)，P(f₂，y₂)，...，，共有N₁個(gè)，其中橫坐標(biāo)f表示頻率，縱坐標(biāo)y表示幅值。