一種適用粉塵環(huán)境的高精度聲頻料位儀的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種適用粉塵環(huán)境的高精度聲頻料位儀，包括單頻調(diào)幅波發(fā)生功放、音頭及號筒、信號濾波放大電路、AD采樣電路和數(shù)字信號處理單元MCU，其中音頭的輸入端和輸出端之間依次連接單頻調(diào)幅波發(fā)生功放、數(shù)字信號處理單元MCU、AD采樣電路、信號濾波放大電路，所述數(shù)字信號處理單元MCU還連接有溫度采集電路。本實(shí)用新型的有益效果是：本實(shí)用新型采用較低頻率聲波作為測距手段，克服了超聲波料位儀無法應(yīng)用于粉塵環(huán)境的弊端，同時測距精度仍可以達(dá)到超聲波料位儀的水平，拓展了聲波料位儀在粉塵環(huán)境下的應(yīng)用范疇。
【專利說明】一種適用粉塵環(huán)境的高精度聲頻料位儀
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種高精度聲頻料位儀，更具體說，它涉及一種適用粉塵環(huán)境的高精度聲頻料位儀。
【背景技術(shù)】
[0002]聲波料位儀是一種應(yīng)用在長距離和粉塵條件下的物料測距儀器，該儀器在國內(nèi)尚處于空白階段。目前國內(nèi)的料位儀多是超聲波料位儀，由于超聲在空氣中衰減快，粉塵穿透能力弱所以無法滿足較長距離和粉塵環(huán)境應(yīng)用的需求。聲波料位儀采用較低頻率的聲波作為測距手段，聲波頻率低波長長，所以聲波在空氣中衰減慢，粉塵穿透能力強(qiáng)，適合于在長距離粉塵條件下工作。但是由于聲波波長長，必將導(dǎo)致測距精度的降低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本實(shí)用新型的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種克服超聲波料位計(jì)的缺點(diǎn)并且測距精度高的適用粉塵環(huán)境的高精度聲頻料位儀。
[0004]本實(shí)用新型的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。這種適用粉塵環(huán)境的高精度聲頻料位儀，包括單頻調(diào)幅波發(fā)生功放、音頭及號筒、信號濾波放大電路、AD采樣電路和數(shù)字信號處理單元MCU，其中音頭的輸入端和輸出端之間依次連接單頻調(diào)幅波發(fā)生功放、數(shù)字信號處理單元MCU、AD采樣電路、信號濾波放大電路，所述數(shù)字信號處理單元MCU還連接有溫度采集電路。
[0005]作為優(yōu)選:所述信號濾波放大電路包括:前級放大電路、帶通濾波電路和后級放大電路，所述前級放大電路將音頭傳來的微弱信號進(jìn)行一定幅度的放大，以使信號幅值滿足模擬濾波處理要求；放大后的信號送入4階帶通濾波電路，經(jīng)過帶通電路后音頭接收到的帶外噪聲將被大大衰減，為后續(xù)數(shù)字信號處理程序提供滿足要求的信號；帶通濾波后的信號送入后級放大電路，將信號放大至合適AD采樣的幅值。
[0006]本實(shí)用新型的有益效果是:本實(shí)用新型AD及DA模塊都由MCU內(nèi)部集成，省去了外部AD和DA芯片，簡化了電路結(jié)構(gòu)節(jié)約了硬件成本。并且采用UC0S操作系統(tǒng)對MCU及外設(shè)進(jìn)行管理，提高了系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可維護(hù)性。本實(shí)用新型可以通過485總線連接上位機(jī)，對物料高度信息進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，并可以方便的實(shí)現(xiàn)信息聯(lián)網(wǎng)以滿足現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程信息化的需求。本實(shí)用新型可以根據(jù)物料的距離不同以及粉塵環(huán)境的不同自動調(diào)節(jié)發(fā)射聲波功率，可以對不同的工況進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)節(jié)。并且通過實(shí)時采集現(xiàn)場溫度對傳播聲速進(jìn)行修正，克服了環(huán)境溫度造成的測距誤差。如圖7所示，通過APFFT算法取得回波處的相位信息，更充分的利用了回波所攜帶的信息，將測距精度提高了一個數(shù)量級。試驗(yàn)觀察和數(shù)據(jù)分析表明:本實(shí)用新型采用較低頻率聲波作為測距手段，克服了超聲波料位儀無法應(yīng)用于粉塵環(huán)境的弊端，同時測距精度仍可以達(dá)到超聲波料位儀的水平，拓展了聲波料位儀在粉塵環(huán)境下的應(yīng)用范疇?！緦＠綀D】

【附圖說明】
[0007]圖1系統(tǒng)功能模塊示意圖；
[0008]圖2指數(shù)型號筒示意圖；
[0009]圖3信號濾波放大電路示意圖；
[0010]圖4信號隔離電路示意圖；
[0011]圖5電源電路示意圖；
[0012]圖6系統(tǒng)硬件組成示意圖；
[0013]圖7回波分析示意圖；
[0014]圖8實(shí)際回波示意圖；
[0015]圖9實(shí)際回波APFFT幅度譜和相位譜示意圖；
[0016]圖10聲波料位儀系統(tǒng)流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0017]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本實(shí)用新型做進(jìn)一步描述。雖然本實(shí)用新型將結(jié)合較佳實(shí)施例進(jìn)行描述，但應(yīng)知道，并不表示本實(shí)用新型限制在所述實(shí)施例中。相反，本實(shí)用新型將涵蓋可包含在有附后權(quán)利要求書限定的本實(shí)用新型的范圍內(nèi)的替換物、改進(jìn)型和等同物。
[0018]這種聲頻料位儀的功能模塊組成:如圖1所示，包括單頻調(diào)幅波發(fā)生功放電路、音頭及號筒、回波信號濾波放大電路、AD采樣電路、溫度采集電路和數(shù)字信號處理單元MCU。
[0019]聲頻料位儀工作方式及流程按下列步驟進(jìn)行:
[0020]步驟1.單頻調(diào)幅波發(fā)生
[0021]a.由MCU的DA產(chǎn)生正弦包絡(luò)調(diào)制的單頻調(diào)幅波；
[0022]b.DA產(chǎn)生的波形為按規(guī)律調(diào)制的階梯狀波形，必須經(jīng)由RC低通濾波方可得到頻譜純正的所需正弦波；
[0023]c.調(diào)制正弦波輸入功放電路，進(jìn)而推動音頭號筒發(fā)出高指向性的聲波；
[0024]步驟2.回波信號濾波放大
[0025]a.物體反射回波被音頭號筒接收并轉(zhuǎn)變?yōu)槲⑷蹼娦盘枺?br> [0026]b.微弱電信號經(jīng)過隔離變壓器后進(jìn)入第一級前放電路進(jìn)行濾波前所需的放大；
[0027]c.前放信號經(jīng)過四階帶通濾波器對信號進(jìn)行濾波后送入后級運(yùn)放；
[0028]d.后級運(yùn)放對濾波后的信號進(jìn)一步放大以使信號滿足AD采樣的幅值要求；
[0029]步驟3.AD采樣存儲
[0030]a.經(jīng)過濾波放大的回波信號由AD進(jìn)行自動采樣；
[0031]b.AD采樣后的數(shù)據(jù)存入外部SRAM供后續(xù)信號處理算法調(diào)用；
[0032]步驟4.回波數(shù)字信號處理
[0033]a.首先對AD采集的回波信號進(jìn)行數(shù)字帶通濾波，以濾除雜散頻率成分的干擾，為后續(xù)信號處理算法提供可用數(shù)據(jù)；
[0034]b.利用最大似然法找到回波信號的準(zhǔn)確位置；
[0035]c.對回波處的信號進(jìn)行FFT頻譜分析，如果峰值頻譜頻率不等于發(fā)射波頻率則視為干擾噪聲，該次數(shù)據(jù)無效；[0036]d.對于峰值頻譜重合的數(shù)據(jù)視為有效數(shù)據(jù)，根據(jù)該點(diǎn)的位置計(jì)算出聲波傳播的時間；
[0037]e.根據(jù)溫度傳感器采集的溫度信息計(jì)算出當(dāng)前空氣中的聲速，再由傳播時間和聲速計(jì)算出距離；
[0038]f.通過APFFT算法計(jì)算出回波處無偏的相位信息，根據(jù)相位確定回波峰值的真實(shí)位置對測距結(jié)果進(jìn)行修正。
[0039]系統(tǒng)硬件組成如圖6所示:包括集成AD和DA模塊的MCU，外部SRAM，數(shù)字溫度傳感器，數(shù)字電位器，RC濾波電路，功放電路，信號隔離電路，濾波放大電路以及負(fù)責(zé)電聲和聲電轉(zhuǎn)換的音頭號筒。
[0040]如圖10所示:聲波料位儀加電后首先初始化UC0S系統(tǒng)的任務(wù)和堆棧并配置外置SRAM存儲器以供AD采樣數(shù)據(jù)存儲之用；然后生成正弦包絡(luò)調(diào)制的3kHz單頻調(diào)幅波的數(shù)據(jù)表以供信號發(fā)射之用；調(diào)整控制功放功率的數(shù)字電位器至最小，使發(fā)射功率處于最小檔。
[0041]初始化完畢后系統(tǒng)進(jìn)入測距工作周期，以最小功率驅(qū)動音頭號筒發(fā)出單頻調(diào)幅波。如圖2所示，聲波經(jīng)過指數(shù)型號筒后形成高指向性的近似平面波向號筒前方輻射出去，聲波在向前傳播的過程中遇到被測物體則被反射回來以相同的路徑傳回音頭號筒。
[0042]如圖4所示，音頭接收到反射回波將其轉(zhuǎn)變?yōu)槲⑷蹼娦盘?，?jīng)由隔離變壓器送入第一級前放電路。前放電路將音頭傳來的微弱信號進(jìn)行一定幅度的放大，以使信號幅值滿足模擬濾波處理要求。如圖3所示，前放放大后的信號送入4階帶通濾波電路，經(jīng)過帶通電路后音頭接收到的帶外噪聲將被大大衰減，為后續(xù)數(shù)字信號處理程序提供滿足要求的信號。帶通濾波后的信號送入后級放大電路，將信號放大至合適AD采樣的幅值。后級放大信號送入跟隨器以使信號更好的匹配AD的阻抗，最后跟隨器將經(jīng)過濾波放大的回波信號送入AD進(jìn)行采樣。
[0043]待音頭盲區(qū)過后AD開始采樣，AD以15kHz的采樣率對濾波放大后的信號進(jìn)行采樣，并將采樣數(shù)據(jù)存入外部SRAM以供后續(xù)數(shù)字信號處理之用，采樣時間持續(xù)0.6秒以使AD可以記錄到最遠(yuǎn)100米處的回波信號。
[0044]AD采樣完畢進(jìn)入數(shù)字信號處理運(yùn)算周期，首先判斷接收回波的幅值和能量是否小于門限的下限，小于門限則說明回波幅值過小信號的信噪比偏低將導(dǎo)致運(yùn)算結(jié)果誤差偏大或者無法算出正確的結(jié)果。如果回波幅值小于門限則自動調(diào)整控制功放增益的數(shù)字電位器，增大功放的功率，如果功率增大后測得回波幅值仍小于門限則繼續(xù)增大功放功率直至回波幅值大于門限下限。
[0045]判斷接收回波的幅值和能量是否大于門限的上限，大于門限則說明回波幅值過大信號的AD采樣值出現(xiàn)削封限幅將導(dǎo)致無法算出回波峰值所處的確切位置。如果回波幅值大于門限則自動調(diào)整控制功放增益的數(shù)字電位器，減小功放的功率，如果功率減小后測得回波幅值仍大于門限則繼續(xù)減小功放功率直至回波幅值小于門限上限。
[0046]如圖9所示，經(jīng)過發(fā)射功率自動調(diào)整后回波信號的幅值滿足后續(xù)信號處理的要求，對回波信號做FFT頻譜能量分析，如果頻譜能量的峰值不處于3kHz的位置則說明該回波信號為干擾信號，該組信號不予取信棄之不用。
[0047]如圖8所示，能量峰值處于3kHz的位置說明該信號為真實(shí)回波信號，首先對該組信號進(jìn)行數(shù)字濾波以濾除奇異點(diǎn)并進(jìn)一步降低帶外噪聲提高數(shù)字信號的信噪比。然后利用最大似然法則找到回波峰值所處的采樣點(diǎn)，根據(jù)該點(diǎn)的位置計(jì)算出聲波傳播的時間。再根據(jù)溫度傳感器采集的溫度信息計(jì)算出當(dāng)前空氣中的聲速，由傳播時間和聲速計(jì)算出距離。
[0048]如圖9所示，最后通過APFFT算法計(jì)算出回波峰值處采樣點(diǎn)的無偏相位信息，根據(jù)該點(diǎn)相位確定回波峰值的真實(shí)位置對測距結(jié)果進(jìn)行修正。經(jīng)過聲波料位產(chǎn)品實(shí)際系統(tǒng)試驗(yàn)表明:在選用3kHz較低頻聲波為發(fā)射波的條件下，該方案可使測距精度達(dá)到毫米級，大幅提高了低頻聲波測距的精度。修正后的距離分辨率為0.002268m較之無修正的測距分辨率
0.0227m提高了 一個數(shù)量級。
[0049]綜上所述，本實(shí)用新型具有發(fā)射功率自適應(yīng)調(diào)節(jié)、聲速自動補(bǔ)償、真假回波信號自動鑒別、測距距離遠(yuǎn)高于超聲波料位儀并且可以應(yīng)用于超聲波無法工作的粉塵環(huán)境中、測距精度高的特點(diǎn)。對回波信號進(jìn)行APFFT算法的處理，修正后的測距精度達(dá)到毫米級，從而實(shí)現(xiàn)運(yùn)用低頻聲波實(shí)現(xiàn)高精度測距。
【權(quán)利要求】
1.一種適用粉塵環(huán)境的高精度聲頻料位儀，其特征在于:包括單頻調(diào)幅波發(fā)生功放、音頭及號筒、信號濾波放大電路、AD采樣電路和數(shù)字信號處理單元MCU，其中音頭的輸入端和輸出端之間依次連接單頻調(diào)幅波發(fā)生功放、數(shù)字信號處理單元MCU、AD采樣電路、信號濾波放大電路，所述數(shù)字信號處理單元MCU還連接有溫度采集電路。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用粉塵環(huán)境的高精度聲頻料位儀，其特征在于:所述信號濾波放大電路包括:前級放大電路、帶通濾波電路和后級放大電路，放大后的信號送入4階帶通濾波電路，帶通濾波后的信號送入后級放大電路。
【文檔編號】G01F23/296GK203551042SQ201320626701
【公開日】2014年4月16日 申請日期:2013年10月11日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月11日
【發(fā)明者】陶德志, 王莉 申請人:中國船舶重工集團(tuán)公司第七一五研究所