CN106248006A - 一种基于频谱分析的非接触式体积测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于质量计量领域，尤其涉及一种基于频谱分析的非接触式体积测量方法及装置。具体包括：基于声学原理，在测量过程中，扬声器被单品信号驱动，两个腔体内的空气保持连通，分别采集两个腔体一段时间的声压信号，进行频谱分析，提取扬声器主频对应的声压值进行计算，重复同样的步骤再测量两个体积已知的砝码的声压比，通过一些数据处理就能精确算出被测物体的体积，达到物体体积非接触高精度测量的目标。这种工艺方法为解决高精度声学法体积测量过程中外界电磁干扰的问题提供解决途径，特别是对异形祛码的体积测量，为质量计量领域祛码的高精度体积测量提供快速有效的测量方法。

Description

一种基于频谱分析的非接触式体积测量方法及装置

技术领域

本发明属于质量计量领域，尤其涉及一种基于频谱分析的非接触式体积测量方法及装置。

背景技术

质量是最基本的物理量之一，质量的度量在国民经济和科学研究中起着根本性作用。而质量的度量是靠砝码完成的，因此砝码质量的标定就是质量度量的重中之重。常规测量中，砝码都暴露在空气中，会受到空气浮力的作用而减少了质量读数。对于质量小的砝码，空气浮力导致的相对误差更加明显。因此，国际法制计量组织规定，砝码的测量必须标定被测砝码所受的空气浮力。空气浮力由砝码所占体积与空气密度决定。准确测定砝码体积是标定空气浮力的必要条件。

常规的体积测量方法都是基于几何原理，主要包括液体静力法和空间建模法。液体静力法把被测物浸没在纯水中，测量排出液体的质量，再除以纯水的密度得到被测物的体积。然而测量耗时长，而且对砝码有腐蚀损坏。空间建模法是利用三坐标测量仪建立精确的三维模型，在计算机中计算体积。然而三坐标测量仪设备昂贵。声学法与其他体积测量方法相比，结果准确可靠，而且方便快捷，无需将砝码浸入液体中测量，不会对砝码造成损害。

其测量原理假设封闭腔体内的空气呈绝热变化，则其腔体内体积和压力满足一定的关系，通过测量压力变化，就可测量出腔体内空气体积。声压信号与密闭腔体内空气的体积也即密闭腔体的容积成反比。通过在测量腔体内放入待测砝码或参考砝码，排开一定体积的空气，密闭腔体的容积改变，腔体内声压信号大小也随之改变。通过放入前后声压信号的比较，测算出放入砝码前后密闭腔体容积的变化量，也就是待测砝码或参考砝码的体积。

有学者直接使用传声器采集的声压时域信号来作为腔体的声压值，然而实际上，由于导线传输信号时外界的电磁干扰以及扬声器内部反射折射带来的影响。由于导线比较长，在导线的连接处不可避免地和外界产生电磁方面的联系，从而带来干扰。声学测量的原理中假设扬声器是一张振动的薄膜，但是扬声器内部的纸盒、线圈等刚度低的部件对声波产生反射和折射，导致谐波的出现，在空间中形成驻波，使得空腔中压力不均匀，影响声压的测量值。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种基于频谱分析的非接触式体积测量方法，其特征在于，所述方法的步骤包括：

步骤1、设置双测量腔体，中间通过旁通孔相连；

步骤2、将待测砝码放入步骤1中的测量腔体的下腔；

步骤3、将步骤1中的测量腔体放于底座上，保持下腔封闭；

步骤4、采用单一频率驱动扬声器发声；

步骤5、对步骤1中的两个测量腔体进行声压测量，分别得到两段时长5s的声压时域信号；

步骤6、对步骤5中的时域信号进行频谱分析，计算上下腔体声压幅值的比值；

步骤7、把测量腔体打开，把步骤2的待测砝码取出；

步骤8、重复步骤2至6，再测量两个参考砝码的上下腔体声压比值。

步骤6中对时域信号进行频谱分析的数据处理方法是获取与扬声器驱动频率相同的频率对应的声压幅值。

步骤4中采用单一频率的正弦波驱动扬声器发出声波，声波对上腔体和下腔体交替产生空气体积压缩和拉伸，形成声压信号，声压信号被传声器转化为电压信号，后经信号放大器放大，并传输到数据采集卡进行模拟数字转换，最后被计算机读取。

所述步骤6中计算上下腔的声压幅值的比值为R_t，

$V_t=V_0(1-\frac{R_t}{R_0})$

其中，V₀为下腔的初始容积，V_t为待测体积值，R₀为下腔为空腔时测量的上下腔声压比值。

所述步骤8的具体过程为

将参考砝码甲放入下腔，并重复测量步骤2-6，测量求得参考砝码甲的声压幅值比为R₁，其中，V₁为已知参考砝码甲的体积值；

将参考砝码乙放入下腔，并重复测量步骤2-6，测量求得参考砝码乙的声压幅值比为R₂，其中，V₂为已知参考砝码乙的体积值；

求得待测砝码V_t的值，

所述待测砝码和参考砝码的形状和外表面积不相同。

所述测量装置包括上腔7和下腔2两个测量腔体；上腔7和下腔2内各有一个传声器，传声器通过传声器接口5插入各腔体里面；上腔7和下腔2共用一个扬声器8；上腔7和下腔2通过扬声器座6相连，下腔2放置于底座1上时，与底座1结合形成密闭的测量腔体，在扬声器座6上设有旁通孔；扬声器8放置在扬声器座6上；待测砝码4即待测体积放置在下腔2中，且待测砝码4放置在垫片3上，通过扬声器8分别对上腔7和下腔2交替产生体积压缩和拉伸，通过各自的传声器采集声压时域信号。

所述测量腔体的横截面为圆形。

有益效果

本发明所提出的非接触式声学体积测量方法在测量过程中，对两个测量腔体进行声压测量，分别得到两段时长5s的声压时域信号，频谱分析的数据处理方法是获取与扬声器驱动频率相同的频率对应的声压幅值。本发明与传统声学体积测量方法相比，一个比较突出的特点是消除了信号发生器谐波和扬声器内部反射干扰的影响。本发明采用廉价的信号发生器和扬声器，谐波的存在不影响测量结果的准确性。基于对声学体积测量原理方法和测量误差的分析，提出对声压的时域信号进行频谱分析，提取与扬声器驱动频率相同的频率处的声压幅值作为声压值用于计算，保证了声波绝热传播的假设条件，消除了谐波的干扰，提高了体积测量精度。

附图说明

图1为本发明的基于频谱分析的非接触式体积测量系统示意图；

图2为本发明的基于频谱分析的非接触式体积测量系统对时域信号进行频谱分析的结果；

1-底座；2-下腔；3-垫片；4-待测砝码；5-传声器借口；6-扬声器座；7-上腔；8-扬声器。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作详细说明。下面结合具体实施例对本发明做进一步说明。但本发明并不仅限于下述实施例。

实施例1

将以圆柱形砝码的体积测量为例，使用OIML形状参考砝码

两个测量腔体如图1所示，上腔7和下腔2通过扬声器座6相连。测量腔体整体可上下运动，与底座1结合形成密闭的下腔2。声压是声音纵波振动在空气压力上形成的气压波动。声压的产生通过扬声器座6上安装的扬声器8实现。扬声器8在单一频率的正弦信号驱动下，产生振动分别对上腔7和下腔2产生反相的体积压缩和拉伸，从而在两个腔体内相位相反的的声压信号。扬声器座6上有旁通管，保证两个腔体内气压的均衡，以及空气湿度、温度的一致。声压信号的测量通过封闭的测试腔体内传声器的声压探头采集来实现。采集的信号再经过前置放大器放大，得到时域信号，然后进行频谱分析，提取主频对应的声压幅值，如图2所示，作为两个腔体的声压E₁和E₂。两个声压信号之比R，记为声压比，如式1所示。

$R=\frac{E_1}{E_2}---\left(1\right)$

圆柱形砝码的双测量腔体声学体积测量法步骤如图1所示。圆柱形砝码4为待测砝码，体积为V_t，另外两个参考砝码体积分别为V₁和V₂。当下腔没有放入砝码时，初始容积为V₀，此时上下腔声压比为R₀。

第一步，将被测体积放入下腔2中，扬声器8发出声波信号，采集声压时域信号，进行频谱分析，获取与扬声器驱动频率相同的频率对应的声压幅值，计算上腔、下腔的声压比为R_t，满足式2所示的关系：

$V_t=V_0(1-\frac{R_t}{R_0})---\left(2\right)$

第二步，打开腔体，将参考砝码甲放入下腔2，并重复测量声压步骤，测量得到相应的声压信号比为R₁，满足式3所示的关系：

$V_1=V_0(1-\frac{R_1}{R_0})---\left(3\right)$

第三步，打开腔体，将参考砝码乙放入下腔，并重复测量声压步骤，测量得到相应的声压信号比为R₂，满足式4所示的关系：

$V_2=V_0(1-\frac{R_2}{R_0})---\left(4\right)$

方程2-4中，参考砝码甲、乙的体积值V₁和V₂已知，R_t、R₁、R₂通过测量得到，而待测砝码体积V_t、下腔的初始容积V₀、下腔为空腔时测量的上下腔声压比值R₀为未知参数；联立方程组后，消去下腔的初始容积V₀和下腔为空腔时测量的上下腔声压比值R₀，即得到待测体积V_t的值，如式5所示：

$V_t=(V_2-V_1)\frac{R_1-R_t}{R_1-R_2}+V_1---\left(5\right)$

本发明提出的方法相对于传统声学体积测量方法的优势在于，消除了信号发生器谐波和扬声器内部反射干扰的影响。本发明采用廉价的信号发生器和扬声器，谐波的存在不影响测量结果的准确性。

Claims (8)

1.一种基于频谱分析的非接触式体积测量方法，其特征在于，所述方法的步骤包括：

步骤1、设置双测量腔体，中间通过旁通孔相连；

步骤2、将待测砝码放入步骤1中的测量腔体的下腔；

步骤3、将步骤1中的测量腔体放于底座上，保持下腔封闭；

步骤4、采用单一频率驱动扬声器发声；

步骤5、对步骤1中的两个测量腔体进行声压测量，分别得到两段时长5s的声压时域信号；

步骤6、对步骤5中的时域信号进行频谱分析，计算上下腔体声压幅值的比值；

步骤7、把测量腔体打开，把步骤2的待测砝码取出；

步骤8、重复步骤2至6，再测量两个参考砝码的上下腔体声压比值。

2.根据权利要求1所述的一种基于频谱分析的非接触式体积测量方法，其特征在于，步骤6中对时域信号进行频谱分析的数据处理方法是获取与扬声器驱动频率相同的频率对应的声压幅值。

3.根据权利要求1所述的一种基于频谱分析的非接触式体积测量方法，其特征在于，步骤4中采用单一频率的正弦波驱动扬声器发出声波，声波对上腔体和下腔体交替产生空气体积压缩和拉伸，形成声压信号，声压信号被传声器转化为电压信号，后经信号放大器放大，并传输到数据采集卡进行模拟数字转换，最后被计算机读取。

4.根据权利要求1所述的一种基于频谱分析的非接触式体积测量方法，其特征在于，所述步骤6中计算上下腔的声压幅值的比值为R_t，

$V_t=V_0(1-\frac{R_t}{R_0})$

其中，V₀为下腔的初始容积，V_t为待测体积值，R₀为下腔为空腔时测量的上下腔声压比值。

5.根据权利要求1所述的一种基于频谱分析的非接触式体积测量方法，其特征在于，所述步骤8的具体过程为

将参考砝码甲放入下腔，并重复测量步骤2-6，测量求得参考砝码甲的声压幅值比为R₁，其中，V₁为已知参考砝码甲的体积值；

将参考砝码乙放入下腔，并重复测量步骤2-6，测量求得参考砝码乙的声压幅值比为R₂，其中，V₂为已知参考砝码乙的体积值；

求得待测砝码V_t的值，

6.根据权利要求1所述的一种基于频谱分析的非接触式体积测量方法，其特征在于：所述待测砝码和参考砝码的形状和外表面积不相同。

7.一种权利要求1所述方法的基于频谱分析的非接触式体积测量装置，其特征在于，所述测量装置包括上腔(7)和下腔(2)两个测量腔体；上腔(7)和下腔(2)内各有一个传声器，传声器通过传声器接口(5)插入各腔体里面；上腔(7)和下腔(2)共用一个扬声器(8)；上腔(7)和下腔(2)通过扬声器座(6)相连，下腔(2)放置于底座(1)上时，与底座(1)结合形成密闭的测量腔体，在扬声器座(6)上设有旁通孔；扬声器(8)放置在扬声器座(6)上；待测砝码(4)即待测体积放置在下腔(2)中，且待测砝码(4)放置在垫片(3)上，通过扬声器(8)分别对上腔(7)和下腔(2)交替产生体积压缩和拉伸，通过各自的传声器采集声压时域信号。

8.根据权利要求7所述的体积测量方法中的测量装置，其特征在于：所述测量腔体的横截面为圆形。