CN107036688B - 一种基于超声检测技术的物品称重系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于超声检测技术的物品称重系统。本发明包括超声阵列模块，所述的超声阵列模块在宽度方向的聚焦，利用相控技术实现；通过相控技术实现声束在宽度方向偏转聚焦，以达到对船体进行扫描的目的，从而获取水下实船的三维形态；通过对比分析船上是否放置物体的三维形态，计算得到实船装载物品前后的排水量差，该差值即所放置物体的质量。本发明通过相控技术实现声束的偏转聚焦，达到扫描测量对象的目的，提高了扫描效率；利用声透镜可减小声束宽度，提高扫描分辨率。

Description

一种基于超声检测技术的物品称重系统

技术领域

本发明属于超声检测技术领域，具体涉及一种基于超声检测技术的物品称重系统。

背景技术

大型散装物品的称重，通常存在称重效率、称重精度和便捷操作等技术要求；加之，要完成大型散装物品的称重工作，将耗费大量的人力和物力，甚至不能够保证称重的有效性。

在该领域，诸多的研究人员提出了大量的称重方法或技术，甚至将光、声、电的相关性质或原理运用于物品称重，并进行试验。但是，上述提出的称重方法或技术，仍然不能有效地满足称重技术要求。就物品称重技术而言，亟待进行技术性提高，以满足当下的称重技术要求，从而提高此技术所带来的社会效益和经济效益，最终为从事物品称重的单位或人员提供技术支撑。

随着声纳探测技术、现代计算机技术、通讯技术等科学技术的迅猛发展，带动了水下测量技术突飞猛进的发展。水下探测声纳具有立体成像、实时性强、数据量大、点位密集、精度高等突出优点，能无接触地完成水下地形的三维测量，倘若能将水下探测声纳技术应用于散装物品的称重工作中，将会显著地提高称重的效率和准确度；这将是大型散装物品称重领域内的一大突破，具有重要的理论意义和应用价值。因此，研制一套称重效率高，称重效果良好的超声称重系统就显得尤为重要。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供了一种基于超声检测技术的物品称重系统。

为解决以上问题，本发明采用了以下技术手段：

本发明包括超声阵列模块，所述的超声阵列模块在宽度方向的聚焦，利用相控技术实现；通过相控技术实现声束在宽度方向偏转聚焦，以达到对船体进行扫描的目的，从而获取水下实船的三维形态；通过对比分析船上是否放置物体的三维形态，计算得到实船装载物品前后的排水量差，该差值即所放置物体的质量。

进一步说，所述的超声阵列模块包括声透镜，其实现超声阵列模块在长度方向的聚焦。

进一步说，所述的超声阵列模块的声源部分由32片并排设置的PZT压电陶瓷片构成，每片PZT压电陶瓷片长为120mm，宽为2.5mm；相邻两片PZT压电陶瓷片长的中心间距为3.0mm。

进一步说，超声阵列模块发射声波，每片PZT压电陶瓷片作为一个振元，利用相控技术使声束偏转聚焦，以实现声束对船体的扫描；其中的第四个阵元、第十二个阵元、第二十个阵元和第二十八阵元作为接收端，分别接收从同一扫描区域散射的回波信号。

进一步说，所述的超声阵列模块与控制箱相连；控制箱内包括网络接口模块、命令控制单元、时钟单元、采集模块、发射模块、供电单元、A/D转化模块、发射板接口驱动单元、前置放大模块和收发转换模块；该控制箱作为上位机和超声阵列模块的连接中枢，通过控制箱，可在上位机编辑任意硬件可实现的指令，控制另一端的超声阵列模块进行相关的操作。

进一步说，所述的上位机带有显示屏，声波信号的实时显示由LabVIEW编写显示窗口。

本发明的有益效果在于：通过相控技术实现声束的偏转聚焦，达到扫描测量对象的目的，提高了扫描效率；利用声透镜可减小声束宽度，提高扫描分辨率；声源为收发一体，操作便捷；下位机采用FPGA -Verilog 语言编写，将信号的收发模块、信号预处理模块和供电模块封装于控制箱中，简易明了，便于操作，从整体上提高了整个系统的操作便捷度。

附图说明

图1为系统结构与检测对象示意图。

图2为超声阵列外形结构图。

图3为阵列的纵向剖面图。

图4为超声阵列的几何结构图。

图5为超声扫描和回波接收示意图。

图6为控制箱结构图。

图7为操作流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

为了提高大型散装物品的测量准确度、测量效率。本发明结合超声探测技术在水下的优势，研制了一套基于超声相控技术的大型散装物品计重系统。系统结构与检测对象如图1所示，该系统由超声阵列模块（即换能器）、控制箱模块和PC机显示模块构成。超声阵列外形结构如图2所示，长215.5mm，宽60mm，高51.32mm，连接线缆的接插件直径90mm，高度65mm。

图3所示为阵列的剖面图，阵列内部结构由声透镜、32-PZT陶瓷元件，不锈钢外壳、铜、吸声材料、硬质泡沫和水密插件机构组成。声透镜是为了实现超声阵列长度方向的聚焦；32-PZT陶瓷元件构成了阵列声源，实现声线对船体扫面；不锈钢外壳起到保护作用；铜片具有一定的厚度，其上加工32个凹槽，以安放32-PZT陶瓷元件；吸声材料主要是吸收声源内部反向辐射声波和反射声波，以消除对声源正向辐射声场的干扰；硬质泡沫起支撑和保护作用；水密插件机构不仅将声源和线缆连接，以确保声波信号的有效传输，还起到密闭防水的作用。

图4所示为超声阵列的几何结构，由32片PZT压电陶瓷片构成，阵元长120mm，宽2.5mm，中心间距3.0mm。该超声阵列声源在宽度方向（同阵元的宽度方向一致）的聚焦，利用相控技术实现，而长度方向利用声透镜实现声束聚焦。将声透镜与阵列声源结合，能够保证阵列长度方向有效聚焦。通过相控技术实现声束在宽度方向偏转聚焦，以达到对船体进行扫描的目的。

超声扫描和回波接收的具体实施如图5所示，声波发射32阵元发射声波，利用相控技术使声束偏转聚焦，以实现声束对船体的扫描；4#阵元、12#阵元、20#阵元和28#阵元作为接收端，分别接收从同一扫描区域散射的回波信号。只要预先设定好扫描区域，扫描间隔（声束偏转位移），即可实现对整个水下船体的扫描和对应区域处散射回波信号的接收。

控制箱如图6所示，主要包括网络接口模块、命令控制、时钟单元、采集模块、发射模块、供电单元、A/D转化模块、发射板接口驱动单元、前置放大模块和收发转换模块等。

（1）网络接口是上位机与下位机实现交互的通道，上位机的一切指令均通过网络接口传输至下位机，下位机采集的信号也是通过该网络接口传输至上位机，以通过上位机处理所接收的回波信号。网络接口采用UDP通讯协议，进行上位机与下位机的交互。

（2）命令控制单元，接收由上位机通过网络接口传输的上位机指令以及有供电单元和时钟单元输入的指令以传输到相应的模块单元，达到对模块单元的有效控制的目的。

（3）时钟单元通过晶振的振荡，产生时间脉冲，实现定时，最终通过时间去控制各模块有序的工作和运行。

（4）供电单元为控制箱中各模块供电，电源按照电压的大小分类有：3.3V电源，5V电源、12V电源和24V电源四种，以保障各模块正常运行。

（5）采集模块连接着网络接口、A/D转换模块和发射控制模块，通过A/D转换模块和发射控制模块控制采集模块的对所接收的回波信号进行采集，通过网络接口传输至上位机。在采集模块上进行数据采集时，必须对数据进行预处理，预处理包括，滤波、放大等，滤波的目的是消除有效信号所携带的噪声信号，放大是将所接收的微弱有用信号进行放大。

（6）A/D转换模块将接收的模拟信号转换为数字信号以供采集模块采集。

（7）由于所接收的模拟信号通常都很微弱，需要进行放大。因此，前置放大模块将未进行A/D转换的模拟信号放大，以进行A/D转换。

（8）发射板接口驱动单元连接发射板，驱动发射板，通过收发转换，控制信号的发射或接收。

（9）该系统的收发集为一体，增加了收发转换模块，以保证信号的发射和接收，有序进行，发射端和接收端独立地由不同的电源供电。

控制箱集成了信号的发射接收、相控、数据采集和信号通讯等模块，以FPGA-Verilog语言作为下位机的编程语言，实现上述硬件的功能，大大地减少了硬件的开支。该控制箱作为上位机和超声阵列声源的连接中枢，通过控制箱，可在上位机编辑任意硬件可实现的指令，控制另一端的超声阵列声源系统进行相关的操作。

在上位机该系统所采用的PC机的配置，CPU：Intel酷睿四核i5-4590的；显示器：19.5寸宽屏LED液晶显示器；内存：4GB；硬盘：1TB；显卡：NVIDIA K420图形专业显卡。在PC机上，主要包括实时显示声波信号、编写相应的下位机指令、编写数据的传输指令、存储采集的回波数据和集中系统操作界面等功能。

声波信号的实时显示由LabVIEW编写显示窗口，下位机指令采用FPGA-Verilog语言编写，通过LabVIEW数据的传输指令和系统的操作界面，该系统采用FPGA和LabVIEW分别对下位机和上位机进行程序编写，控制上位机和下位机的交互与数据传输。

整套系统的工作流程如图7所示：

（1）以实船（空载和装载测量物品两种情况）作为扫描对象。

（2）设置扫描参数：包括扫描点数、扫描间隔，通过相控时延控制以及声源的移动步长。

（3）保持实船位置不变，逐点扫面，以确保声源刚好能够扫描完单条线上的点，并通过接收端接收回波信号。

（4）在完成声源偏转范围覆盖的区域的基础上，根据（2）所设定的参数，按照（2）所设定的步长，移动声源，以相同扫描条件进行扫描，再相应地接收对应的回波信号。

（5）当扫描完待测区域后，对回波信号进行预处理和分析，包括加窗平滑处理，接着在所处理的时域信号中，提取时延特征值。

（6）通过（5）中所提取的时延特征值，利用度越时间法计算声源距各扫描点的距离，通过坐标变换，得到各扫描点的位置坐标，再结合模型构建的相关算法，获取水下实船的三维形态，并将其显示于上位机界面。

（7）对比性地分析船上是否放置物体的三维形态，计算得到实船装载物品前后的排水量差，利用阿基米德原理，该差值即所放置物体的质量，从而达到超声计重的目的。

（8）将（6）和（7）获得的结果以界面的形式显示于PC端，完成整体的称重工作。

Claims (4)

1.一种基于超声检测技术的物品称重系统，包括超声阵列模块，其特征在于：所述的超声阵列模块在宽度方向的聚焦，利用相控技术实现；通过相控技术实现声束在宽度方向偏转聚焦，以达到对船体进行扫描的目的，从而获取水下实船的三维形态；通过对比分析船上是否放置物体的三维形态，计算得到实船装载物品前后的排水量差，该差值即所放置物体的质量；

所述的超声阵列模块包括声透镜，其实现超声阵列模块在长度方向的聚焦；

所述的超声阵列模块的声源部分由32片并排设置的PZT压电陶瓷片构成，每片PZT压电陶瓷片长为120mm，宽为2.5mm；相邻两片PZT压电陶瓷片长的中心间距为3.0mm；

超声阵列模块发射声波，每片PZT压电陶瓷片作为一个振元，利用相控技术使声束偏转聚焦，以实现声束对船体的扫描；其中的第四个阵元、第十二个阵元、第二十个阵元和第二十八阵元作为接收端，分别接收从同一扫描区域散射的回波信号。

2.根据权利要求1所述的一种基于超声检测技术的物品称重系统，其特征在于：所述的超声阵列模块与控制箱相连；控制箱内包括网络接口模块、命令控制单元、时钟单元、采集模块、发射模块、供电单元、A/D转化模块、发射板接口驱动单元、前置放大模块和收发转换模块；该控制箱作为上位机和超声阵列模块的连接中枢，通过控制箱，可在上位机编辑任意硬件可实现的指令，控制另一端的超声阵列模块进行相关的操作。

3.根据权利要求2所述的一种基于超声检测技术的物品称重系统，其特征在于：所述的上位机带有显示屏，声波信号的实时显示由LabVIEW编写显示窗口。

4.一种基于超声检测技术的物品称重方法，使用权利要求1所述的系统，其特征在于：

以实船作为扫描对象；

设置扫描参数：包括扫描点数、扫描间隔以及声源的移动步长；

保持实船位置不变，逐点扫面，以确保声源刚好能够扫描完单条线上的点，并通过接收端接收回波信号；

在完成声源偏转范围覆盖的区域的基础上，根据所设定的步长，移动声源，以相同扫描条件进行扫描，再相应地接收对应的回波信号；

当扫描完待测区域后，对回波信号进行预处理和分析，包括加窗平滑处理，接着在所处理的时域信号中，提取时延特征值；

通过所提取的时延特征值，利用度越时间法计算声源距各扫描点的距离，通过坐标变换，得到各扫描点的位置坐标，再结合模型构建的相关算法，获取水下实船的三维形态，并将其显示于上位机界面；

对比性地分析船上是否放置物体的三维形态，计算得到实船装载物品前后的排水量差，利用阿基米德原理，该差值即所放置物体的质量，从而达到超声计重的目的。