CN108414111A - 基于声学技术的粮仓储物温度场测量装置及其方法 - Google Patents

Abstract

一种基于声学技术的粮仓储物温度测量装置及其方法，包括空心管道、声波导管、声波发生器、声波传感器、信号调理器、功率放大器、接线盒、输入/输出设备、工控机；其中空心管道表面开有小孔，空心管道内介质温度通过经过小孔的空气流动与粮食储物温度相平衡；声波发生器通过声波导管安装在空心管道，声波传感器沿空心管道根据精度要求间隔一定距离依次布置，从而形成多段声波测量路径；声波发生器先后发出固定频率的声波，声波信号经过传感器、信号调理器、接线盒、输入/输出设备传递给工控机；工控机将接收到的信号进行计算和分析，得出测量结果。该技术采用非接触式测量方式，可应用于高低温环境，且装置安装维护方便，线路简单，测量精度高。

Description

基于声学技术的粮仓储物温度场测量装置及其方法

技术领域

本发明属于温度测量技术领域，尤其涉及一种基于声学技术的粮仓储物温度场测量装置及其方法。

背景技术

各个国家为了保证在战争、灾荒以及其他突发性事件期间国民日常所需的粮食能够充足供应，都会在各地的粮仓中储存有大量粮食以备不时之需。但是大规模集中的储存方式也容易导致粮食的质量参差不齐，特别是由于仓内温度的变化，会造成粮食变质发霉。当温度偏高，粮食会进行发酵反应产生水和酒精；当温度偏低，粮食的表面水分增加，当粮食湿度达到一定上限时则会开始发生霉变现象。

目前粮仓的温度测量方式通常是将多根测温电缆插入储物中，用以测量不同不同深度和不同位置的储物温度，而且同时为了保证覆盖区域的充足，往往测温电缆的数量会达到几十根甚至上百根，这就引起测温线缆布置困难、难以维护等问题，此外储物倒仓时机械破坏线缆、霉变鼠害损坏线缆等事件也时有发生。

发明内容

针对上述背景技术中提到目前对于粮仓储物温度场测量的不足，本发明提出一种基于声学技术的粮仓储物温度场测量装置及其方法。

本发明一方面提出一种基于声学技术的粮仓储物温度场测量装置，包括：空心管道、声波导管、声波发生器、声波传感器、功率放大器、信号调理器、接线盒、输入/输出设备、工控机，其特征在于：所述声波导管一端安装在所述空心管道上，另一端和所述声波发生器连接；沿所述空心管道间隔一定距离依次布置第1—n个声波传感器M_1-n；其中n＝1,2,3,…,N，从而形成多段声波路径；所述声波发生器先后发出固定频率的声波信号，所述声波传感器将接收到的声波信号传递给所述信号调理器，通过所述输入/输出设备传递给所述工控机；所述工控机将接收到的声波信号进行计算和分析，并经过整理得到粮仓储物温度场信息。

进一步，声波传感器M_1-n根据测量精度要求确定安装的数量，其中n为正整数。

进一步，空心管道测温段表面开有小孔，小孔直径以粮食储物不能进入空心管道为标准，空心管道内介质温度通过经过小孔的空气流动与粮食储物温度相平衡。

本发明的另一方面提出一种基于声学技术的粮仓储物温度场测量方法，包括：

1)以声波传感器不失真地接收到声波信号为前提在粮仓结构上布置本发明提出的一种基于声学技术的粮仓储物温度场测量装置对粮仓储物温度场进行重建；

2)声波发生器产生伪随机信号中的m序列声波信号；

3)计算声波信号在两个声波传感器之间的飞渡时间τ：对于两个声波传感器接收到的声波信号的时延值，采用时延估计算法得到不同时间声波信号形成的互相关函数达到最大峰值所对应的时间延迟，即为声波信号在两个声波传感器之间的飞渡时间τ；

4)计算两个传感器之间气体介质的平均温度t：

相邻两个传感器之间的距离为L，粮仓内气体介质的气体常数为Z。

进一步，采用时延估计算法得到不同时间声波信号形成的互相关函数达到最大峰值所对应的时间延迟为：

假设某两个声波传感器接收到的声波信号的数字模型如下：

式中：x₁(n)、x₂(n)分别为声波传感器1和2接收到的声波信号函数；s(n)为声源信号函数；w₁(n)和w₂(n)分别为2个声波传感器接收到的高斯白噪声函数；D为2个声波传感器之间的相对时间延迟；α为声波相对衰减系数；

假设s(n)、w₁(n)和w₂(n)为互不相关的平稳随机过程，则x₁(n)和x₂(n)的二次相关函数为：

上述式子可转换为：

R_RR(τ)＝αR_Rs(τ-D)

令α＝1，则R_RR(τ)＝R_Rs(τ-D)为信号s(n)的二次相关函数，由相关函数性质可知，R(τ-D)≤R(0)，当τ＝D时，R_RR(τ)取得最大值，计算两声波传感器收到的信号的互相关函数求出峰值出现的时刻，则该时刻就是对应的时间延迟D。

更进一步，通过二次相关PHAT-β算法来得到时间延迟，具体为通过求相邻两个声波传感器得到的信号的自相关函数和互相关函数之间的互功率谱，并在频域内给予一定的加权，来对声波信号和背景噪声进行白化处理，增强信号中信噪比比较高的频率成分，从而抑制噪声的影响，再将结果通过傅里叶逆变换到时域，得到两信号之间的广义互相关函数，其表达式为：

式中：ψ₁₂(ω)为广义互相关加权函数，为以及之间的互功率谱；权函数

本发明的有益效果为：非接触式测量，不直接与粮食储物接触；可应用于高低温、复杂的环境；安装维护方便，线路布置简单，设备成本较低；可以根据粮仓结构和测量精度要求调整传感器数量，测量精度高，灵敏性好。

附图说明

图1为本发明的一种基于声学技术的粮仓储物温度测量装置的声波发生器和声波传感器布置图；

图2为本发明的信号处理流程图；

图3为本发明的信号m序列制取原理；

图4为本发明的测量路径平面示意图；

图5为本发明的PHAT-β算法的计算流程。

具体实施方式

本发明提出一种基于声学技术的粮仓储物温度测量装置及其方法，下面根据附图对本发明作进一步详细说明。

如图1所示为粮仓储物温度场测量装置的声波发生器和传感器布置图。该粮仓储物温度场测量装置包括空心管道4、声波导管2、声波发生器1、声波传感器3、功率放大器、信号调理器、接线盒、输入/输出设备、工控机和相关线路连接组成；其中空心管道4测量段表面开有小孔5，空心管道4内介质温度通过经过小孔5的空气流动与粮食储物温度相平衡；声波导管2一端安装在空心管道4顶端四周；声波导管2的另一端和声波发生器1连接；沿空心管道4测量段间隔一定距离依次布置第1—第n个声波传感器M_1-n；其中n＝1,2,3,…,N，从而形成多段声波路径；声波传感器M_1-n根据测量精度的要求来确定安装的数量；其中n为正整数。声波发生装置先后发出固定频率的声波信号，声波传感器3将接收到的信号传递给信号调理器，通过输入/输出装备传递给工控机；工控机将接收到的信号进行计算和分析，并经过整理得到相应温度场信息。

如图2所示，声波传感器M_1-n的输出与信号调理器连接，信号调理器通过接线盒、输入/输出设备与工控机连接，声波发生器与功率放大器连接，功率放大器通过接线盒、输入/输出设备与工控机连接。工控机发出的声波信号转换成模拟信号后，通过功率放大器放大输出至声波发生器，声波发生器发射出声波信号，声波传感器接收到声波信号后通过信号调理器、接线盒和输入/输出设备将采集到的数据传输到工控机内，工控机利用LabVIEW对采集的数据进行分析和处理得到声波飞渡时间，从而计算得到温度场信息。声波传感器M_1-n根据测量精度要求确定安装的数量。声波发生装置和声波传感器的布置应根据粮仓结构来选择，以声波传感器能够不失真地接收到声波信号为前提，并以能够有效地测量不同区域的温度为目标，从而准确地对温度场进行重建；运用A/D转换，数值滤波技术，快速傅里叶变换和阿达玛变换等数值信号处理技术，可以大幅提升整个测量过程的速度。

声波发生器产生的声源信号为伪随机信号中的m序列。如果一个序列，一方面它是可以预先确定的，并且可以重复生产和复制的；另一方面它又具有某种随机序列的随机特性(即统计特性)，这种序列便为伪随机序列。m序列制取原理如图3，当反馈移位寄存器的联级多项式f(x)＝1+c₁x+c₂x²+c₃x³+……+c_nxⁿ为本原多项式时，输出即为m序列。m序列是一种周期序列，具有很好的均衡性、自相关性和抗噪能力。由于输入的m序列信号与待测系统的背景噪声是不相关的，便可通过多次测量平均等手段来减少背景噪声的影响。一般来讲，在信噪比低于-20dB的环境中仍可以用这种方法来进行有效的测量；而常规的方法要求信噪比不小于10dB。利用信号处理的方法将m序列信号的频带变窄。

如图4所示，应用声波飞渡时间时延估计算法，设相邻两个传感器之间的距离为L(m)，空心管道测量段内气体介质的气体常数为Z，当声波发生器发出声波信号后，声波经过上述两个传感器的飞渡时间为τ(ms)，则两个传感器之间气体介质的平均温度t(℃)为：

如图5所示为二次相关PHAT-β算法流程，先求得原始信号x₁(n)的自相关函数以及x₁(n)与x₂(n)的互相关函数再对这二者进行快速傅里叶变换得到频谱，取共轭相乘，经过PHAT-β加权，进行反傅里叶变换得到两路信号的互相关函数，通过检测广义互相关函数的峰值，即可得到传感器接收到的信号的时延值。

传感器接收到的信号的时延值，采用时延估计算法得到不同时间信号形成的互相关函数达到最大峰值所对应的时间延迟，即为声波信号经过两个传感器的飞渡时间τ；

假设某两个声波传感器接收到的声波信号的数字模型如下：

式中：x₁(n)、x₂(n)分别为声波传感器1和2接收到的声波信号函数；s(n)为声源信号函数；w₁(n)和w₂(n)分别为2个声波传感器接收到的高斯白噪声函数；D为2个接收器之间的相对时间延迟；α为声波相对衰减系数；

假设s(n)、w₁(n)和w₂(n)为互不相关的平稳随机过程，则x₁(n)和x₂(n)的二次相关函数为：

上述式子可转换为：

R_RR(τ)＝αR_Rs(τ-D)

令α＝1，则R_RR(τ)＝R_Rs(τ-D)为信号s(n)的二次相关函数，由相关函数性质可知，R(τ-D)≤R(0)，当τ＝D时，R_RR(τ)取得最大值，计算两传声器收到的信号的互相关函数求出峰值出现的时刻，则该时刻就是对应的时间延迟D。

对声源信号和背景噪声进行白化处理，通过求相邻两个传感器得到的信号的自相关函数和互相关函数之间的互功率谱，并在频域内给予一定的加权，来对声源信号和背景噪声进行白化处理，增强信号中信噪比比较高的频率成分，从而抑制噪声的影响，再将结果通过傅里叶逆变换到时域，得到两信号之间的广义互相关函数，其表达式为：

式中：ψ₁₂(ω)为广义互相关加权函数，为以及之间的互功率谱；

若取权函数

则称之为二次相关PHAT-β算法，二次相关PHAT-β算法时延估计峰值尖锐，具有较强的抗混响与抗噪能力。

通过上述方法能够及时整体反馈粮仓储物温度场变化情况，便于调节和控制。

Claims (6)

1.一种基于声学技术的粮仓储物温度场测量装置，包括：空心管道、声波导管、声波发生器、声波传感器、功率放大器、信号调理器、接线盒、输入/输出设备、工控机，其特征在于：所述声波导管一端安装在所述空心管道上，另一端和所述声波发生器连接；沿所述空心管道间隔一定距离依次布置第1—n个声波传感器M_1-n；其中n＝1,2,3,…,N，从而形成多段声波路径；所述声波发生器先后发出固定频率的声波信号，所述声波传感器将接收到的声波信号传递给所述信号调理器，通过所述输入/输出设备传递给所述工控机；所述工控机将接收到的声波信号进行计算和分析，并经过整理得到粮仓储物温度场信息。

2.根据权利要求1所述的一种基于声学技术的粮仓储物温度场测量装置，其特征在于，所述声波传感器M_1-n根据测量精度要求确定安装的数量，其中n为正整数。

3.根据权利要求1所述一种基于声学技术的粮仓储物温度场测量装置，其特征在于，所述空心管道测温段表面开有小孔，小孔直径以粮食储物不能进入空心管道为标准，空心管道内介质温度通过经过小孔的空气流动与粮食储物温度相平衡。

4.一种基于声学技术的粮仓储物温度场测量方法，包括：

1)以声波传感器不失真地接收到声波信号为前提在粮仓结构上布置如权利要求1-3任一项所述的一种基于声学技术的粮仓储物温度场测量装置对粮仓储物温度场进行重建；

2)声波发生器产生伪随机信号中的m序列声波信号；

3)计算声波信号在两个声波传感器之间的飞渡时间τ：对于两个声波传感器接收到的声波信号的时延值，采用时延估计算法得到不同时间声波信号形成的互相关函数达到最大峰值所对应的时间延迟，即为声波信号在两个声波传感器之间的飞渡时间τ；

4)计算两个传感器之间气体介质的平均温度t：

相邻两个传感器之间的距离为L，粮仓内气体介质的气体常数为Z。

5.根据权利要4所述的一种基于声学技术的粮仓储物温度场测量方法，其特征在于：采用时延估计算法得到不同时间声波信号形成的互相关函数达到最大峰值所对应的时间延迟为：

假设某两个声波传感器接收到的声波信号的数字模型如下：

式中：x₁(n)、x₂(n)分别为声波传感器1和2接收到的声波信号函数；s(n)为声源信号函数；w₁(n)和w₂(n)分别为2个声波传感器接收到的高斯白噪声函数；D为2个声波传感器之间的相对时间延迟；α为声波相对衰减系数；

假设s(n)、w₁(n)和w₂(n)为互不相关的平稳随机过程，则x₁(n)和x₂(n)的二次相关函数为：

上述式子可转换为：

R_RR(τ)＝αR_Rs(τ-D)

令α＝1，则R_RR(τ)＝R_Rs(τ-D)为信号s(n)的二次相关函数，由相关函数性质可知，R(τ-D)≤R(0)，当τ＝D时，R_RR(τ)取得最大值，计算两声波传感器收到的信号的互相关函数求出峰值出现的时刻，则该时刻就是对应的时间延迟D。

6.根据权利要5所述的一种基于声学技术的粮仓储物温度场测量方法，其特征在于通过二次相关PHAT-β算法来得到时间延迟，具体为通过求相邻两个声波传感器得到的信号的自相关函数和互相关函数之间的互功率谱，并在频域内给予一定的加权，来对声波信号和背景噪声进行白化处理，增强信号中信噪比比较高的频率成分，从而抑制噪声的影响，再将结果通过傅里叶逆变换到时域，得到两信号之间的广义互相关函数，其表达式为：

式中：ψ₁₂(ω)为广义互相关加权函数，为以及之间的互功率谱；权函数