CN111397697A - 一种水位超声检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种水位超声检测方法，所述方法包括如下步骤：获取接收点的超声信号得到超声信号能量值；获取发射点的连续信号与接收到的信号之间的相移值；根据超声信号能量值与相移；本发明在普遍采用不便于安装的压力传感器检测消防栓水位的情形下，采用超声检测，利用相移能量比的方法对加窗的低频连续超声信号进行分析，进而判定消防栓内部是否有水，降低了检测成本与安装难度，提高了检测精度。

Description

一种水位超声检测方法
技术领域
本发明涉及一种水位超声检测方法，属于超声无损技术领域。
背景技术
近年来，我国屡次遭受各类自然灾害的影响，火灾则是其中危害较大的灾害之一。据近几年数据统计，我国每年都会发生十几万起火灾事故，因此导致的直接经济损失高达几十亿元。消防栓对于火灾扑救起着极为重要的作用，以消防车为例，当消防车奔赴火灾现场时，由于其体积限制等原因，往往需要额外从消防栓中提取水源来应对火灾。随着人们消费水平的不断提高，我国建成了越来越多的高楼、大型商场，一旦发生不可控的火灾，那么造成的损失将无法估量。因此，消防栓作为消防活动中的水源供给处，其能否正常发挥作用影响着人们的生命安全以及财产保障。而消防栓的水位则是判断消防栓能否正常工作的主要依据，目前新生产的消防栓多在内部加装了压力传感器，可以感知消防栓内部水位情况，但目前市面上仍有上百万的老式消防栓无法在不破坏消防栓的前提下随时确定内部水位状况。
发明内容
本发明的目的在于提供一种水位超声检测方法，以解决现有技术中消防栓无法在不破坏消防栓的前提下随时确定内部水位的缺陷。
一种水位超声检测方法，所述方法包括如下步骤：
获取接收点的超声信号得到超声信号能量值；
获取发射点的连续信号与接收到的信号之间的相移值；
根据超声信号能量值与相移值求出相移能量比；
根据相移能量比得出阈值，测得的相移能量比与阈值进行比较进而判断出水位。
优选地，所述超声信号能量值计算采用短时能量法。
优选地，所述超声信号通过短时能量法进行处理，所述短时能量法包括如下步骤：
记录发出的超声信号开始检测到能量值的时间点开始以加窗的方式获得的信号进行分析，窗宽为超声信号的周期与超声信号周期个数的积；则短时能量的表达式为：
Figure BDA0002442399670000021
其中En为信号的短时能量，n为采样信号的个数，g(k)为信号的采样值。
优选地，所述超声信号阈值的设定方法包括如下步骤：
消防栓没有水时，接收端测出接收到的超声信号g1(t)与发出端激发的超声信号f(t)的相位差为ΔΨ1；消防栓内有水时，接收端测出接收到的超声信号g2(t)与发出端激发的超声波的相位差为ΔΨ2；
对短时能量与相移进行处理，得出相移能量比，公式如下：
Figure BDA0002442399670000022
其中，A为相移能量比，ΔΨ为接收到的超声信号与发送的超声信号的相移，En为接收到的超声信号的短时能量，γ为系数，与消防栓地管道材料以及环境温度因素有关；相应地，当消防栓没有水时，相移能量比为：
Figure BDA0002442399670000023
当消防栓内部有水时，相移能量比为：
Figure BDA0002442399670000024
由于水能够吸收较多的超声信号的能量，因此A1大于A2，取阈值为
Figure BDA0002442399670000031
优选地，所述超声信号为加窗的低频连续波。
优选地，所述消防栓两点的角度可调节安装。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：本发明在普遍采用不便于安装的压力传感器检测消防栓水位的情形下，采用超声检测，利用相移能量比的方法对加窗的低频连续超声信号进行分析，进而判定消防栓内部是否有水，降低了检测成本与安装难度，提高了检测精度。
附图说明
图1本发明水位检测方法的流程图；
图2本发明检测方法对应的装置结构图。
图中：1、装置主机，2、弹性连接电缆，3、外部陶瓷振子换能器，4、磁性匹配层，5、超声能量主要传递方向，6、超声能量次要传递方向。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
如图1-图2所示，公开了一种水位超声检测方法，包括如下步骤:
步骤一，获取接收点超声信号；设消防栓的一点即外部陶磁振子换能器3的所在位置为a点即发射点，取与之夹角为θ(图中为120°，θ可以调节，较为灵活，超声能量主要传递方向5始终为两个换能器较近的一段圆弧，超声能量次要传递方向6则为两个换能器较远的一段圆弧)的位置的点，为装置主机1b点，即接收点，装置主机1内置内部陶磁振子换能器用于接收信号，外部陶磁振子换能器3在a点，装置主机1通过弹性连接电缆2将低频连续电信号发送给外部陶磁振子换能器3，外部陶磁振子换能器3激发一组加窗的低频连续超声信号f(t)，设激发的时间为t0，超声信号经磁性匹配层4传播至消防栓表面，装置主机1的内部陶磁振子换能器在b点进行检测消防栓表面经磁性匹配曾传回来的超声信号；当消防栓内没有水时，b点采集到的信号记为g1(t)；当消防栓内部有水时，b点采集到的信号记为g2(t)；
步骤二，运用短时能量法对接收到的信号进行处理得到出超声信号总能量值；当a点没有超声信号时，b点接收到的信号只有环境噪声，环境噪音的能量值为：a点不发出超声信号时；b点采样的值此时检测到的能量值极小，a点激发出超声信号后，经过一段极短的时间，b点可以检测到较大的能量，记录b点刚开始出现较大能量值的时间点为t1，从t1点开始以类似加窗的方法获得的信号进行分析，窗宽为超声信号的周期与超声信号周期个数的积；则短时能量的表达式为：
Figure BDA0002442399670000041
其中En为信号的短时能量，n为采样信号的个数，g(k)为信号的采样值。
步骤三，获取发射点的连续信号与接收到的信号之间的相移值；消防栓没有水时，测出接收到的超声信号g1(t)与所激发的超声信号f(t)的相位差为ΔΨ1；消防栓内有水时，测出接收到的超声信号g2(t)与所激发的超声波的相位差为ΔΨ2；。
步骤四，根据超声信号能量值与相移值求出相移能量比；对短时能量与相移进行处理，得出相移能量比，公式如下：
Figure BDA0002442399670000042
其中，A为相移能量比，ΔΨ为接收到的超声信号与发送的超声信号的相移，En为接收到的超声信号的短时能量，γ为系数，与消防栓地管道材料以及环境温度等因素有关。
步骤五，根据相移能量比求阈值；相应地，当消防栓没有水时，相移能量比为：
Figure BDA0002442399670000051
当消防栓内部有水时，相移能量比为：
Figure BDA0002442399670000052
由于水能够吸收较多的超声信号的能量，因此A1远远大于A2，取阈值为
Figure BDA0002442399670000053
步骤六，测得的相移能量比与阈值进行比较进而判断出水位；通过以上步骤求得阈值后，在未知水位的情况下，通过以上步骤测得的消防栓内的相移能量比与步骤五中求出的阈值进行比较进而判断，当A>B时，则判定消防栓内部没有水，当A<B时，则判定消防栓内部有水。
在本实施例中，本发明超声激发探头与超声接受探头的角度可调，便于安装，可采用磁吸、耦合剂等方法将探头与消防栓进行连接。
在本实施例中，本发明采用加窗的低频连续超声信号，额定功率小于5w，作为一种优选，超声探头选用40kHz。
在本实施例中，本发明提供一种消防栓水位超声检测方法，采用超声检测，利用相移能量比的方法对加窗的低频连续超声信号进行分析，进而判定消防栓内部是否有水，降低了检测成本与安装难度，提高了检测精度。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种水位超声检测方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
获取接收点的超声信号得到超声信号能量值；
获取发射点的连续信号与接收到的信号之间的相移值；
根据超声信号能量值与相移值求出相移能量比；
根据相移能量比得出阈值，测得的相移能量比与阈值进行比较进而判断出水位。
2.根据权利要求1所述的水位超声检测方法，其特征在于，所述超声信号能量值通过短时能量法计算。
3.根据权利要求2所述的水位超声检测方法，其特征在于，所述超声信号通过短时能量法进行处理，所述短时能量法包括如下步骤：
记录发出的超声信号开始检测到比环境噪音大的能量值的时间点开始以加窗的方式获得的信号进行分析，窗宽为超声信号的周期与超声信号周期个数的积；则短时能量的表达式为：
Figure FDA0002442399660000011
其中En为信号的短时能量，n为采样信号的个数，g(k)为信号的采样值。
4.根据权利要求3所述的水位超声检测方法，其特征在于，所述超声信号阈值的设定方法包括如下步骤：
消防栓没有水时，接收端测出接收到的超声信号g1(t)与发出端激发的超声信号f(t)的相位差为ΔΨ1；消防栓内有水时，接收端测出接收到的超声信号g2(t)与发出端激发的超声波的相位差为ΔΨ2；
对短时能量与相移进行处理，得出相移能量比，公式如下：
Figure FDA0002442399660000012
其中，A为相移能量比，ΔΨ为接收到的超声信号与发送的超声信号的相移，En为接收到的超声信号的短时能量，γ为系数，与消防栓地管道材料以及环境温度因素有关；相应地，当消防栓没有水时，相移能量比为：
Figure FDA0002442399660000021
当消防栓内部有水时，相移能量比为：
Figure FDA0002442399660000022
由于水能够吸收较多的超声信号的能量，因此A1大于A2，取阈值为
Figure FDA0002442399660000023
5.根据权利要求1所述的水位超声检测方法，其特征在于，所述超声信号为加窗的低频连续波。
6.根据权利要求1所述的水位超声检测方法，其特征在于，所述消防栓两点的角度可调节安装。
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