CN113358176A

CN113358176A - 一种容器内容物的体积测量方法、装置、测量设备及介质

Info

Publication number: CN113358176A
Application number: CN202110610586.3A
Authority: CN
Inventors: 葛林飞; 张进
Original assignee: Southwest University of Science and Technology
Current assignee: Southwest University of Science and Technology; Southern University of Science and Technology
Priority date: 2021-06-01
Filing date: 2021-06-01
Publication date: 2021-09-07

Abstract

本发明实施例公开了一种容器内容物的体积测量方法、装置、测量设备及介质。该方法包括：向容器内部发出一段由多个频率成分组成的第一声音信号；接收容器传来的第二声音信号，所述第二声音信号为容器内部空气因所述第一声音信号产生振动发出的声音信号；对所述第二声音信号进行傅里叶变换处理，以得到信号频谱；从所述信号频谱中确定峰值对应的频率；根据预先测量的容器剩余容积与峰值频率的关系、以及已知的容器总容积，计算得到容器内容物的体积。本发明实施例的技术方案，通过利用声波共振原理，求出回波峰值频率所对应的容器内空气的体积，在已知容器总容积的情况下，计算出容器内内容物的体积。

Description

一种容器内容物的体积测量方法、装置、测量设备及介质

技术领域

本发明实施例涉及容器测量领域，尤其涉及一种容器内容物的体积测量方法、装置、测量设备及介质。

背景技术

如何快速准确的测量容器内容物体积是一个重要问题。通常来说，我们需要取出内容物并使用度量设备进行测量，但是一些情景下并不能这么做，如智能水杯领域，我们希望能够方便的测量水杯中水的体积，进而实现指导用户饮水的功能。现在已有一些智能水杯水量检测方法：

1、在杯盖上放置超声波测距模块测量水杯内液面高度，进而得到水量数据。这种方法的精度依赖于容器的形状，对于复杂形状的容器，此种方法精度较低，因此基于液面高度求解水量的方法局限性较大。

2、在水杯上加装陀螺仪模块，在用户饮水时测量倾斜角度，利用水平面与杯口相平的前提，测量水量。此方法基于用户饮水时液面与杯口相平的假设来求水量，但上述假设并不可靠，不同用户的饮水习惯有差异，因此普适性较差。

3、在水杯底部放置压力传感器，通过测量重量得到水量。此种方法需要增加压力传感器，且只能在水平桌面上测量水量，成本高且不易使用。

相比于目前的传统测量方法，亟需一种全新的测量方法，以提高测量的易用性，增加普适性并降低成本。

发明内容

本发明实施例提供一种容器内容物的体积测量方法、装置、测量设备及介质，以解决容器内内容物体积的测量问题，相比于传统方法，使用了新的共振原理求解体积。

第一方面，本发明实施例提供了一种容器内容物的体积测量方法，包括：

向容器内部发出一段由多个频率成分组成的第一声音信号；

接收容器传来的第二声音信号，所述第二声音信号为容器内部空气因所述第一声音信号产生振动发出的声音信号；

对所述第二声音信号进行傅里叶变换处理，以得到信号频谱；

从所述信号频谱中确定峰值对应的频率；

根据预先测量的容器剩余容积与峰值频率的关系、以及已知的容器总容积，计算得到容器内容物的体积。

可选的，在向容器内部发出一段由多个频率成分组成的第一声音信号之前，还包括：

在容器为空和容器为满中间，均匀取多个剩余容积并测量对应的峰值频率，拟合这些数据得到一个描述剩余容积和峰值频率关系的曲线。

可选的，所述容器为圆柱体容器，在向容器内部发出一段由多个频率成分组成的第一声音信号之前，还包括：

根据如下公式确定容器剩余容积与峰值频率的关系：

其中，V为容器剩余容积，v_s为声速，f为峰值频率，S为容器底面积。

可选的，所述第一声音信号为高斯白噪声或者调频连续波。

可选的，所述向容器内部发出一段由多个频率成分组成的第一声音信号，包括：

从容器顶盖或未被内容物没过的边缘发出一段由多个频率成分组成的第一声音信号。

可选的，所述容器内容物包括液体、粉末和细小颗粒固体中的一种或多种。

第二方面，本发明实施例还提供了一种容器内容物的体积测量装置，包括：

发声单元，用于向容器内部发出一段由多个频率成分组成的第一声音信号；

传感单元，用于接收容器传来的第二声音信号，所述第二声音信号为容器内部空气因所述第一声音信号产生振动发出的声音信号；

变换单元，用于对所述第二声音信号进行傅里叶变换处理，以得到信号频谱；

峰值单元，用于从所述信号频谱中确定峰值对应的频率；

计算单元，用于根据预先测量的容器剩余容积与峰值频率的关系、以及已知的容器总容积，计算得到容器内容物的体积。

可选的，所述装置还包括：

匹配单元，用于在容器为空和容器为满中间，均匀取多个剩余容积并测量对应的峰值频率，拟合这些数据得到一个描述剩余容积和峰值频率关系的曲线。

第三方面，本发明实施例还提供了一种测量设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述实施例中任一所述的容器内容物的体积测量方法。

第四方面，本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述实施例中任一所述的容器内容物的体积测量方法。

本发明实施例的技术方案，通过利用声波共振原理，求出回波峰值频率所对应的容器内空气的体积，在已知容器总容积的情况下，计算出容器内内容物的体积。

附图说明

图1是本发明实施例一中的一种容器内容物的体积测量方法的流程示意图；

图2是本发明实施例一中的扬声器发出的声波的信号图；

图3是本发明实施例一中的麦克风接收的声波的信号图；

图4是本发明实施例一中的对收到的声波进行傅里叶变换的频谱图；

图5是本发明实施例一中的对频谱图进一步处理得到的频率分布图；

图6是本发明实施例一中的容器剩余容积和峰值频率关系的拟合曲线图；

图7(a)-7(c)是本发明实施例一中的示例性的不同水量的频率分布图；

图8是本发明实施例二中的一种容器内容物的体积测量装置的结构示意图；

图9是本发明实施例三中的一种测量设备的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

在更加详细地讨论示例性实施例之前应当提到的是，一些示例性实施例被描述成作为流程图描绘的处理或方法。虽然流程图将各步骤描述成顺序的处理，但是其中的许多步骤可以被并行地、并发地或者同时实施。此外，各步骤的顺序可以被重新安排。当其操作完成时所述处理可以被终止，但是还可以具有未包括在附图中的附加步骤。所述处理可以对应于方法、函数、规程、子例程、子程序等等。

此外，术语“第一”、“第二”等可在本文中用于描述各种方向、动作、步骤或元件等，但这些方向、动作、步骤或元件不受这些术语限制。这些术语仅用于将第一个方向、动作、步骤或元件与另一个方向、动作、步骤或元件区分。举例来说，在不脱离本申请的范围的情况下，可以将第一速度差值称为第二速度差值，且类似地，可将第二速度差值称为第一速度差值。第一速度差值和第二速度差值两者都是速度差值，但其不是同一速度差值。术语“第一”、“第二”等不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

实施例一

图1为本发明实施例一提供的一种容器内容物的体积测量方法的流程示意图，本发明实施例可适用于容器内容物体积测量的情况。本发明实施例的方法可以由一种容器内容物的体积测量装置来执行，该装置可以由软件和/或硬件的方式实现，并一般可集成于测量设备中。参照图1，本发明实施例的容器内容物的体积测量方法，具体包括如下步骤：

步骤S110、向容器内部发出一段由多个频率成分组成的第一声音信号。

具体的，在生活中，当向大容积小开口的水瓶中倒水时，可以听到逐渐尖锐的水声，这就是容器中空气体积的变化引发了共振频率的变化。亥姆霍兹共振用来描述空气在一个腔中的共振现象，如在一个瓶子的瓶口吹气所引发的共振。简要来说，在一个密闭容器中，一定体积的空气会引发某个频率声音的共振，体积越小，共振频率越高。

在本实施例中，容器内容物包括但不限于液体、粉末和细小颗粒固体等容易占据容器底部的物质。本实施例以容器内容物为水为例，控制系统控制扬声器发出一段由各个频率组成的声波，如高斯白噪声或者调频连续波(Frequency Modulated ContinuousWave)，由于此声波具有各个频率上的震动成分，而容器中的空气会引发特定频率的共振，进而使这个频率上的声音强度更大。如图2所示，这里以高斯白噪声为例，生成一段包含各个频率的声波并通过扬声器发出，横轴为时间(点数)，纵轴为声音强度。

作为一可选实施例，所述向容器内部发出一段由多个频率成分组成的第一声音信号，包括：从容器顶盖或未被内容物没过的边缘发出一段由多个频率成分组成的第一声音信号。具体的，将这个系统装置放置于一个容器中，这里以水杯为例，内容物为水。装置放置于顶部，即杯盖下面，测量是需要盖上杯盖使容器密闭。

步骤S120、接收容器传来的第二声音信号，所述第二声音信号为容器内部空气因所述第一声音信号产生振动发出的声音信号。

具体的，如图3所示，在扬声器向容器内发出第一声音信号之后，麦克风接收容器反射传来的第二声音信号，麦克风收到的声波信号如图3所示，横轴为时间(点数)，纵轴为声音强度。

步骤S130、对所述第二声音信号进行傅里叶变换处理，以得到信号频谱。

具体的，如图4所示，控制系统记录麦克风传回的第二声音信号进行分析，通过对所接收的第二声音信号进行傅里叶变换处理，可以分析信号的频域部分，如图4所示，对收到的声波进行傅里叶变换的频谱图，横轴为频率，纵轴为某个频率上声音的强度。

步骤S140、从所述信号频谱中确定峰值对应的频率。

具体的，在得到信号频谱图之后，分析信号的频域部分，被加强的频率的强度会高于周围频率，进而形成一个峰值，如图5所示，可以看到在1200Hz附近强度很大，即发生了共振。进一步处理求得峰值对应的频率。

步骤S150、根据预先测量的容器剩余容积与峰值频率的关系、以及已知的容器总容积，计算得到容器内容物的体积。

首先，关于空气体积与共振频率的对应关系，由于容器形状和材质各不相同，我们并不能找出一个通用公式来描述空气体积与共振频率的对应关系。因此，我们使用实验测量的方式进行确定，即固定使用某个容器时，首先在容器为空和容器为满中间，均匀取多个剩余容积并测量对应的频率，拟合这些数据得到一个描述剩余容积和频率关系的曲线，用于后续过程，曲线如图6所示。

同样如图5所示，在从所述信号频谱中确定峰值对应的频率之后，利用之前测得的容器剩余容积与频率的关系，可以求得剩余容积以及水杯内水量。图5中已经标明了峰值对应的频率以及计算出的水杯内水量。

在本实施例中，不同的峰值对应不同的频率，如图7(a)-7(c)所示，给出几个不同水量的示例，峰值对应的频率越高，水量越多。

当容器内空气发声共振时，实际上是驻波效应引起的，驻波频率与容器形状相关，作为一可选实施例，在理想圆柱形容器中，频率与容器长度直接相关，对于形状为理想圆柱体的容器，共振频率由驻波产生，而第一驻波频率由圆柱形容器的长度决定。

对于所检测的第一阶驻波，容器长度与声波波长的关系为：

L为圆柱形容器长度，λ为声波波长。

而对于声波，

v_s＝f·λ

v_s为声速，f为频率

联立上述公式可得，

在理想圆柱体容器中，可用上述公式计算空气柱长度，进而，根据如下公式确定容器剩余容积与峰值频率的关系：

实施例二

本发明实施例所提供的一种容器内容物的体积测量装置可执行本发明任意实施例所提供的一种容器内容物的体积测量方法，具备执行方法相应的功能模块和有益效果，该装置可以由软件和/或硬件(集成电路)的方式实现，并一般可集成于测量设备中。图8是本发明实施例二中的一种容器内容物的体积测量装置的结构示意图。参照图8，本发明实施例的容器内容物的体积测量装置200具体可以包括：

发声单元210，用于向容器内部发出一段由多个频率成分组成的第一声音信号；

传感单元220，用于接收容器传来的第二声音信号，所述第二声音信号为容器内部空气因所述第一声音信号产生振动发出的声音信号；

变换单元230，用于对所述第二声音信号进行傅里叶变换处理，以得到信号频谱；

峰值单元240，用于从所述信号频谱中确定峰值对应的频率；

计算单元250，用于根据预先测量的容器剩余容积与峰值频率的关系、以及已知的容器总容积，计算得到容器内容物的体积。

可选的，所述装置200还包括：

根据如下公式确定容器剩余容积与峰值频率的关系：

可选的，所述第一声音信号为高斯白噪声或者调频连续波。

可选的，所述发声单元210还用于从容器顶盖或未被内容物没过的边缘发出一段由多个频率成分组成的第一声音信号。

实施例三

图9为本发明实施例三提供的一种测量设备的结构示意图，如图9所示，该测量设备包括处理器310、存储器320、扬声器330和麦克风340；测量设备中处理器310的数量可以是一个或多个，图9中以一个处理器310为例；测量设备中的处理器310、存储器320、扬声器330和麦克风340可以通过总线或其他方式连接，图9中以通过总线连接为例。

存储器320作为一种计算机可读存储介质，可用于存储软件程序、计算机可执行程序以及模块，如本发明实施例中的容器内容物的体积测量方法对应的程序指令/模块(例如，容器内容物的体积测量装置中的发声单元210、传感单元220、变换单元230、峰值单元240和计算单元250)。处理器310通过运行存储在存储器320中的软件程序、指令以及模块，从而执行测量设备的各种功能应用以及数据处理，即实现上述的容器内容物的体积测量方法。

也即：

向容器内部发出一段由多个频率成分组成的第一声音信号；

从所述信号频谱中确定峰值对应的频率；

当然，本发明实施例所提供的测量设备，其处理器不限于执行如上所述的方法操作，还可以执行本发明任意实施例所提供的容器内容物的体积测量方法中的相关操作。

存储器320可主要包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序；存储数据区可存储根据终端的使用所创建的数据等。此外，存储器320可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非易失性固态存储器件。在一些实例中，存储器320可进一步包括相对于处理器310远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至测量设备。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。

扬声器330可用于向容器内部发出一段由多个频率成分组成的第一声音信号。麦克风340可用于接收容器传来的第二声音信号，所述第二声音信号为容器内部空气因所述第一声音信号产生振动发出的声音信号。

实施例四

本发明实施例四还提供一种包含计算机可执行指令的存储介质，所述计算机可执行指令在由计算机处理器执行时用于执行一种容器内容物的体积测量方法，该方法包括：

向容器内部发出一段由多个频率成分组成的第一声音信号；

从所述信号频谱中确定峰值对应的频率；

当然，本发明实施例所提供的一种包含计算机可执行指令的存储介质，其计算机可执行指令不限于如上所述的方法操作，还可以执行本发明任意实施例所提供的容器内容物的体积测量方法中的相关操作。

本发明实施例的计算机可读存储介质，可以采用一个或多个计算机可读的介质的任意组合。计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或者计算机可读存储介质。计算机可读存储介质例如可以是——但不限于——电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括：具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、光纤、便携式紧凑磁盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。在本文件中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。

计算机可读的信号介质可以包括在基带中或者作为载波一部分传播的数据信号，其中承载了计算机可读的程序代码。这种传播的数据信号可以采用多种形式，包括但不限于电磁信号、光信号或上述的任意合适的组合。计算机可读的信号介质还可以是计算机可读存储介质以外的任何计算机可读介质，该计算机可读介质可以发送、传播或者传输用于由指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用的程序。

存储介质上包含的程序代码可以用任何适当的介质传输，包括——但不限于无线、电线、光缆、RF等等，或者上述的任意合适的组合。

可以以一种或多种程序设计语言或其组合来编写用于执行本发明操作的计算机程序代码，所述程序设计语言包括面向对象的程序设计语言—诸如Java、Smalltalk、C++，还包括常规的过程式程序设计语言—诸如“C”语言或类似的程序设计语言。程序代码可以完全地在用户计算机上执行、部分地在用户计算机上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算机上部分在远程计算机上执行、或者完全在远程计算机或终端上执行。在涉及远程计算机的情形中，远程计算机可以通过任意种类的网络——包括局域网(LAN)或广域网(WAN)—连接到用户计算机，或者，可以连接到外部计算机(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims

1.一种容器内容物的体积测量方法，其特征在于，包括：

向容器内部发出一段由多个频率成分组成的第一声音信号；

从所述信号频谱中确定峰值对应的频率；

2.根据权利要求1所述的容器内容物的体积测量方法，其特征在于，在向容器内部发出一段由多个频率成分组成的第一声音信号之前，还包括：

3.根据权利要求1所述的容器内容物的体积测量方法，其特征在于，所述容器为圆柱体容器，在向容器内部发出一段由多个频率成分组成的第一声音信号之前，还包括：

根据如下公式确定容器剩余容积与峰值频率的关系：

4.根据权利要求1所述的容器内容物的体积测量方法，其特征在于，所述第一声音信号为高斯白噪声或者调频连续波。

5.根据权利要求1所述的容器内容物的体积测量方法，其特征在于，所述向容器内部发出一段由多个频率成分组成的第一声音信号，包括：

6.根据权利要求1所述的容器内容物的体积测量方法，其特征在于，所述容器内容物包括液体、粉末和细小颗粒固体中的一种或多种。

7.一种容器内容物的体积测量装置，其特征在于，包括：

峰值单元，用于从所述信号频谱中确定峰值对应的频率；

8.根据权利要求7所述的容器内容物的体积测量装置，其特征在于，所述装置还包括：

9.一种测量设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现根据权利要求1-6中任一所述的容器内容物的体积测量方法。

10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现根据权利要求1-6中任一所述的容器内容物的体积测量方法。