CN203551042U - 一种适用粉尘环境的高精度声频料位仪 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种适用粉尘环境的高精度声频料位仪，包括单频调幅波发生功放、音头及号筒、信号滤波放大电路、AD采样电路和数字信号处理单元MCU，其中音头的输入端和输出端之间依次连接单频调幅波发生功放、数字信号处理单元MCU、AD采样电路、信号滤波放大电路，所述数字信号处理单元MCU还连接有温度采集电路。本实用新型的有益效果是：本实用新型采用较低频率声波作为测距手段，克服了超声波料位仪无法应用于粉尘环境的弊端，同时测距精度仍可以达到超声波料位仪的水平，拓展了声波料位仪在粉尘环境下的应用范畴。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种高精度声频料位仪，更具体说，它涉及一种适用粉尘环境的高精度声频料位仪。
背景技术
声波料位仪是一种应用在长距离和粉尘条件下的物料测距仪器，该仪器在国内尚处于空白阶段。目前国内的料位仪多是超声波料位仪，由于超声在空气中衰减快，粉尘穿透能力弱所以无法满足较长距离和粉尘环境应用的需求。声波料位仪采用较低频率的声波作为测距手段，声波频率低波长长，所以声波在空气中衰减慢，粉尘穿透能力强，适合于在长距离粉尘条件下工作。但是由于声波波长长，必将导致测距精度的降低。
发明内容
本实用新型的目的是克服现有技术中的不足，提供一种克服超声波料位计的缺点并且测距精度高的适用粉尘环境的高精度声频料位仪。
本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的。这种适用粉尘环境的高精度声频料位仪，包括单频调幅波发生功放、音头及号筒、信号滤波放大电路、AD采样电路和数字信号处理单元MCU，其中音头的输入端和输出端之间依次连接单频调幅波发生功放、数字信号处理单元MCU、AD采样电路、信号滤波放大电路，所述数字信号处理单元MCU还连接有温度采集电路。
作为优选：所述信号滤波放大电路包括：前级放大电路、带通滤波电路和后级放大电路，所述前级放大电路将音头传来的微弱信号进行一定幅度的放大，以使信号幅值满足模拟滤波处理要求；放大后的信号送入4阶带通滤波电路，经过带通电路后音头接收到的带外噪声将被大大衰减，为后续数字信号处理程序提供满足要求的信号；带通滤波后的信号送入后级放大电路，将信号放大至合适AD采样的幅值。
本实用新型的有益效果是：本实用新型AD及DA模块都由MCU内部集成，省去了外部AD和DA芯片，简化了电路结构节约了硬件成本。并且采用UCOS操作系统对MCU及外设进行管理，提高了系统运行的稳定性和可维护性。本实用新型可以通过485总线连接上位机，对物料高度信息进行实时监控，并可以方便的实现信息联网以满足现代工业生产过程信息化的需求。本实用新型可以根据物料的距离不同以及粉尘环境的不同自动调节发射声波功率，可以对不同的工况进行自适应调节。并且通过实时采集现场温度对传播声速进行修正，克服了环境温度造成的测距误差。如图7所示，通过APFFT算法取得回波处的相位信息，更充分的利用了回波所携带的信息，将测距精度提高了一个数量级。试验观察和数据分析表明：本实用新型采用较低频率声波作为测距手段，克服了超声波料位仪无法应用于粉尘环境的弊端，同时测距精度仍可以达到超声波料位仪的水平，拓展了声波料位仪在粉尘环境下的应用范畴。
附图说明
图1系统功能模块示意图；
图2指数型号筒示意图；
图3信号滤波放大电路示意图；
图4信号隔离电路示意图；
图5电源电路示意图；
图6系统硬件组成示意图；
图7回波分析示意图；
图8实际回波示意图；
图9实际回波APFFT幅度谱和相位谱示意图；
图10声波料位仪系统流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型做进一步描述。虽然本实用新型将结合较佳实施例进行描述，但应知道，并不表示本实用新型限制在所述实施例中。相反，本实用新型将涵盖可包含在有附后权利要求书限定的本实用新型的范围内的替换物、改进型和等同物。
这种声频料位仪的功能模块组成：如图1所示，包括单频调幅波发生功放电路、音头及号筒、回波信号滤波放大电路、AD采样电路、温度采集电路和数字信号处理单元MCU。
声频料位仪工作方式及流程按下列步骤进行：
步骤1.单频调幅波发生
a.由MCU的DA产生正弦包络调制的单频调幅波；
b.DA产生的波形为按规律调制的阶梯状波形，必须经由RC低通滤波方可得到频谱纯正的所需正弦波；
c.调制正弦波输入功放电路，进而推动音头号筒发出高指向性的声波；
步骤2.回波信号滤波放大
a.物体反射回波被音头号筒接收并转变为微弱电信号；
b.微弱电信号经过隔离变压器后进入第一级前放电路进行滤波前所需的放大；
c.前放信号经过四阶带通滤波器对信号进行滤波后送入后级运放；
d.后级运放对滤波后的信号进一步放大以使信号满足AD采样的幅值要求；
步骤3.AD采样存储
a.经过滤波放大的回波信号由AD进行自动采样；
b.AD采样后的数据存入外部SRAM供后续信号处理算法调用；
步骤4.回波数字信号处理
a.首先对AD采集的回波信号进行数字带通滤波，以滤除杂散频率成分的干扰，为后续信号处理算法提供可用数据；
b.利用最大似然法找到回波信号的准确位置；
c.对回波处的信号进行FFT频谱分析，如果峰值频谱频率不等于发射波频率则视为干扰噪声，该次数据无效；
d.对于峰值频谱重合的数据视为有效数据，根据该点的位置计算出声波传播的时间；
e.根据温度传感器采集的温度信息计算出当前空气中的声速，再由传播时间和声速计算出距离；
f.通过APFFT算法计算出回波处无偏的相位信息，根据相位确定回波峰值的真实位置对测距结果进行修正。
系统硬件组成如图6所示：包括集成AD和DA模块的MCU，外部SRAM，数字温度传感器，数字电位器，RC滤波电路，功放电路，信号隔离电路，滤波放大电路以及负责电声和声电转换的音头号筒。
如图10所示：声波料位仪加电后首先初始化UCOS系统的任务和堆栈并配置外置SRAM存储器以供AD采样数据存储之用；然后生成正弦包络调制的3kHz单频调幅波的数据表以供信号发射之用；调整控制功放功率的数字电位器至最小，使发射功率处于最小档。
初始化完毕后系统进入测距工作周期，以最小功率驱动音头号筒发出单频调幅波。如图2所示，声波经过指数型号筒后形成高指向性的近似平面波向号筒前方辐射出去，声波在向前传播的过程中遇到被测物体则被反射回来以相同的路径传回音头号筒。
如图4所示，音头接收到反射回波将其转变为微弱电信号，经由隔离变压器送入第一级前放电路。前放电路将音头传来的微弱信号进行一定幅度的放大，以使信号幅值满足模拟滤波处理要求。如图3所示，前放放大后的信号送入4阶带通滤波电路，经过带通电路后音头接收到的带外噪声将被大大衰减，为后续数字信号处理程序提供满足要求的信号。带通滤波后的信号送入后级放大电路，将信号放大至合适AD采样的幅值。后级放大信号送入跟随器以使信号更好的匹配AD的阻抗，最后跟随器将经过滤波放大的回波信号送入AD进行采样。
待音头盲区过后AD开始采样，AD以15kHz的采样率对滤波放大后的信号进行采样，并将采样数据存入外部SRAM以供后续数字信号处理之用，采样时间持续0.6秒以使AD可以记录到最远100米处的回波信号。
AD采样完毕进入数字信号处理运算周期，首先判断接收回波的幅值和能量是否小于门限的下限，小于门限则说明回波幅值过小信号的信噪比偏低将导致运算结果误差偏大或者无法算出正确的结果。如果回波幅值小于门限则自动调整控制功放增益的数字电位器，增大功放的功率，如果功率增大后测得回波幅值仍小于门限则继续增大功放功率直至回波幅值大于门限下限。
判断接收回波的幅值和能量是否大于门限的上限，大于门限则说明回波幅值过大信号的AD采样值出现削封限幅将导致无法算出回波峰值所处的确切位置。如果回波幅值大于门限则自动调整控制功放增益的数字电位器，减小功放的功率，如果功率减小后测得回波幅值仍大于门限则继续减小功放功率直至回波幅值小于门限上限。
如图9所示，经过发射功率自动调整后回波信号的幅值满足后续信号处理的要求，对回波信号做FFT频谱能量分析，如果频谱能量的峰值不处于3kHz的位置则说明该回波信号为干扰信号，该组信号不予取信弃之不用。
如图8所示，能量峰值处于3kHz的位置说明该信号为真实回波信号，首先对该组信号进行数字滤波以滤除奇异点并进一步降低带外噪声提高数字信号的信噪比。然后利用最大似然法则找到回波峰值所处的采样点，根据该点的位置计算出声波传播的时间。再根据温度传感器采集的温度信息计算出当前空气中的声速，由传播时间和声速计算出距离。
如图9所示，最后通过APFFT算法计算出回波峰值处采样点的无偏相位信息，根据该点相位确定回波峰值的真实位置对测距结果进行修正。经过声波料位产品实际系统试验表明：在选用3kHz较低频声波为发射波的条件下，该方案可使测距精度达到毫米级，大幅提高了低频声波测距的精度。修正后的距离分辨率为0.002268m较之无修正的测距分辨率0.0227m提高了一个数量级。
综上所述，本实用新型具有发射功率自适应调节、声速自动补偿、真假回波信号自动鉴别、测距距离远高于超声波料位仪并且可以应用于超声波无法工作的粉尘环境中、测距精度高的特点。对回波信号进行APFFT算法的处理，修正后的测距精度达到毫米级，从而实现运用低频声波实现高精度测距。
Claims (2)
1.一种适用粉尘环境的高精度声频料位仪，其特征在于：包括单频调幅波发生功放、音头及号筒、信号滤波放大电路、AD采样电路和数字信号处理单元MCU，其中音头的输入端和输出端之间依次连接单频调幅波发生功放、数字信号处理单元MCU、AD采样电路、信号滤波放大电路，所述数字信号处理单元MCU还连接有温度采集电路。
2.根据权利要求1所述的适用粉尘环境的高精度声频料位仪，其特征在于：所述信号滤波放大电路包括：前级放大电路、带通滤波电路和后级放大电路，放大后的信号送入4阶带通滤波电路，带通滤波后的信号送入后级放大电路。
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN113608475A (zh) * | 2021-08-06 | 2021-11-05 | 江苏亮点光电研究有限公司 | 一种云高仪的自适应测量范围的终端处理装置 |
| CN114527454A (zh) * | 2022-02-10 | 2022-05-24 | 德闻仪器仪表(上海)有限公司 | 一种超声波信号自适应放大的调整系统及其调整方法 |
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2013
- 2013-10-11 CN CN201320626701.7U patent/CN203551042U/zh not_active Expired - Lifetime
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