陶德志 王莉

（第七一五研究所，杭州，310023）

適用于粉塵環(huán)境的大量程高精度聲頻料位儀設(shè)計(jì)

陶德志 王莉

（第七一五研究所，杭州，310023）

采用較低頻率的聲波作為測(cè)距手段，用APFFT算法對(duì)測(cè)距結(jié)果進(jìn)行修正，提高了低頻聲波的測(cè)距精度，克服了超聲波料位儀無(wú)法應(yīng)用于粉塵環(huán)境的弊端，同時(shí)測(cè)距精度仍可以達(dá)到超聲波料位儀的水平，拓展了聲波料位儀在特殊粉塵環(huán)境下的應(yīng)用范疇。

APFFT相位補(bǔ)償；FFT頻譜能量鑒別；功率自適應(yīng)；溫度補(bǔ)償；粉塵

隨著工業(yè)自動(dòng)化及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，制造業(yè)對(duì)工業(yè)生產(chǎn)各個(gè)環(huán)節(jié)的信息化要求越來(lái)越高，同時(shí)也對(duì)關(guān)鍵生產(chǎn)信息的自動(dòng)采集和監(jiān)控提出了更高的要求。例如粉塵環(huán)境下的料位監(jiān)控就是一個(gè)技術(shù)難題，因?yàn)槌Ｓ玫睦走_(dá)、激光以及超聲波等測(cè)距手段的粉塵穿透能力都很弱，無(wú)法透過(guò)粉塵測(cè)量出其下的料位信息[1]。粉塵環(huán)境條件下，利用聲頻信號(hào)作為檢測(cè)手段是一種新的思路。聲頻料位儀采用較低頻率的聲波作為測(cè)距手段，聲波頻率低、波長(zhǎng)長(zhǎng)[2]，故而聲波在空氣中衰減慢，粉塵穿透能力強(qiáng)，適合于在長(zhǎng)距離粉塵條件下工作。但由于波長(zhǎng)長(zhǎng)，導(dǎo)致測(cè)距精度的降低。本文旨在研究提高聲波料位儀測(cè)距精度算法，該儀器在國(guó)內(nèi)尚處于空白階段。

1 工作原理

聲頻料位儀由電路部分、音頭和號(hào)筒組成，其工作原理示意圖見(jiàn)圖1，探頭固定安裝在料倉(cāng)上方并正對(duì)物料。音頭發(fā)射出單頻聲波，經(jīng)由號(hào)筒向正前方輻射出去，聲波穿透粉塵并在物料面發(fā)生反射，音頭接收到反射聲波并將聲信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。微弱電信號(hào)經(jīng)過(guò)放大濾波和數(shù)字信號(hào)處理后得到聲波的渡越時(shí)間，渡越時(shí)間乘聲速即可算出音頭到物料面的距離。其中聲速需要根據(jù)實(shí)時(shí)的溫度進(jìn)行修正，否則將會(huì)造成較大的測(cè)距誤差。公式（1）為空氣中聲速的溫度修正公式[3]，c為聲速，單位m/s；t為溫度，℃。設(shè)測(cè)距距離為D，音頭至料倉(cāng)底部的距離L，L減去D即得到料倉(cāng)內(nèi)的料位H。

2 系統(tǒng)硬件組成

系統(tǒng)硬件組成如圖2所示。包括集成AD和DA模塊的MCU，外部SRAM，數(shù)字溫度傳感器，數(shù)字電位器，RC濾波電路，功放電路，信號(hào)隔離電路，濾波放大電路以及負(fù)責(zé)電聲和聲電轉(zhuǎn)換的音頭號(hào)筒。

圖1 聲頻料位儀示意圖

圖2 系統(tǒng)硬件組成示意圖

3 系統(tǒng)工作流程設(shè)計(jì)

如圖3所示，聲頻料位儀加電后首先初始化UCOS系統(tǒng)的任務(wù)和堆棧并配置外置SRAM存儲(chǔ)器以供AD采樣數(shù)據(jù)存儲(chǔ)之用；然后生成正弦包絡(luò)調(diào)制的3 kHz單頻調(diào)幅波的數(shù)據(jù)表以供信號(hào)發(fā)射之用；調(diào)整控制功放功率的數(shù)字電位器至最小，使發(fā)射功率處于最小檔。

圖3 聲波料位儀系統(tǒng)流程圖

初始化完畢后系統(tǒng)進(jìn)入測(cè)距工作周期，以最小功率驅(qū)動(dòng)音頭號(hào)筒發(fā)出單頻調(diào)幅波。聲波經(jīng)過(guò)指數(shù)型號(hào)筒后形成高指向性的近似平面波向號(hào)筒前方輻射出去，聲波在向前傳播的過(guò)程中遇到被測(cè)物體則被反射回來(lái)以相同的路徑傳回音頭號(hào)筒。

音頭接收到反射回波將其轉(zhuǎn)變?yōu)槲⑷蹼娦盘?hào)，經(jīng)由隔離變壓器送入第一級(jí)前放電路。前放電路將音頭傳來(lái)的微弱信號(hào)進(jìn)行一定幅度的放大，以使信號(hào)幅值滿(mǎn)足模擬濾波處理要求。前放放大后的信號(hào)送入4階帶通濾波電路，經(jīng)過(guò)帶通電路后音頭接收到的帶外噪聲將被大大衰減，為后續(xù)數(shù)字信號(hào)處理程序提供滿(mǎn)足要求的信號(hào)。帶通濾波后的信號(hào)送入后級(jí)放大電路，將信號(hào)放大至合適AD采樣的幅值。后級(jí)放大信號(hào)送入跟隨器以使信號(hào)更好的匹配AD的阻抗，跟隨器將經(jīng)過(guò)濾波放大的回波信號(hào)送入AD進(jìn)行采樣。

待音頭盲區(qū)過(guò)后[4]，AD以15 kHz的采樣率對(duì)濾波放大后的信號(hào)進(jìn)行采樣，并將采樣數(shù)據(jù)存入外部SRAM以供后續(xù)數(shù)字信號(hào)處理之用，采樣時(shí)間持續(xù)0.6 s以使AD可以記錄到最遠(yuǎn)100 m處的回波信號(hào)。

AD采樣完畢進(jìn)入數(shù)字信號(hào)處理運(yùn)算周期，首先判斷接收回波的幅值和能量是否小于門(mén)限的下限，小于門(mén)限則說(shuō)明回波幅值過(guò)小信號(hào)的信噪比偏低將導(dǎo)致運(yùn)算結(jié)果誤差偏大或者無(wú)法算出正確的結(jié)果，系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)整控制功放增益的數(shù)字電位器，增大功放的功率，直至回波幅值大于門(mén)限下限。

判斷接收回波的幅值和能量是否大于門(mén)限的上限，大于門(mén)限則說(shuō)明回波幅值過(guò)大信號(hào)的AD采樣值出現(xiàn)削峰限幅將導(dǎo)致無(wú)法算出回波峰值所處的確切位置，系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)整控制功放增益的數(shù)字電位器，減小功放的功率，直至回波幅值小于門(mén)限上限。

經(jīng)過(guò)發(fā)射功率自動(dòng)調(diào)整后回波信號(hào)的幅值滿(mǎn)足后續(xù)信號(hào)處理的要求，對(duì)回波信號(hào)做FFT頻譜能量分析[5]，如果頻譜能量的峰值不處于3 kHz的位置則說(shuō)明該回波信號(hào)為干擾信號(hào)，該組信號(hào)不予取信,棄之不用。經(jīng)過(guò)濾波放大后的實(shí)際回波信號(hào)如圖4所示。

圖4 實(shí)際回波示意圖

能量峰值處于3 kHz的位置說(shuō)明該信號(hào)為真實(shí)回波信號(hào)，首先對(duì)該組信號(hào)進(jìn)行數(shù)字濾波[6]以濾除奇異點(diǎn)并進(jìn)一步降低帶外噪聲提高數(shù)字信號(hào)的信噪比。然后利用最大似然法則找到回波峰值所處的采樣點(diǎn)，根據(jù)該點(diǎn)的位置計(jì)算出聲波傳播的時(shí)間。再根據(jù)溫度傳感器采集的溫度信息計(jì)算出當(dāng)前空氣中的聲速，由傳播時(shí)間和聲速計(jì)算出距離。

最后通過(guò)APFFT算法[7]計(jì)算出回波峰值處采樣點(diǎn)的無(wú)偏相位信息，根據(jù)該點(diǎn)相位確定回波峰值的真實(shí)位置對(duì)測(cè)距結(jié)果進(jìn)行修正。某批數(shù)據(jù)的APFFT處理結(jié)果如圖5所示，頻譜能量的峰值為3 kHz，峰值位置的相位為59.7°。

圖5 實(shí)際回波APFFT幅度譜和相位譜示意圖

聲頻料位實(shí)際系統(tǒng)試驗(yàn)表明：在選用3 kHz較低頻聲波為發(fā)射波的條件下，該方案可使測(cè)距精度達(dá)到毫米級(jí)，大幅提高了低頻聲波測(cè)距的精度。修正后的距離分辨率為0.002268 m較之無(wú)修正的測(cè)距分辨率0.0227 m提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本聲頻料位儀具有發(fā)射功率自適應(yīng)調(diào)節(jié)、聲速自動(dòng)補(bǔ)償、真假回波信號(hào)自動(dòng)鑒別、測(cè)距量程遠(yuǎn)、測(cè)距精度高等特點(diǎn)，并且可以應(yīng)用于其他測(cè)距方案無(wú)法工作的粉塵環(huán)境中。對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行APFFT算法的處理，修正后的測(cè)距精度達(dá)到毫米級(jí)，從而實(shí)現(xiàn)運(yùn)用低頻聲波實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)距。該聲頻料位儀的優(yōu)點(diǎn)是檢測(cè)距離遠(yuǎn)、粉塵影響小、造價(jià)低、可靠性高、安全、壽命長(zhǎng)、安裝維護(hù)方便，是一款有實(shí)際市場(chǎng)意義的產(chǎn)品。本聲頻料位儀可在水泥制造、食品加工、化工生產(chǎn)等粉塵環(huán)境下料倉(cāng)料位的測(cè)量方面可以發(fā)揮無(wú)可替代的作用，填補(bǔ)了粉塵環(huán)境下物料監(jiān)控領(lǐng)域信息化需求的技術(shù)空白。

[1]馮諾.超聲手冊(cè)[M].南京: 南京大學(xué)出版社,1999.

[2]何祚墉.聲學(xué)理論基礎(chǔ)[M].北京: 國(guó)防工業(yè)出版社,1981.

[3]馬大猷.聲學(xué)手冊(cè)[M].北京: 科學(xué)出版社,2004.

[4]陶德志,王莉.超聲波明渠流量計(jì)的設(shè)計(jì)[J].聲學(xué)與電子工程,2011,(1):46-48.

[5]A V 奧本海姆.離散時(shí)間信號(hào)處理[M].西安: 西安交通大學(xué)出版社,2001.

[6]丁玉美,高西全.數(shù)字信號(hào)處理[M].西安: 西安電子科技大學(xué)出版社,2000.

[7]王兆華,黃翔東.數(shù)字信號(hào)全相位譜分析與濾波技術(shù)[M].北京: 電子工業(yè)出版社,2009.