適用于粉塵環(huán)境的大量程高精度聲頻料位儀設(shè)計

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

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距手段，用APFFT算法對測距結(jié)果進行修正，提高了低頻聲波的測距精度，克服了超聲波料位儀無法應(yīng)用于粉塵環(huán)境的弊端，同時測距精度仍可以達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相位補償；FFT頻譜能量鑒別；功率自適應(yīng)；溫度補償；粉塵

隨著工業(yè)自動化及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，制造業(yè)對工業(yè)生產(chǎn)各個環(huán)節(jié)的信息化要求越來越高，同時也對關(guān)鍵生產(chǎn)信息的自動采集和監(jiān)控提出了更高的要求。例如粉塵環(huán)境下的料位監(jiān)控就是一個技術(shù)難題，因為常用的雷達、激光以及超聲波等測距手段的粉塵穿透能力都很弱，無法透過粉塵測量出其下的料位信息[1]。粉塵環(huán)境條件下，利用聲頻信號作為檢測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距手段，聲波頻率低、波長長[2]，故而聲波在空氣中衰減慢，粉塵穿透能力強，適合于在長距離粉塵條件下工作。但由于波長長，導(dǎo)致測距精度的降低。本文旨在研究提高聲波料位儀測距精度算法，該儀器在國內(nèi)尚處于空白階段。

1 工作原理

聲頻料位儀由電路部分、音頭和號筒組成，其工作原理示意圖見圖1，探頭固定安裝在料倉上方并正對物料。音頭發(fā)射出單頻聲波，經(jīng)由號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轉(zhuǎn)換為電信號。微弱電信號經(jīng)過放大濾波和數(shù)字信號處理后得到聲波的渡越時間，渡越時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)實時的溫度進行修正，否則將會造成較大的測距誤差。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)測距距離為D，音頭至料倉底部的距離L，L減去D即得到料倉內(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，信號隔離電路，濾波放大電路以及負責(zé)電聲和聲電轉(zhuǎn)換的音頭號筒。

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

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存儲器以供AD采樣數(shù)據(jù)存儲之用；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)進入測距工作周期，以最小功率驅(qū)動音頭號筒發(fā)出單頻調(diào)幅波。聲波經(jīng)過指數(shù)型號筒后形成高指向性的近似平面波向號筒前方輻射出去，聲波在向前傳播的過程中遇到被測物體則被反射回來以相同的路徑傳回音頭號筒。

音頭接收到反射回波將其轉(zhuǎn)變?yōu)槲⑷蹼娦盘?，?jīng)由隔離變壓器送入第一級前放電路。前放電路將音頭傳來的微弱信號進行一定幅度的放大，以使信號幅值滿足模擬濾波處理要求。前放放大后的信號送入4階帶通濾波電路，經(jīng)過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)字信號處理程序提供滿足要求的信號。帶通濾波后的信號送入后級放大電路，將信號放大至合適AD采樣的幅值。后級放大信號送入跟隨器以使信號更好的匹配AD的阻抗，跟隨器將經(jīng)過濾波放大的回波信號送入AD進行采樣。

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

AD采樣完畢進入數(shù)字信號處理運算周期，首先判斷接收回波的幅值和能量是否小于門限的下限，小于門限則說明回波幅值過小信號的信噪比偏低將導(dǎo)致運算結(jié)果誤差偏大或者無法算出正確的結(jié)果，系統(tǒng)自動調(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限下限。

判斷接收回波的幅值和能量是否大于門限的上限，大于門限則說明回波幅值過大信號的AD采樣值出現(xiàn)削峰限幅將導(dǎo)致無法算出回波峰值所處的確切位置，系統(tǒng)自動調(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限上限。

經(jīng)過發(fā)射功率自動調(diào)整后回波信號的幅值滿足后續(xù)信號處理的要求，對回波信號做FFT頻譜能量分析[5]，如果頻譜能量的峰值不處于3 kHz的位置則說明該回波信號為干擾信號，該組信號不予取信,棄之不用。經(jīng)過濾波放大后的實際回波信號如圖4所示。

圖4 實際回波示意圖

能量峰值處于3 kHz的位置說明該信號為真實回波信號，首先對該組信號進行數(shù)字濾波[6]以濾除奇異點并進一步降低帶外噪聲提高數(shù)字信號的信噪比。然后利用最大似然法則找到回波峰值所處的采樣點，根據(jù)該點的位置計算出聲波傳播的時間。再根據(jù)溫度傳感器采集的溫度信息計算出當(dāng)前空氣中的聲速，由傳播時間和聲速計算出距離。

最后通過APFFT算法[7]計算出回波峰值處采樣點的無偏相位信息，根據(jù)該點相位確定回波峰值的真實位置對測距結(jié)果進行修正。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 實際回波APFFT幅度譜和相位譜示意圖

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

4 結(jié)束語

本聲頻料位儀具有發(fā)射功率自適應(yīng)調(diào)節(jié)、聲速自動補償、真假回波信號自動鑒別、測距量程遠、測距精度高等特點，并且可以應(yīng)用于其他測距方案無法工作的粉塵環(huán)境中。對回波信號進行APFFT算法的處理，修正后的測距精度達到毫米級，從而實現(xiàn)運用低頻聲波實現(xiàn)高精度測距。該聲頻料位儀的優(yōu)點是檢測距離遠、粉塵影響小、造價低、可靠性高、安全、壽命長、安裝維護方便，是一款有實際市場意義的產(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)境下料倉料位的測量方面可以發(fā)揮無可替代的作用，填補了粉塵環(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[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: 國防工業(yè)出版社,1981.

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

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

[5]A V 奧本海姆.離散時間信號處理[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)字信號全相位譜分析與濾波技術(shù)[M].北京: 電子工業(yè)出版社,2009.