專利名稱：一種聲波液位測(cè)量裝置及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及測(cè)量?jī)x器技術(shù)領(lǐng)域，特別是關(guān)于一種聲波測(cè)量液位的裝置及其方法。
背景技術(shù)：
在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，各種液體的液位是一個(gè)重要的參數(shù)。如河流、湖泊的水位是描述水利系統(tǒng)的重要參數(shù)，油庫(kù)的油位是判斷其儲(chǔ)油量的參數(shù)。因此液位的測(cè)量技術(shù)是測(cè)量領(lǐng)域的研究對(duì)象，如何簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確地測(cè)量液位一直是人們追求的目標(biāo)。
目前已有的液位測(cè)量裝置主要分接觸式和非接觸式兩大類。
接觸式液位測(cè)量裝置常見(jiàn)的有壓力式液位傳感器和浮子式液位傳感器。
壓力式液位傳感器，采用壓力傳感器作為敏感元件，通過(guò)測(cè)量液體內(nèi)部的壓強(qiáng)來(lái)測(cè)量液位。但由于此種液位測(cè)量裝置與被測(cè)液體相接觸，會(huì)受淤積、腐蝕而使傳感器受損，同時(shí)測(cè)量的精度受到被測(cè)液體密度和外界氣壓變化的影響，壓強(qiáng)傳感器價(jià)格偏高。
浮子式液位傳感器通過(guò)測(cè)量懸浮在液體表面的浮子到基準(zhǔn)點(diǎn)的距離來(lái)測(cè)量液位，但此種液位測(cè)量裝置體積大，并且準(zhǔn)確度隨時(shí)間的延長(zhǎng)而降低。
非接觸式的液位測(cè)量裝置現(xiàn)有超聲波液位傳感器，由于與被測(cè)液體不相接觸，避免了淤積、腐蝕等接觸式測(cè)量裝置存在的問(wèn)題。但是，超聲波式液位測(cè)量裝置價(jià)格高，測(cè)量時(shí)的精度受氣候、波浪等外界因素的影響，并且存在一定的測(cè)量盲區(qū)。
一種現(xiàn)有的如中國(guó)國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局于2002年4月24日公開(kāi)的，申請(qǐng)?zhí)枮?1100503、發(fā)明名稱為《聲波水位測(cè)量方法及其系統(tǒng)》的液位測(cè)量方法及裝置，如圖1所示，所述的聲波水位測(cè)量裝置包括，聲波發(fā)生單元1、導(dǎo)波管2、麥克風(fēng)3和4、中空的聲波反射筒6以及與中空的聲波反射筒一體的浮子7、振蕩器和信號(hào)處理控制芯片，該現(xiàn)有技術(shù)中將麥克風(fēng)3的位置設(shè)為水位測(cè)量的基準(zhǔn)點(diǎn)，所述信號(hào)處理控制芯片儲(chǔ)存麥克風(fēng)3和4之間的距離l1以及聲波反射筒6的上表面到水表面間距l(xiāng)2，并通過(guò)測(cè)量聲波脈沖分別經(jīng)過(guò)l1、l2的時(shí)間，以及上和下的經(jīng)過(guò)從麥克風(fēng)到水表面的距離L的時(shí)間，同時(shí)，信號(hào)處理控制芯片根據(jù)公式L=t12·12·(l1t1+l2t2)]]>算出L的值。該專利的聲波液位測(cè)量裝置相對(duì)于現(xiàn)有壓力式傳感器和超聲波傳感器，其成本相對(duì)要低，但是該專利的聲波液位測(cè)量裝置由于采用兩個(gè)麥克風(fēng)以及一個(gè)具有中空反射筒的浮子，其器件多，成本較高，安裝程序繁鎖；另外，它在工作時(shí)要測(cè)量?jī)蓚€(gè)點(diǎn)，以及兩個(gè)反射波，測(cè)量程序復(fù)雜，并且，中空反射筒由于通過(guò)浮子浮于水面上，由于水波的不定性，l2的值是不穩(wěn)定的，測(cè)量精度受到影響。
針對(duì)上述問(wèn)題，有必要提供一種器件少、成本低、安裝方便、快捷并且測(cè)量精度高的聲波液位測(cè)量裝置及其方法。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述現(xiàn)有的液位測(cè)量裝置存在的成本高、安裝不便和精度較低的問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種器件少、成本低、安裝方便、快捷并且測(cè)量精度較高的聲波液位測(cè)量裝置。
為了解決上述現(xiàn)有的液位測(cè)量方法的程序復(fù)雜并且測(cè)量精度較低的問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種測(cè)量程序簡(jiǎn)單并且測(cè)量精度較高的聲波液位測(cè)量方法。
本發(fā)明的聲波液位測(cè)量裝置，包括導(dǎo)波管、信號(hào)處理控制芯片、聲波發(fā)生單元、聲波接收單元和模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器；該導(dǎo)波管下端插入所測(cè)液體中；聲波發(fā)生單元接收信號(hào)處理控制芯片發(fā)送的控制指令，產(chǎn)生信號(hào)處理控制芯片所指定頻率的聲音信號(hào)并向?qū)Рü軆?nèi)發(fā)送；聲波接收單元位于聲波發(fā)生單元的下方，并位于導(dǎo)波管內(nèi)，聲波接收單元所在的位置設(shè)為測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)，此點(diǎn)與液面的距離為L(zhǎng)；模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器將聲波接收單元傳送來(lái)的聲音信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)發(fā)送回信號(hào)處理控制芯片；所述信號(hào)處理控制芯片確定一個(gè)最低音頻信號(hào)的頻率，向聲波發(fā)生單元發(fā)送從該最低頻率開(kāi)始往上增加的頻率所對(duì)應(yīng)的控制指令，控制聲波發(fā)生單元產(chǎn)生兩個(gè)或兩個(gè)以上周期的控制指令所指定頻率的聲音信號(hào)；所述聲波接收單元接收到基準(zhǔn)點(diǎn)的聲波，將聲波以電信號(hào)的形式傳送給模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)送到信號(hào)處理控制芯片；所述信號(hào)處理控制芯片記錄下該頻率的聲音在基準(zhǔn)點(diǎn)的振幅，將該頻率的聲音振幅與前一次所記錄的頻率聲音振幅進(jìn)行比較，找出第一個(gè)出現(xiàn)的最小振幅，并將此最小的振幅進(jìn)行儲(chǔ)存，則此最小振幅的聲波所對(duì)應(yīng)的頻率為駐波的頻率，并根據(jù)聲波在空氣中的傳播速度、駐波的頻率和公式L=λ2=v2·f]]>計(jì)算出L的值。
本發(fā)明的聲波液位測(cè)量方法，包括如下步驟(1)提供聲波接收單元和導(dǎo)波管，聲波接收單元位于導(dǎo)波管內(nèi)，設(shè)定聲波接收單元所在的位置為測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)，它到液面的距離為L(zhǎng)；(2)提供信號(hào)處理控制芯片、模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換單元和聲波發(fā)生單元，該信號(hào)處理控制芯片確定一最小的音頻信號(hào)的頻率，控制聲波發(fā)生單元產(chǎn)生至少兩個(gè)周期的該頻率的聲音信號(hào)，并輸出至導(dǎo)波管；導(dǎo)波管中的聲音信號(hào)通過(guò)聲波接收單元和模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換單元送回到信號(hào)處理控制芯片；信號(hào)處理控制芯片記錄下該頻率的聲音在基準(zhǔn)點(diǎn)的幅度；(3)信號(hào)處理控制芯片增加音頻信號(hào)的頻率，控制聲波發(fā)生單元產(chǎn)生至少兩個(gè)周期的該頻率的聲音信號(hào)，通過(guò)聲波接收單元和模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換單元送回到信號(hào)處理控制芯片；信號(hào)處理控制芯片記錄下該頻率的聲音在基準(zhǔn)點(diǎn)的幅度；(4)信號(hào)處理控制芯片判斷增加頻率后的聲音幅度是否大于前一頻率下的聲音幅度。如果是，結(jié)束測(cè)量，以前一頻率為駐波頻率；如果否，重復(fù)步驟(3)；(5)信號(hào)處理控制芯片根據(jù)駐波頻率、聲波在空氣中的傳播速度和公式L=λ2=v2·f]]>
計(jì)算L。
相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)采用多個(gè)聲波接收單元和浮子，本發(fā)明聲波液位測(cè)量裝置通過(guò)位于測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)的一個(gè)聲波接收單元接收導(dǎo)波管內(nèi)的聲音，器件較少，成本低、安裝方便、快捷；另外，本發(fā)明聲波液位測(cè)量裝置的聲波接收單元所接收的聲波為在導(dǎo)波管的入射聲波和被液面反射回來(lái)的聲波在測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)處相疊加的聲波，不存在現(xiàn)有技術(shù)中因浮子受液體波動(dòng)而產(chǎn)生的不穩(wěn)定性而使測(cè)量精度降低的不足；同時(shí)，本發(fā)明通過(guò)一個(gè)導(dǎo)波管引導(dǎo)聲波運(yùn)行，這在很大程度上避免了因液體波動(dòng)而引起的誤差，測(cè)量精度也相對(duì)較高。
本發(fā)明聲波液位測(cè)量方法，通過(guò)信號(hào)處理控制芯片控制聲波發(fā)生單元產(chǎn)生其指定頻率的聲音信號(hào)，并記錄測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)的聲音的幅度，找出最小幅度的聲波的頻率，根據(jù)產(chǎn)生駐波的條件公式計(jì)算出測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)到液面的距離，測(cè)量程序簡(jiǎn)單；另外，本發(fā)明聲波液位測(cè)量方法中，聲波接收單元向信號(hào)處理控制芯片發(fā)送經(jīng)模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換單元轉(zhuǎn)換后的音頻信號(hào)，僅是入射聲波與被液面反射回來(lái)的反射聲波在測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)的疊加，基本沒(méi)有外界因素的影響，測(cè)量精度高。


圖1是現(xiàn)有聲波水位測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本發(fā)明聲波液位測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是本發(fā)明聲波液位測(cè)量裝置的功能模塊示意圖。
圖4是本發(fā)明聲波液位測(cè)量方法流程圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明利用聲波的入射波與反射波在空氣中相向傳送產(chǎn)生的駐波的波節(jié)振幅最小這一原理來(lái)進(jìn)行液位測(cè)量，通過(guò)尋找導(dǎo)波管內(nèi)的聲波在測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)出現(xiàn)第一次駐波的頻率來(lái)計(jì)算出測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)到液面的距離從而實(shí)現(xiàn)液位測(cè)量。
請(qǐng)參照?qǐng)D2，是本發(fā)明聲波液位測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，聲波液位測(cè)量裝置包括聲波發(fā)生單元1、聲波接收單元2、導(dǎo)波管3、信號(hào)處理控制芯片4(如圖3所示)和模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換單元(如圖3所示)，L為聲波接收單元2到液表面的距離。所述導(dǎo)波管3為一中空管，它固定到一固定支柱上(圖未示)，導(dǎo)波管3的下端部分插入所測(cè)液體。所述液位測(cè)量裝置還包括一個(gè)殼體10，該殼體10包括具有空腔、呈圓柱狀的本體19，沿本體19的上、下兩端各延伸出錐狀體，下端錐狀體與本體19具有相貫通的開(kāi)口，所述信號(hào)處理控制芯片4放置于殼體10的本體19的空腔內(nèi)，所述聲波發(fā)生單元1和聲波接收單元2部分容置于下端的開(kāi)口內(nèi)，并且所述聲波接收單元2位于聲波發(fā)生單元1的下方。所述下端錐狀體具有與導(dǎo)波管3相配合的接口部20，通過(guò)該接口部20與導(dǎo)波管3的端部配合固定，將殼體10固定在導(dǎo)波管3的端部上，并使所述聲波接收單元2正好位于導(dǎo)波管3的頂端中心處。導(dǎo)波管3的頂端，即聲波接收單元2的位置是液位測(cè)量的基準(zhǔn)點(diǎn)，假設(shè)基準(zhǔn)點(diǎn)具有高于水平面的高度H0，所測(cè)的液位可以由下式得出H＝H0-L，本發(fā)明中液位測(cè)量裝置固定，即H0為固定值，則液位變化直接轉(zhuǎn)換成為液面到基準(zhǔn)點(diǎn)距離L的變化。
本發(fā)明利用尋找駐波波節(jié)的空間位置來(lái)測(cè)量液面到基準(zhǔn)點(diǎn)的距離L，從而實(shí)現(xiàn)液位測(cè)量，其原理如下由于聲波的傳播過(guò)程中，在介質(zhì)的分界面要發(fā)生反射，入射波與反射波的疊加在一定條件下形成駐波。在形成駐波時(shí)，沿波傳播方向振幅僅隨空間位置周期變化，振幅最大的稱波腹，振幅最小的稱波節(jié)。
由波動(dòng)方程可以導(dǎo)出只有在滿足傳輸距離L是 的整數(shù)倍，即L=n·λ2]]>的時(shí)候形成駐波(其中λ是聲波波長(zhǎng))。
當(dāng)n＝1時(shí)，L=λ2=v2·f]]>其中v是聲波在空氣中傳播的速度(相對(duì)恒定)，f是聲波的頻率。通過(guò)檢測(cè)第一次形成駐波的聲波的頻率f可以計(jì)算出L。形成駐波時(shí)，在波節(jié)處聲波振動(dòng)幅度最小，檢測(cè)振幅最小的聲波，此時(shí)聲波對(duì)應(yīng)的頻率為駐波頻率。
本發(fā)明中信號(hào)處理控制芯片4控制聲波發(fā)生單元1產(chǎn)生一定頻率的聲波沿導(dǎo)波管3入射，直到液面并被液面反射回來(lái)，聲波接收單元2接收導(dǎo)波管3中的聲波，并經(jīng)模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換單元后送到信號(hào)處理控制芯片4，信號(hào)處理控制芯片4記錄下在該頻率時(shí)的聲聲音幅度。當(dāng)所傳送的聲波的波長(zhǎng)λ與L滿足如下關(guān)系時(shí)L=n·λ2]]>其中n為整數(shù)，則入射波與反射波疊加，產(chǎn)生駐波，并且滿足在基準(zhǔn)點(diǎn)，即聲波接收單元2的位置為駐波的波節(jié)，則此時(shí)在聲波接收單元2處的聲波的振幅最小，則此振幅最小的頻率為駐波的頻率，信號(hào)處理控制芯片4記錄下該頻率，并根據(jù)公式L=λ2=v2·f]]>計(jì)算出L的值，即測(cè)出聲波接收單元2到液面的距離，所述v是聲波在空氣中傳播的速度。
請(qǐng)同時(shí)參閱圖3，是本發(fā)明液位測(cè)量裝置的功能示意圖，測(cè)量裝置由四個(gè)功能單元組成信號(hào)處理和控制單元、聲波發(fā)生單元1、聲波接收單元2和模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換單元。
所述信號(hào)處理控制單元為一信號(hào)處理控制芯片4，控制測(cè)量工作流程，運(yùn)行測(cè)量算法。
聲波發(fā)生單元1由諧波信號(hào)發(fā)生器11、音頻功率放大器13和揚(yáng)聲器12組成。諧波信號(hào)發(fā)生器11接受從信號(hào)處理控制芯片4傳送的指令生成指定頻率的正弦信號(hào)，經(jīng)音頻功率放大器13放大后驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器12，完成電聲轉(zhuǎn)換，發(fā)出指定頻率的聲音信號(hào)。
聲波接收單元2由麥克風(fēng)21、麥克功率放大器22組成。
模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換單元為模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器7。
聲音信號(hào)經(jīng)麥克風(fēng)21完成聲電轉(zhuǎn)換后，通過(guò)麥克功率放大器22放大到一定幅度，然后經(jīng)模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器7轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)送到信號(hào)處理控制芯片4。
信號(hào)處理控制芯片4與諧波信號(hào)發(fā)生器11通過(guò)電纜電性相連，諧波信號(hào)發(fā)生器11與揚(yáng)聲器12通過(guò)電纜電性相連，所述麥克風(fēng)21與麥克功率放大器22電性相連，模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換單元7通過(guò)電纜電性連接于麥克功率放大器22與信號(hào)處理控制芯片4之間。
信號(hào)處理控制芯片4預(yù)輸入控制程序，每次工作時(shí)，確定測(cè)量起始最低的頻率，以保證在測(cè)量過(guò)程中出現(xiàn)第一次駐波。所述最低頻率由如下方法確定基準(zhǔn)點(diǎn)到液面的距離L最大時(shí)，入射聲波與反射聲波所能產(chǎn)生第一次駐波的頻率，而最小的頻率小于上述第一次駐波的頻率。
假設(shè)測(cè)量范圍是0～10米，即導(dǎo)波管3的長(zhǎng)度L為10米。根據(jù)L=λ2=v2·f]]>聲波傳播的速度為340米/秒，對(duì)應(yīng)第一次駐波頻率為17Hz，則最小頻率選取略小于17Hz，以保證在測(cè)量過(guò)程中出現(xiàn)第一次駐波。
信號(hào)處理控制芯片4內(nèi)設(shè)置有所述最低頻率所對(duì)應(yīng)的控制指令，以及以恒定步長(zhǎng)或變步長(zhǎng)增加所得的不同頻率所對(duì)應(yīng)的控制指令。信號(hào)處理控制芯片4每向聲波發(fā)生單元1發(fā)出一指定頻率的控制指令，則其會(huì)記錄下此控制指令所對(duì)應(yīng)的頻率。
工作時(shí)，信號(hào)處理控制芯片4向聲波發(fā)生單元1發(fā)送從所述最低頻率開(kāi)始并以恒定步長(zhǎng)或變步長(zhǎng)增加的頻率所對(duì)應(yīng)的控制指令，控制諧波信號(hào)發(fā)生器11產(chǎn)生兩個(gè)或兩個(gè)以上周期的控制指令所指定頻率的正弦波。所述正弦波經(jīng)音頻功率放大器13放大后，經(jīng)過(guò)揚(yáng)聲器12進(jìn)行電聲轉(zhuǎn)換，以入射聲音信號(hào)的方式向?qū)Рü?發(fā)送，入射聲波遇到液面被反射，以反射聲波的方式沿導(dǎo)波管3回傳，入射聲波與反射聲波在導(dǎo)波管3內(nèi)發(fā)生疊加。聲波接收單元2接收導(dǎo)波管3頂端處的聲波；聲波接收單元2中的麥克風(fēng)21將所接收到其所在位置處的聲波進(jìn)行聲電轉(zhuǎn)換，將聲波以電信號(hào)的形式向麥克功率放大器22傳送，麥克功率放大器22將其所接收到的聲波信號(hào)放大到一定幅度后傳送給模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器7轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)送到信號(hào)處理控制芯片4。信號(hào)處理控制芯片4記錄下在該頻率的聲音在基準(zhǔn)點(diǎn)的振幅，將該頻率的聲音振幅與前一次所記錄的頻率聲音振幅進(jìn)行比較，通過(guò)如此的方式，找出出現(xiàn)第一個(gè)最小的振幅，并將此最小的振幅進(jìn)行儲(chǔ)存，則此最小振幅的聲波所對(duì)應(yīng)的頻率即為駐波的頻率，根據(jù)公式L=λ2=v2·f]]>計(jì)算出L的值。
一種聲波液位測(cè)量方法，如圖4所示，包括如下步驟(1)在所測(cè)液面上方確定測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)提供聲波接收單元和導(dǎo)波管，聲波接收單元位于導(dǎo)波管內(nèi)，設(shè)定聲波接收單元所在的位置為測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)，其到液面的距離為L(zhǎng)；(2)提供信號(hào)處理控制芯片和聲波接收單元，該信號(hào)處理控制芯片確定某一最小頻率，控制聲波發(fā)生單元產(chǎn)生該頻率的聲音信號(hào)輸出至導(dǎo)波管，導(dǎo)波管中的聲音信號(hào)通過(guò)聲波接收單元和模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換單元送回到信號(hào)處理控制芯片。信號(hào)處理控制芯片記錄下該頻率的聲音在基準(zhǔn)點(diǎn)的幅度；(3)信號(hào)處理控制芯片增加音頻信號(hào)的頻率，控制聲波發(fā)生單元產(chǎn)生該頻率的聲音信號(hào)，通過(guò)聲波接收單元和模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換單元送回到信號(hào)處理控制芯片。信號(hào)處理控制芯片記錄下該頻率的聲音在基準(zhǔn)點(diǎn)的幅度；(4)信號(hào)處理控制芯片判斷增加頻率后的聲音幅度是否大于前一頻率下聲音的幅度。如果是，結(jié)束測(cè)量，以前一頻率為駐波頻率；如果否，重復(fù)步驟(3)；(5)信號(hào)處理控制芯片根據(jù)公式L=λ2=v2·f]]>和駐波頻率計(jì)算L，所述v是聲波在空氣中傳播的速度。
在上述測(cè)量方法中，所述的聲波發(fā)生單元包括一個(gè)諧波信號(hào)發(fā)生器、音頻功率放大器和一個(gè)揚(yáng)聲器，所述的聲波接收單元包括麥克風(fēng)和麥克功率放大器，所述信號(hào)處理控制芯片和諧波信號(hào)發(fā)生器電性相連，所述音頻功率放大器電性連接于諧波信號(hào)發(fā)生器和揚(yáng)聲器之間，所述麥克風(fēng)與麥克功率放大器電性相連，所述模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換單元電性連接于信號(hào)處理控制芯片與麥克功率放大器之間。所述麥克風(fēng)位于揚(yáng)聲器的下方。
在上述步驟(2)中，包括如下步驟(11)信號(hào)處理控制芯片向諧波信號(hào)發(fā)生器發(fā)出控制指令，控制諧波信號(hào)發(fā)生器至少產(chǎn)生兩個(gè)或兩個(gè)以上周期的指定頻率的正弦信號(hào)，該正弦信號(hào)經(jīng)音頻功率放大器放大后驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器，揚(yáng)聲器對(duì)此放大的音頻信號(hào)進(jìn)行電聲轉(zhuǎn)換，向?qū)Рü馨l(fā)送指定頻率的聲音信號(hào)。該聲音信號(hào)沿導(dǎo)波管向下傳輸，遇到液面時(shí)被反射回來(lái)，則被反射回來(lái)的聲音信號(hào)與入射的聲音信號(hào)在導(dǎo)波管內(nèi)發(fā)生疊加。在本實(shí)施例中，信號(hào)處理控制芯片控制諧波信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生五個(gè)周期的正弦信號(hào)。
(12)位于導(dǎo)波管頂端的麥克風(fēng)接收它位于導(dǎo)波管位置處的聲音信號(hào)，麥克風(fēng)對(duì)其接收到的聲音信號(hào)進(jìn)行聲電轉(zhuǎn)換后，將其送到麥克功率放大器放大到一定幅度，然后經(jīng)模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)送到信號(hào)處理控制芯片。信號(hào)處理控制芯片記錄下在該頻率不同周期時(shí)的聲音幅度，比如本實(shí)施例中記錄下五個(gè)周期的聲音幅度，計(jì)算出該五個(gè)周期的聲音幅度的平均值，并記錄下來(lái)。
所述步驟(3)中，音頻信號(hào)的頻率的增加是以恒定步長(zhǎng)的方式增加。
所述步驟(3)中，音頻信號(hào)的頻率的增加是以不定步長(zhǎng)的方式增加。
所述步驟(2)中的所述確定最小頻率由如下方法確定基準(zhǔn)點(diǎn)到液面的距離最大時(shí)，入射聲波與反射聲波在測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)所能產(chǎn)生第一次駐波的頻率，該最小的頻率為小于上述第一次駐波的頻率。
以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以作出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種聲波液位測(cè)量裝置，包括導(dǎo)波管，該導(dǎo)波管下端插入所測(cè)液體中；信號(hào)處理控制芯片；聲波發(fā)生單元，接收信號(hào)處理控制芯片發(fā)送的控制指令，產(chǎn)生信號(hào)處理控制芯片所指定頻率的聲音信號(hào)并向?qū)Рü軆?nèi)發(fā)送；聲波接收單元，位于聲波發(fā)生單元的下方，并位于導(dǎo)波管內(nèi)，聲波接收單元所在的位置設(shè)為測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)，此點(diǎn)與液面的距離為L(zhǎng)；其特征在于還包括模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器，將聲波接收單元傳送來(lái)的聲音信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)發(fā)送回信號(hào)處理控制芯片；所述信號(hào)處理控制芯片確定一個(gè)最低音頻信號(hào)的頻率，向聲波發(fā)生單元發(fā)送從該最低頻率開(kāi)始往上增加的頻率所對(duì)應(yīng)的控制指令，控制聲波發(fā)生單元產(chǎn)生兩個(gè)或兩個(gè)以上周期的控制指令所指定頻率的聲音信號(hào)；所述聲波接收單元接收到基準(zhǔn)點(diǎn)的聲波，將聲波以電信號(hào)的形式傳送給模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)送到信號(hào)處理控制芯片；所述信號(hào)處理控制芯片記錄下該頻率的聲音在基準(zhǔn)點(diǎn)的振幅，將該頻率的聲音振幅與前一次所記錄的頻率聲音振幅進(jìn)行比較，找出第一個(gè)出現(xiàn)的最小振幅，并將此最小的振幅進(jìn)行儲(chǔ)存，則此最小振幅的聲波所對(duì)應(yīng)的頻率為駐波的頻率，并根據(jù)聲波在空氣中的傳播速度、駐波的頻率和公式L=λ2=v2·f]]>計(jì)算出L的值。
2.如權(quán)利要求1所述的聲波液位測(cè)量裝置，其特征在于所述聲波發(fā)生單元包括諧波信號(hào)發(fā)生器、音頻功率放大器和揚(yáng)聲器。
3.如權(quán)利要求2所述的聲波液位測(cè)量裝置，其特征在于所述諧波信號(hào)發(fā)生器接收信號(hào)處理控制芯片發(fā)送來(lái)的控制指令，產(chǎn)生信號(hào)處理控制芯片所指定頻率的正弦信號(hào)。
4.如權(quán)利要求3所述的聲波液位測(cè)量裝置，其特征在于所述聲波接收單元包括麥克風(fēng)和麥克功率放大器。
5.如權(quán)利要求4所述的聲波液位測(cè)量裝置，其特征在于所述麥克風(fēng)位于揚(yáng)聲器的下方。
6.如權(quán)利要求5所述的聲波液位測(cè)量裝置，其特征在于所述麥克風(fēng)位于導(dǎo)波管的頂端。
7.如權(quán)利要求1所述的聲波液位測(cè)量裝置，其特征在于所述音頻信號(hào)的頻率以恒定步長(zhǎng)的方式增加。
8.如權(quán)利要求1所述的聲波液位測(cè)量裝置，其特征在于所述音頻信號(hào)的頻率以變步長(zhǎng)的方式增加。
9.如權(quán)利要求6所述的聲波液位測(cè)量裝置，其特征在于還包括一殼體，所述信號(hào)處理控制芯片、聲波發(fā)生單元、聲波接收單元和模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器固定于該殼體內(nèi)。
10.如權(quán)利要求9所述的聲波液位測(cè)量裝置，其特征在于所述殼體的下端具有與導(dǎo)波管相配合的接口部，通過(guò)該接口部與導(dǎo)波管的端部配合固定，所述聲波接收單元正好位于導(dǎo)波管的頂端中心處。
11.一種聲波液位測(cè)量方法，其特征在于，包括如下步驟(1)提供聲波接收單元和導(dǎo)波管，聲波接收單元位于導(dǎo)波管內(nèi)，設(shè)定聲波接收單元所在的位置為測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)，它到液面的距離為L(zhǎng)；(2)提供信號(hào)處理控制芯片、模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換單元和聲波發(fā)生單元，該信號(hào)處理控制芯片確定一最小的音頻信號(hào)的頻率，控制聲波發(fā)生單元產(chǎn)生至少兩個(gè)周期的該頻率的聲音信號(hào)，并輸出至導(dǎo)波管；導(dǎo)波管中的聲音信號(hào)通過(guò)聲波接收單元和模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換單元送回到信號(hào)處理控制芯片；信號(hào)處理控制芯片記錄下該頻率的聲音在基準(zhǔn)點(diǎn)的幅度；(3)信號(hào)處理控制芯片增加音頻信號(hào)的頻率，控制聲波發(fā)生單元產(chǎn)生至少兩個(gè)周期的該頻率的聲音信號(hào)，通過(guò)聲波接收單元和模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換單元送回到信號(hào)處理控制芯片；信號(hào)處理控制芯片記錄下該頻率的聲音在基準(zhǔn)點(diǎn)的幅度；(4)信號(hào)處理控制芯片判斷增加頻率后的聲音幅度是否大于前一頻率下的聲音幅度。如果是，結(jié)束測(cè)量，以前一頻率為駐波頻率；如果否，重復(fù)步驟(3)；(5)信號(hào)處理控制芯片根據(jù)駐波頻率、聲波在空氣中的傳播速度和公式L=λ2=v2·f]]>計(jì)算L。
12.如權(quán)利要求11所述的聲波液位測(cè)量方法，其特征在于所述聲波發(fā)生單元包括一個(gè)諧波信號(hào)發(fā)生器、音頻功率放大器和一個(gè)揚(yáng)聲器。
13.如權(quán)利要求12所述的聲波液位測(cè)量方法，其特征在于所述的聲波接收單元包括麥克風(fēng)和麥克功率放大器，所述信號(hào)處理控制芯片和諧波信號(hào)發(fā)生器電性相連，所述音頻功率放大器電性連接于諧波信號(hào)發(fā)生器和揚(yáng)聲器之間，所述麥克風(fēng)與麥克功率放大器電性相連，所述模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換單元電性連接于信號(hào)處理控制芯片與麥克功率放大器之間；所述麥克風(fēng)位于揚(yáng)聲器的下方。
14.如權(quán)利要求13所述的聲波液位測(cè)量方法，其特征在于在上述步驟(2)中，包括如下步驟(11)信號(hào)處理控制芯片向諧波信號(hào)發(fā)生器發(fā)出控制指令，控制諧波信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生兩個(gè)或兩個(gè)以上周期的指定頻率的正弦信號(hào)，該正弦信號(hào)經(jīng)音頻功率放大器放大后驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器，揚(yáng)聲器對(duì)此放大的音頻信號(hào)進(jìn)行電聲轉(zhuǎn)換，向?qū)Рü馨l(fā)送指定頻率的聲音信號(hào)；(12)位于導(dǎo)波管頂端的麥克風(fēng)接收它在導(dǎo)波管位置處的聲音信號(hào)，麥克風(fēng)對(duì)其接收到的聲音信號(hào)進(jìn)行聲電轉(zhuǎn)換后，將其送到麥克功率放大器放大到一定幅度，然后經(jīng)模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)送到信號(hào)處理控制芯片。
15.如權(quán)利要求11或14所述的聲波液位測(cè)量方法，其特征在于在上述所述步驟(3)中，音頻信號(hào)的頻率的增加是以恒定步長(zhǎng)的方式增加。
16.如權(quán)利要求11或14所述的聲波液位測(cè)量方法，其特征在于在上述所述步驟(3)中，音頻信號(hào)的頻率的增加是以不定步長(zhǎng)的方式增加。
17.如權(quán)利要求11或14所述的聲波液位測(cè)量方法，其特征在于所述步驟(2)中的所述確定最小頻率由如下方法確定基準(zhǔn)點(diǎn)到液面的距離最大時(shí)，入射聲波與反射聲波在測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)所能產(chǎn)生第一次駐波的頻率，該最小的頻率為小于上述產(chǎn)生第一次駐波的頻率。
全文摘要
本發(fā)明的聲波液位測(cè)量裝置，包括導(dǎo)波管、信號(hào)處理控制芯片、聲波發(fā)生單元、聲波接收單元和模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器；聲波接收單元所在的位置設(shè)為測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)，此點(diǎn)與液面的距離為L(zhǎng)；信號(hào)處理控制芯片確定一個(gè)最低音頻信號(hào)的頻率，向聲波發(fā)生單元發(fā)送從該最低頻率開(kāi)始往上增加的頻率所對(duì)應(yīng)的控制指令，控制聲波發(fā)生單元產(chǎn)生兩個(gè)或兩個(gè)以上周期的控制指令所指定頻率的聲音信號(hào)；聲波接收單元接收聲波，并以電信號(hào)的形式傳送給模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)送到信號(hào)處理控制芯片以記錄下該頻率的聲音在基準(zhǔn)點(diǎn)的振幅，并將該頻率的聲音振幅與前一次所記錄的頻率聲音振幅進(jìn)行比較，找出第一個(gè)出現(xiàn)的最小振幅，儲(chǔ)存此最小的振幅，則此最小振幅的聲波所對(duì)應(yīng)的頻率為駐波的頻率，并根據(jù)聲波在空氣中的傳播速度、駐波的頻率和公式
文檔編號(hào)G01F23/296GK1587924SQ20041006235
公開(kāi)日2005年3月2日 申請(qǐng)日期2004年7月6日 優(yōu)先權(quán)日2004年7月6日
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