基于Labview的管道長度測量系統(tǒng)

高棱　劉詠梅　潘錦強

摘 要：文章基于Labview軟件開發(fā)環(huán)境，其測量原理采用管道內(nèi)聲波的共振原理以及快速傅里葉算法（FFT）。硬件部分包括一臺筆記本電腦、一臺聲音激發(fā)裝置和一個數(shù)據(jù)采集裝置；軟件部分包括數(shù)據(jù)分析處理、數(shù)據(jù)通訊、系統(tǒng)配置等模塊。試驗表明，本系統(tǒng)能實現(xiàn)全自動化測量管道長度，測量時間短，僅需15秒鐘就能實現(xiàn)自動化測量，在所測量的實例中，相對誤差均在0.7%以下。

關(guān)鍵詞：Labview；管道長度；FFT；聲卡

引言

在居民生活或者工業(yè)的應(yīng)用中，很多大長度管道一般都彎曲、深埋地下，測量較為困難。傳統(tǒng)的測量方法一般是運用手工丈量，勞動強度高，且準確率低。通過查閱文獻可知，已有一些研究采用激光測量的方式測量管道長度[1-4]，但是其激光設(shè)備成本高，且無法實現(xiàn)彎折管道測量；也有相關(guān)研究采用聲波定位的方式測量[5-6]，通過聲波在管道傳播的距離來實現(xiàn)管件長度的測量，但其無法實現(xiàn)單端測量，且無法適用于彎折管道測量；也有文獻采用聲波共振原理測量管道長度[7]，但其系統(tǒng)采用時域音頻信號，測量時間長，需3分鐘的測量時間，且因基于STC89C52單片機系統(tǒng)，測量精度也較低，實驗誤差為1.5%以下。因此，作者開發(fā)一款基于Labview的管道長度測量系統(tǒng)，以管道內(nèi)空氣柱的共振原理為理論基礎(chǔ)，以筆記本電腦聲卡作為數(shù)據(jù)信號采集裝置，采用快速傅里葉（FFT）頻域分析法，具有成本低廉、測量時間短、精度高以及抗干擾強的優(yōu)點，解決了彎曲管道的長度和深埋地下的管道長度的測量等難題。

1 測量原理

當(dāng)聲波為低頻波時，也即存在管道直徑d與波長？姿比小于0.5時，聲波在管道內(nèi)傳播可看成一維平面波。當(dāng)沿著管道傳播的方向的激發(fā)聲波與反方向傳播的反射聲波疊加時，在管道內(nèi)形成了駐波產(chǎn)生共振。其中管道的長度與聲音共振的頻率相關(guān)，通過公式推導(dǎo)可知

2 管道長度自動測量系統(tǒng)設(shè)計

此測量系統(tǒng)主要包括兩部分，硬件部分以及軟件部分。由拾音器模塊、聲音播放模塊和筆記本電腦構(gòu)成系統(tǒng)的硬件部分，基于Labview的數(shù)據(jù)處理分析構(gòu)成軟件部分。

2.1 硬件設(shè)計

2.1.1 拾音器MSMAS42Z傳感器

聲音信號的采集是該系統(tǒng)的關(guān)鍵，對于該系統(tǒng)傳感器需要滿足的條件有：（1）靈敏度高，能夠較好的聲壓信號。（2）對不同頻率的響應(yīng)較一致，即對相同響度的不同頻率采集到的響應(yīng)較一致。

本系統(tǒng)選用MSMAS42Z拾音器傳感器，MSMAS42Z是由敏芯微電子技術(shù)有限公司生產(chǎn)的微型麥克風(fēng)傳感器，該麥克風(fēng)傳感器性能優(yōu)越，具有較好的響應(yīng)曲線，從圖1中可看出，從250Hz至450Hz的響應(yīng)曲線都比較平緩，響應(yīng)較為一致，失真率較小。滿足系統(tǒng)的靈敏度和響應(yīng)一致性的要求。

2.1.2 聲音播放裝置

采用音箱型號為MD-95，該型號的音箱使用較為普遍，容易購買，價格低廉。由信號發(fā)送裝置驅(qū)動該音箱，信號發(fā)送裝置為普通的USB閃存盤，里面裝載了特制的音頻信號。該音頻信號是由Adobe Audition特殊調(diào)制的音頻信號，是由頻率為250Hz到450Hz的間隔為0.5Hz的正弦波信號合成的音頻信號。合成該信號的各個頻率的振幅都相同，以保證激發(fā)信號的一致性。

2.1.3 聲音采集模塊

聲音采集部分主要為筆記本電腦的聲卡，在文章中采用Realtek

ALC269 High Definition Audio聲卡，聲音信號通過筆記本電腦的麥克風(fēng)輸入端口將數(shù)據(jù)輸入聲卡。該聲卡集成于筆記本電腦，價格低廉，相比較價格昂貴的數(shù)據(jù)采集卡，具有更較大的價格優(yōu)勢[8-9]。

2.2 軟件設(shè)計

2.2.1 軟件的結(jié)構(gòu)設(shè)計

管道長度測量系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，軟件工作流程圖如圖3所示。

在Labview強大功能的支持下，大大的簡化了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，只需一個操作界面就能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、處理以及顯示，使得管道的測量操作極大的簡化。所有的操作在前面板上即可實現(xiàn)，測量系統(tǒng)的操作界面如圖4所示。

2.2.2 數(shù)據(jù)處理核心

由MSMAS42Z傳感器采集到的聲壓信號為時域信號，為得出管道的共振頻率，需要利用FFT算法對時域信號進行計算方可得出頻域信號。因此，本系統(tǒng)調(diào)用Labview的FFT頻譜算法模塊，計算頻域信號。

一方面考慮到傳感器對較低的音頻信號響應(yīng)較差，另一方面由于高頻音頻信號不可當(dāng)成簡單的平面波導(dǎo)致不適用于本系統(tǒng)，因此數(shù)據(jù)處理模塊首先需要對時域信號進行濾波處理。本數(shù)據(jù)處理核心采用帶通濾波器，分別過濾掉頻率高于450Hz和低于250Hz的頻率。

3 測量結(jié)果

通常情況下，閉口測量會比開口測量更為繁瑣，如閉口測量需要密封末端端口，因此為了滿足管道測量的方便性，本系統(tǒng)選用單端開口測量，將拾音器和揚聲器放置于管道的同一端口，此種測量方式便于操作，僅需單端放置測量系統(tǒng)即可測量管道的長度。圖5是將采集到的音頻信號進行了FFT算法變換后的頻譜圖。在系統(tǒng)設(shè)計要求中，利用濾波器過濾掉了250Hz以下和450Hz以上的頻率，因此本系統(tǒng)也選取250Hz～450Hz之間的共振頻率作為計算數(shù)據(jù)進行計算。由圖5可以清楚看到管道的空氣柱的共振頻率，其中管道的相鄰共振頻率之間有著固定的差值，從而由公式（2）可以計算得出管道的長度。

在實驗中，本測量系統(tǒng)分別了2m到10m的直管和彎折管，部分管道的測量結(jié)果如表1所示。由表1可見，在已測的各種管件中，很容易看出，相比較已知的管道長度，測量的管道長度的相對誤差均處于0.7%以下，符合實驗誤差范圍內(nèi)，具有較高的實用價值。

4 誤差分析

本測量系統(tǒng)的誤差來源主要有：

（1）工作環(huán)境的聲速影響

由于本系統(tǒng)利用單端開口測量公式（2）來計算管道長度，由公式（2）可知參數(shù)聲速的準確性會對測量精度結(jié)果產(chǎn)生較大的影響。本系統(tǒng)定義聲速為340m/s，但在實際現(xiàn)場的聲度會受到溫度、空氣密度等影響，從而影響測量的精度。

（2）硬件系統(tǒng)的局限性

當(dāng)采用FFT算法計算共振頻率時，其準確性與拾音器的性能、聲卡的采樣間距、處理器的運算速度等因素有關(guān)。任何硬件系統(tǒng)都無法完全消除誤差，因此會對實際測量結(jié)果產(chǎn)生誤差。

（3）管端修正誤差

由公式（2）可知，當(dāng)采用單端開口測量時，需要增加一項修正項△l，由于該修正項本身存在近似誤差和管內(nèi)徑測量誤差，因而對管長測量產(chǎn)生影響。

5 結(jié)束語

（1）基于強大的Labview虛擬儀器技術(shù)，結(jié)合管內(nèi)空氣柱與聲音的共振的基本理論，通過FFT算法精準的計算出共振頻率，本系統(tǒng)實現(xiàn)了管道的自動化測量，測量誤差小，實驗相對誤差均小于0.8%，測量誤差小。（2）本系統(tǒng)核心組成部分為Labview軟件，其硬件部分為簡單的傳感器的電路以及筆記本電腦，而筆記本電腦已經(jīng)普及，同時利用聲卡作為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相比較昂貴的數(shù)字采集卡具有成本低廉的優(yōu)點。（3）本系統(tǒng)抗干擾能力強，工作穩(wěn)定，容易攜帶，方便于在各種室外環(huán)境中進行作業(yè)。同時由于采用單端測量，可以避免在諸如深埋地下管道等無法確定管道另外一端口的測量難題。（4）基于筆記本的強大處理能力，在熟練操作的情況下，整個測量時間僅為15秒，就能實現(xiàn)管道長度的快速測量。（5）本測控系統(tǒng)，自動化程度高，大大簡化了操作，降低了科研人員的工作強度，具有較廣的市場前景。

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