污水管渠7底部对信号进行接收及包络提取。由于发射、接收换能器具有的发射、接收指向性波束较宽(本实施例采用的防水型T/R40发射、接收换能器指向性波束角的宽度为60度，如图4(b)中虚线所示)且围绕传感器中心线对称分布，接收换能器3接收到的信号包络幅度实际上反映了在指向性波束宽度区域内的声信号传输特性，当管渠流过的污水中含有固体垃圾时，随着固体垃圾通过发射换能器2、接收换能器3的中轴线(如图4 (b)中点划线所示)，发射换能器2发射并被接收换能器3接收的信号指向性波束经历了未被遮挡、被部分遮挡、全部遮挡、被部分遮挡、未被遮挡这样一系列具有时间对称性的影响，反映在提取的接收信号包络上则呈现出如图4 (a)所示类似倒梯形的非均匀特征。则，包络经过模拟数字转换进入主控模块后，只需采用数字信号处理算法对接收换能器3接收信号包络中倒梯形非均匀性部分的凹陷度k及凹陷宽度w进行参数检测，即可获取污水中固体垃圾有无及其尺寸的信息。凹陷度k及凹陷宽度w分别定义为(如图4(a)所示):
W=信号幅度低于设定门限V的结束时刻t2 -信号幅度低于设定门限V的起始时刻
tl ；
k=tl到t2时刻之间信号幅度最小值；
门限值V根据现场污水、泵站粉碎设备等情况进行设定。
[0016]上述各参数的数字信号处理检测算法均可采用本领域通用的算法。经过对接收信号包络非均匀性特征的检测提取，凹陷度k反映了污水中固体垃圾等固体非均匀性造成的声传播被阻隔现象，凹陷宽度W则反映了固体垃圾的尺寸信息，尺寸越大的固体垃圾其对应的W参数越大。由于本实施例采用的是连续波发射、连续波探测及特征提取，利用包络非均匀性特征对污水中固体垃圾尺寸的探测具有较高的精度，同时可实现实时、在线监测。前述由于发射换能器2与接收换能器3之间污水液面出现变化造成的接收信号幅度变化由接收电路中增益控制芯片AD603根据主控模块输出的电压进行自动控制，具体实现过程为:主控处理器接收并判断当前平均信号幅度，并根据当前信号平均幅度从本实施例主控模块的数字模拟输出(DAC)端口 AINT2管脚输出适当的控制电压控制AD603芯片的增益(如图3所示)，从而可调整接收信号的幅度在适当的范围，不受管渠中污水液面变化的影响(在污水溢满状态下，发射、接收换能器均浸没于污水中时系统也可正常工作)。
[0017]主控模块S3C2440进行包络波形的非均匀性参数凹陷度k及凹陷宽度w检测后，可设定报警门限，一旦非均匀性参数超过报警门限，即可输出报警信号，启动排污泵站的相关粉碎设备进行固体垃圾的及时处理，从而避免堵塞造成的严重后果。由于采用连续波发射及接收处理，可实现对污水中固体垃圾的在线、实时处理。
[0018]实现污水管渠中固体垃圾的声纳在线监测的主要步骤可概括为:声信号发射、接收、信号包络提取、非均匀特征提取、判断输出步骤。具体思路为:利用安装在污水管渠7底部的发射换能器2发射连续正弦波，安装在污水管渠顶部的接收换能器3获取从底部向顶部传输的声信号，在信号接收电路中利用增益控制保持幅度基本一致，对信号进行放大、滤波、包络提取处理后，在主控模块中对信号包络的幅度变化及对称性变化特征参数进行提取，根据提取的非均匀性特征参数进行污水中固体垃圾信息判断，实现在线监测。
[0019]声信号发射接收步骤分别利用在污水管渠7底部、顶部位置固定的发射换能器2、接收换能器3发射声信号并接收；信号包络提取步骤通过接收声信号并进行前置放大、增益控制、带通滤波、包络提取；非均匀特征提取步骤则在对信号包络进行模数转换后进行包络中表征污水中固体垃圾通过的特征进行提取，获取固体垃圾的有无及尺寸大小信息；判断输出步骤根据提取的非均匀特征进行判断，并输出判断结果以供后续处理。针对污水管渠7中污水杂质、空间封闭狭小、液面变化的复杂情况，采用脉冲信号形式进行探测的各类常规方法及装置难以实现对固体垃圾存在及尺寸的检测。利用通用发射、接收换能器较宽的指向性波束具有的方位对称性进行固体垃圾的尺寸探测，采用简单方便的连续波非均匀特征探测手段来获取污水中固体垃圾的有无及尺寸信息，从而避免了使用复杂、高成本的阵列技术来形成尖锐探测波束；同时，在接收电路4中采用增益控制避免了发射、接收换能器间变化的污水液面造成的接收信号幅度变化对检测造成的影响。
[0020]本发明公开的污水管渠中固体垃圾在线监测声纳装置最大的特点在于借助简单、方便的声信号连续波非均匀性探测利用宽指向性波束实现对狭窄、封闭、水位变化的污水管渠中固体垃圾的存在及尺寸信息的提取，避免了传统可见光、电磁波、超声波等探测方法在该使用环境下的种种缺陷。同时，系统安装、使用、维护方便，成本低，便于与污水粉碎格栅组合构成污水中固体垃圾的自动监测、粉碎处理系统。
[0021]以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种污水管渠中固体垃圾的在线监测声纳装置，其特征在于:包括发射电路、发射换能器、接收换能器、声信号接收电路、模数转换模块和主控模块；所述发射电路产生发射信号并连接到发射换能器；发射换能器安装在污水管渠的底部，发射声信号；接收换能器安装在污水管渠的顶部，接收发射换能器所发出的信号；接收电路连接接收换能器，将接收换能器所接收到的声信号经前置放大、增益控制、带通滤波和包络检波处理后传送至模数转换模块，模数转换模块将经接收电路处理后的信号转换为数字信号；主控模块通过数据线连接模数转换模块，将模数转换模块所产生的数字信号进行特征提取，获得污水中固体垃圾的有无及尺寸信息，输出结果。2.根据权利要求1所述的污水管渠中固体垃圾的在线监测声纳装置，其特征在于:所述发射换能器和接收换能器选用防水型T/R40-16换能器，其中心频率为40kHz，指向性角60度，防水封装。3.根据权利要求1所述的污水管渠中固体垃圾的在线监测声纳装置，其特征在于:所述接收电路由前置芯片NJM2100组成的前置放大电路、AD603芯片组成的增益控制电路和MAX274芯片组成的40kHz带通滤波电路、NE5532芯片组成的包络检波电路和S3C2440微处理器的接口电路组成。4.根据权利要求1所述的污水管渠中固体垃圾的在线监测声纳装置，其特征在于:所述主控模块包括ARM9 S3C2440微处理器，发射电路由主控模块ARM9 S3C2440微处理器控制4046振荡电路输出40kHz连续信号。
【专利摘要】本发明公开了一种污水管渠中固体垃圾的在线监测声纳装置，包括发射电路、发射换能器、接收换能器、声信号接收电路、模数转换模块和主控模块；通过声信号发射、接收、信号包络提取、非均匀特征提取、获得污水中固体垃圾的有无及尺寸信息并输出结果。本发明能够有效地实现对污水管渠中固定垃圾进行在线声纳监测；借助简单、方便的声信号连续波非均匀性探测利用宽指向性实现对狭窄、封闭、水位变化的管渠中固体垃圾的存在及尺寸信息的提取，避免了传统可见光、电磁波、超声波探测方法在该使用环境下的种种缺陷；系统安装、使用、维护方便，成本低，便于与污水粉碎格栅组合构成污水中固体垃圾的自动监测、粉碎处理系统。
【IPC分类】G01S15/88
【公开号】CN105629243
【申请号】CN201410611280
【发明人】童峰, 郭子成, 林建光
【申请人】环创(厦门）科技股份有限公司
【公开日】2016年6月1日
【申请日】2014年11月4日
【公告号】WO2016070488A1