料仓物料立体分布的检测装置的制作方法

本实用新型涉及料仓物料分布检测技术领域，特别涉及一种基于声波反射原理的料仓物料立体分布的检测装置。

背景技术：

料仓是存放物料的容器，上部大多是圆柱形或棱柱形，下部收缩为开有卸料口的锥形漏斗，通常体积较大，若其内存放固体颗粒物料时，仓内物料的立体分布状况很难检测。

目前用于检测料仓内物料分布的方法通常为雷达、超声波或重锤等，但料仓通常为密闭结构，其内部环境较恶劣，当料仓内粉尘或水汽较大时，目前的检测方法均存在检测不准确的问题，并且目前的检测方法都只能完成仪表安装位置的垂直方向的距离检测，而料仓内的固体物料分布并不会像液体物料一样形成一个平面，固体物料的分布通常是高低不平的，不同位置的物料高度肯定不同，因此目前的检测方法根本无法准确的获料仓内物料真实的分布情况，从而无法准确的获知料仓内物料的存量。

技术实现要素：

针对以上缺陷，本实用新型的目的是提供一种料仓物料立体分布的检测装置，此料仓物料立体分布的检测装置能够准确的检测出料仓内固体物料的立体分布情况，从而准确的获知料仓内物料的存量。

为了实现上述目的，本实用新型的技术方案是：

一种料仓物料立体分布的检测装置，包括扬声器组及检测电路；所述检测电路包括cpu电路及分别与所述cpu电路电连接的发射电路、接收电路和测温电路，所述发射电路和所述接收电路分别与所述扬声器组电连接；所述检测电路还包括用于给所述cpu电路、所述发射电路、所述接收电路和所述测温电路供电的电源电路。

其中，所述扬声器组包括三颗扬声器，三颗所述扬声器呈三角形分布。

其中，所述cpu电路包括cpu芯片，用于生成声波激励信号给所述发射电路，接收和处理所述接收电路传输的信号，得出所述料仓物料的立体分布图形。

其中，所述发射电路包括功率放大器，用于将所述cpu电路生成的声波激励信号输出给所述扬声器组以产生声波。

其中，所述接收电路包括音频放大器，通过所述扬声器组获取所述声波的反射信号，并将获取的所述反射信号放大后传输给所述cpu电路。

其中，所述测温电路用于检测所述料仓内的温度，并将检测到的温度信号传输给所述cpu电路。

采用了上述技术方案后，本实用新型的有益效果是：

由于本实用新型料仓物料立体分布的检测装置基于调制激励的声波反射式方法检测料仓内的物料，声波检测由于所用频率低，相对于现有的检测方式波长更长，5khz时即可达到70mm，对于各类粉尘、水汽等均具有良好的穿透效果，检测结果更准确；而且由于声波频率低，在空气中相对于超声波衰减速度更慢，传播距离更远，检测范围可达十几米，能够适应大型料仓内的物料检测；且由于声波扬声器产生的声场声束角大，可覆盖的范围广，不仅可以实现仪器垂直方向的物料检测，还可以实现较大范围内物料反射面的回波信号检测，由此可用于对直径较大的料仓料位分布情况进行检测，能够准确的检测出料仓内固体物料的料位立体分布情况，从而准确的获知料仓内物料的存量。

综上所述，本实用新型料仓物料立体分布的检测装置解决了现有技术中料仓料位检测准确性差的技术问题，本实用新型料仓物料立体分布的检测装置能够准确的检测出料仓内固体物料的料位立体分布情况，从而准确的获知料仓内物料的存量。

附图说明

图1是本实用新型料仓物料立体分布的检测装置所采用的检测方法的目标物反射算法示意图；

图2是本实用新型料仓物料立体分布的检测装置的结构框图；

图3a是图2中cpu电路的原理图；

图3b是图2中cpu电路的原理图；

图4是图2中发射电路的原理图；

图5是图2中接收电路的原理图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，进一步阐述本实用新型。

本说明书中涉及到的方位均以附图所示方位为准，仅代表相对的位置关系，不代表绝对的位置关系。

图2所示，一种料仓物料立体分布的检测装置，包括扬声器组及检测电路，检测电路包括cpu电路、发射电路、接收电路、测温电路和电源电路。发射电路与cpu电路和扬声器组电连接，发射电路从cpu电路接收声波激励信号并放大后发送给扬声器组，发射完成后将发射完成信号反馈给cpu电路。接收电路与cpu电路和扬声器组电连接，接收电路接收cpu电路发送的接收控制信号后，开始接收扬声器组发送来的声波反射信号，并将接收到的声波反射信号进行截取和放大后传输给cpu电路。测温电路与cpu电路电连接，用于检测料仓内的空气温度，并将检测到的温度值转换成电压信号传输给cpu电路。电源电路与cpu电路、发射电路、接收电路和测温电路电连接，用于为各电路提供所需的电源。

如图1所示，扬声器组包括三颗扬声器，本实施方式优选三颗扬声器均为高音扬声器。本实施方式进一步优选三颗扬声器呈三角形分布。扬声器组从发射电路接收激励信号，将激励信号转换成声波发出，声波发射出去后遇到物料时会被阻挡反射，扬声器组接收声波的反射信号，并将接收到的声波反射信号传输给接收电路。

如图2、图3a、图4和图5共同所示，因扬声器共设有三颗，故发射电路和接收电路也都各设有三个，三个发射电路结构均相同，三个接收电路结构均相同。因三个发射电路的结构相同，故附图中只给出了一个发射电路的原理图，另两个发射电路的原理图在此省略。因三个接收电路的结构相同，故附图中只给出了一个接收电路的原理图，另两个接收电路的原理图在此省略。

如图3a和图3b共同所示，cpu电路包括cpu芯片及外围电路，用于生成声波激励信号给发射电路，接收和处理接收电路传输的声波反射信号，计算得出料仓物料的立体分布图形。本实施方式优选cpu芯片的型号为stm32f407vgt6。cpu芯片的第30管脚、第32管脚和第34管脚同时电连接三个发射电路，cpu芯片的第92管脚、第93管脚和第95管脚分别电连接三个发射电路。cpu芯片的第23管脚和第79管脚电连接第一个接收电路，cpu芯片的第24管脚和第80管脚电连接第二个接收电路，cpu芯片的第25管脚和第7管脚电连接第三个接收电路。cpu芯片的第97管脚电连接测温电路。cpu芯片的第11管脚、第19管脚、第28管脚、第50管脚、第75管脚、第100管脚和第22管脚均通过滤波电路电连接电源电路。cpu芯片的第72管脚和第76管脚电连接接口端子，用于下载程序。

如图3a和图4共同所示，发射电路包括接口芯片、功率放大器和开关芯片，用于将cpu电路生成的声波激励信号放大后输出给扬声器组以产生声波。本实施方式中接口芯片的型号为ad5601bksz-d3v，功率放大器的型号为tpa311，开关芯片的型号为adg884brmz。接口芯片的第1管脚通过上拉电阻电连接电源电路，其第1管脚还电连接cpu芯片的第92管脚、第93管脚或第95管脚，本实施方式中第一个发射电路电连接第92管脚，第二个发射电路电连接第93管脚，第三个发射电路电连接第95管脚。接口芯片的第2管脚电连接cpu芯片的第30管脚，接口芯片的第3管脚电连接cpu芯片的第32管脚。接口芯片的第6管脚通过阻容滤波电路电连接功率放大器的第4管脚。功率放大器的第5管脚电连接开关芯片的第2管脚，功率放大器的第8管脚电连接开关芯片的第10管脚。开关芯片的第9管脚和第3管脚分别电连接扬声器的正负两端，其中第一个发射电路电连接第一颗扬声器的正负两端，第二个发射电路电连接第二颗扬声器的正负两端，第三个发射电路电连接第三颗扬声器的正负两端。开关芯片的第4和第8管脚均电连接cpu芯片的第34管脚，用于将发射完成信号反馈给cpu电路。

如图3a和图5共同所示，接收电路包括音频放大器和运算放大器，通过扬声器组获取声波的反射信号，并将获取的反射信号放截取放大后传输给cpu电路。本实施方式中音频放大器的型号为ada4841-1yrz，运算放大器的型号为opa373a。音频放大器的第7管脚和第4管脚电连接电源电路。音频放大器的第2管脚电连接扬声器的负端，其中第一个接收电路电连接第一颗扬声器的负端，第二个接收电路电连接第二颗扬声器的负端，第三个接收电路电连接第三颗扬声器的负端。音频放大器的第6管脚通过阻容滤波电路电连接运算放大器的第4管脚。运算放大器的第6管脚电连接cpu芯片的第23管脚、第24管脚或第25管脚，第一个接收电路电连接第23管脚，第二个接收电路电连接第24管脚，第三个接收电路电连接第25管脚。运算放大器的第8管脚电连接cpu芯片的第79管脚、第80管脚或第7管脚，第一个接收电路电连接第79管脚，第二个接收电路电连接第80管脚，第三个接收电路电连接第7管脚。

如图3a所示，测温电路用于检测料仓内的温度，并将检测到的温度信号传输给cpu电路。测温电路包括温度传感器，本实施方式中温度传感器的型号为ds18b20。温度传感器的第1管脚电连接电源电路，温度传感器的第2管脚电连接cpu芯片的第97管脚。

上述的料仓物料立体分布的检测装置形成的检测方法，包括如下步骤：

s1、通过扬声器组发射声波并接收所述声波的反射信号，所述扬声器组包括三颗扬声器；

s2、检测当前所述料仓内的空气温度，根据所述空气温度计算出当前空气中的声速；

s3、将接收到的所述反射信号转换成数字波形数据，根据所述数字波形数据的波峰值所对应的时间值及所述声速计算出目标物与所述扬声器的距离值；

s4、根据所述距离值计算出所述目标物的空间位置坐标；

s5、保留有效的目标物的空间位置坐标，由保留下的各所述目标物的空间位置坐标构成完整的反射面位置信息；

s6、在一个完成的发射周期循环中，三颗所述扬声器分别作为坐标零点进行发射，由此获得三组物料立体分布信息，将三组所述物料立体分布信息进行合并，最终形成料仓内物料的立体分布图形。

在步骤s1中，声波的发射采用调制激励声波发射方式，发射信号采用调节脉冲串形式，脉冲串的频率为5khz，脉冲个数为8.5个，调制窗口函数为改进的升余弦窗函数，具体计算公式如式（1）所示：

(1)

式中，t——时间（s），y——输出。

三颗扬声器作为发射和接收传感器，工作时三颗扬声器循环作为发射扬声器工作。每个发射周期中，其中有一颗扬声器进行发射，发射结束后三颗扬声器均进入接收模式，按照预设的料仓最大距离折算的传播时间值，当超过这个时间段后，结束接收过程，进入信号处理及计算流程，由此完成一个完整发射周期。

在步骤s2中，温度传感器检测当前空气温度并传输给cpu电路，由此确定当前空气中的声速，温度与声速对应计算公式如式（2）所示：

(2)

式中，s——声速（m/s），t——温度（℃）。

在步骤s3中，cpu电路对接收的声波反射信号转换为数字波形数据，根据波形峰值对应的时间值，按照当前空气中声速计算出目标物（即声波发射出去后遇到的阻挡物，即物料）与扬声器的距离，具体计算过程如式（3）所示：

(3)

式中，d——距离（m），tf——峰值时间（s）。

在步骤s4中，根据三颗扬声器与目标物的距离值，计算出目标物的空间位置，算法原理如图1所示，给定三颗扬声器发射口的中心点坐标，根据返射声波时间，已知各扬声器输出口到距离待求点（x，y，z）的距离为da、db、dc。具体计算过程如式（4）所示：

(4)

在步骤s5中，多个目标物反射信号会在接收信号中产生多个波形峰值，采用上述方法，对三颗扬声器获得的接收信号峰值点距离值进行排列组合，由此计算出一系列假想反射面，然后根据预设的扬声器安装的位置坐标、料仓直径、料仓最大距离等限定目标坐标范围（xmin，xmax）、（ymin，ymax）、（zmin，zmax），在限定目标坐标范围内的目标物的空间位置坐标予以保留，其他予以剔除，从而获得完整的物料反射面位置信息。

由上述实施例可知，本实用新型料仓物料立体分布的检测装置及方法基于调制激励的声波反射式方法检测料仓内的物料，能够准确的检测出料仓内固体物料的料位立体分布情况，从而准确的获知料仓内物料的存量。

本实用新型不局限于上述具体的实施方式，本领域的普通技术人员从上述构思出发，不经过创造性的劳动，所做出的种种变换，均落在本实用新型的保护范围之内。