基于Labview的管道長度測量系統

高棱　劉詠梅　潘錦強

摘 要：文章基于Labview軟件開發環境，其測量原理采用管道內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、一臺聲音激發裝置和一個數據采集裝置；軟件部分包括數據分析處理、數據通訊、系統配置等模塊。試驗表明，本系統能實現全自動化測量管道長度，測量時間短，僅需15秒鐘就能實現自動化測量，在所測量的實例中，相對誤差均在0.7%以下。

關鍵詞：Labview；管道長度；FFT；聲卡

引言

在居民生活或者工業的應用中，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]，但是其激光設備成本高，且無法實現彎折管道測量；也有相關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管件長度的測量，但其無法實現單端測量，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，測量精度也較低，實驗誤差為1.5%以下。因此，作者開發一款基于Labview的管道長度測量系統，以管道內空氣柱的共振原理為理論基礎，以筆記本電腦聲卡作為數據信號采集裝置，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，聲波在管道內傳播可看成一維平面波。當沿著管道傳播的方向的激發聲波與反方向傳播的反射聲波疊加時，在管道內形成了駐波產生共振。其中管道的長度與聲音共振的頻率相關，通過公式推導可知

2 管道長度自動測量系統設計

此測量系統主要包括兩部分，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成系統的硬件部分，基于Labview的數據處理分析構成軟件部分。

2.1 硬件設計

2.1.1 拾音器MSMAS42Z傳感器

聲音信號的采集是該系統的關鍵，對于該系統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）對不同頻率的響應較一致，即對相同響度的不同頻率采集到的響應較一致。

本系統選用MSMAS42Z拾音器傳感器，MSMAS42Z是由敏芯微電子技術有限公司生產的微型麥克風傳感器，該麥克風傳感器性能優越，具有較好的響應曲線，從圖1中可看出，從250Hz至450Hz的響應曲線都比較平緩，響應較為一致，失真率較小。滿足系統的靈敏度和響應一致性的要求。

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。由信號發送裝置驅動該音箱，信號發送裝置為普通的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輸入端口將數據輸入聲卡。該聲卡集成于筆記本電腦，價格低廉，相比較價格昂貴的數據采集卡，具有更較大的價格優勢[8-9]。

2.2 軟件設計

2.2.1 軟件的結構設計

管道長度測量系統的軟件結構示意圖如圖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，大大的簡化了系統的結構，只需一個操作界面就能實現數據的采集、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，測量系統的操作界面如圖4所示。

2.2.2 數據處理核心

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，本系統調用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較差，另一方面由于高頻音頻信號不可當成簡單的平面波導致不適用于本系統，因此數據處理模塊首先需要對時域信號進行濾波處理。本數據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。在系統設計要求中，利用濾波器過濾掉了250Hz以下和450Hz以上的頻率，因此本系統也選取250Hz～450Hz之間的共振頻率作為計算數據進行計算。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，本測量系統分別了2m到10m的直管和彎折管，部分管道的測量結果如表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，具有較高的實用價值。

4 誤差分析

本測量系統的誤差來源主要有：

（1）工作環境的聲速影響

由于本系統利用單端開口測量公式（2）來計算管道長度，由公式（2）可知參數聲速的準確性會對測量精度結果產生較大的影響。本系統定義聲速為340m/s，但在實際現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）硬件系統的局限性

當采用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。任何硬件系統都無法完全消除誤差，因此會對實際測量結果產生誤差。

（3）管端修正誤差

由公式（2）可知，當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徑測量誤差，因而對管長測量產生影響。

5 結束語

（1）基于強大的Labview虛擬儀器技術，結合管內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，本系統實現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，而筆記本電腦已經普及，同時利用聲卡作為數據采集系統相比較昂貴的數字采集卡具有成本低廉的優點。（3）本系統抗干擾能力強，工作穩定，容易攜帶，方便于在各種室外環境中進行作業。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，就能實現管道長度的快速測量。（5）本測控系統，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。

參考文獻

[1]孫渝生，張自棟.激光在線長度測量儀[J].應用激光，1996（1）：17-18.

[2]蘇俊宏.用激光干涉法測量長度的智能化處理技術研究[J].應用光學，2002，23（5）：11-13.

[3]盧明昌，于亦明，鞠武，等.油管智能激光測長系統[J].石油機械，2004，29（8）：34-36.

[4]婁淑琴，孫君曼.激光長度測量的研究[J].鄭州輕工業學院學報：自然科學版，1997（1）：18-21.

[5]童峰，許水源，許天增.一種高精度超聲波測距處理方法[J].廈門大學學報：自然科學版，1998（4）：507-512.

[6]鄭英，葉念渝.管長聲波測量法的開發與研究[J].微處理機，2000（1）：48-51.

[7]郭天葵，鐘會林，周述蒼，等.基于聲共振原理的管道長度測量儀[J].物理實驗，2012，32（5）：28-30.

[8]尚曉輝，王健，劉銳，等.基于LabVIEW的聲卡數據采集與實時處理系統設計[J].軍事通信技術，2012（2）.

[9]孫愛晶，劉毓，馬賀洲.基于LabVIEW的聲卡數據采集及濾波處理設計[J].自動化與儀表，2009，24（5）：45-47.