一种声压法测量不规则容器容积的系统及方法

技术领域

本发明属于测量仪器技术领域，具体涉及一种声压法测量不规则容器容积的方法及系统。

背景技术

工业设计中通常涉及大量的精密器件，尤其是航天航空等领域，需要制造满足规格要求的小型容器，在测量这些形状不规则、内部结构复杂的容器容积时，通常采用的充液称重法、恒压气体置换法、定量充气膨胀法、压力激励法等，这些方法往往存在无法简便有效地实现测定的问题，亦或者是测量装置过于复杂导致方法本身无法实际应用。

如蔺金贤(蔺金贤,钟志京,张豫川,等.不规则形状容器容积的两种快速标定方法[J].真空科学与技术学报,2015,35(01):57-61.)等人设计了一套容积标定装置，并采用该装置建立了“线性回归法”和“气态方程法”两种方法对特殊容器内部总容积进行标定，这两种标定方法是在真空条件下获取容器内压力变化Δp 和抽取气体累积容积ΔV 的数据，基于气态方程和线性回归方法建立关系表达式，从而直接计算出待标定容器的容积。该方法在测算的过程中，不仅对密闭的要求较高，而且测算精准度会受到待标定容器的内部压力影响。在测量过程中，持续抽气会造成压力过低，以及真空系统中转移气体过程产生的质量歧视效应使空气成分比例发生变化，进一步影响气态方程的应用发生偏离，引起测量误差。同时，以真空泵抽取空气的方式获得容器内压强变化的方式装置较为复杂，使用不够简单方便。

发明内容

本发明针对现有技术存在的问题，提出了一种声压法测量不规则容器容积的方法，该方法无需在真空条件下进行压强置换进行测量，提供了结构简单、测量方便的系统及方法。

本发明是通过以下技术方案得以实现：

一种声压法测量不规则容器容积的方法，包括步骤：

S1、测量当前环境参数；

S2、扬声器在相应容积标准腔体内发出预设强度声信号，并通过麦克风接收标准腔体内的声压数据；

S3、重复步骤S2，以获取不同容积标准腔体对应的不同声压数据；

S4、基于不同容积标准腔体对应的不同声压数据，生成当前环境参数下可根据声压数据计算出容器容积的容积-声压线性回归方程式；由于空气压力P-容积V关系公式知声压信号与容积为曲线关系，为了方便，对声压数据进行取倒数，就得到声压-容积直线关系，倒数关系式的设置方便主控模块的测算。

S5、重复步骤S1-S4，以获取不同环境参数下对应的容积-声压线性回归方程式；

S6、扬声器在待测量的不规则容器内发出预设强度声信号，并通过麦克风接收不规则容器内的声压数据；

S7、测量实际环境参数，根据实际环境参数选取相应的容积-声压线性回归方程式，并基于不规则容器内的声压数据计算得到不规则容器的容积。

进一步优选地，环境参数包括空气温湿度数值、大气压数值。还提供一种声压法测量不规则容器容积的系统，基于上述的一种声压法测量不规则容器容积的方法，包括检测模块、主控模块、多个不同容积标准腔体，检测模块包括扬声器、麦克风，主控模块包括相连的主控单元、环境参数测量单元，主控单元与检测模块连接。

扬声器，用于在不同容积标准腔体中或不规则容器中发出预设强度声信号；

麦克风，用于接收不同容积标准腔体中或不规则容器中的声压数据；

环境参数测量单元，用于测量环境参数，包括大气压、温湿度；

主控单元，用于发送音频信号至扬声器以及接收麦克风反馈的声压数据，还用于根据不同环境参数下的不同容积标准腔体对应的不同声压数据，生成不同环境参数下对应的容积-声压线性回归方程式，并根据相应环境参数下的容积-声压线性回归方程式计算得到相应环境参数下的不规则容器的容积。

进一步优选地，配备多个不同容积的标准腔体。如装置的最大测量范围为V，则标准腔的容积一般为：0.05V、0.1V、0.2V、0.5V、1V，如果需要进一步提高测量的精度，可以增加标准腔的个数。

进一步优选地，主控模块还包括调制解调单元，调制解调单元分别与主控单元、检测模块连接。调制解调单元，用于将音频信号转换为模拟信号并发送至扬声器，还用于将麦克风反馈的声压数据转换为数字信号并发送至主控单元。

进一步优选地，调制解调单元与检测模块之间连接有放大电路，用于提高信噪比。

进一步优选地，环境参数测量单元包括温湿度传感器、大气压传感器，用来记录不同情况下的环境质量。

进一步优选地，主控单元内置带通滤波器，所述带通滤波器用于对数字信号做带通滤波处理。

进一步优选地，还包括与主控单元连接的显示屏，显示屏用于显示容积数据，显示屏也可以进行独立的测量操作。

进一步优选地，主控单元设有用于连接移动终端的USB接口，以将容积数据导入连接的移动终端。

所述的一种声压法测量不规则容器容积的方法与现有的技术相比具有如下的优点和显著的效果：

第一、本发明提供了一种新的测量容器容积的思路，为用户提供更多测量容器容积的选择。

第二、本发明所述的方法适用于一些结构复杂、不规则容器，操作过程中不需要进行液体置换、真空抽气，避免了真空系统中转移气体过程产生的质量歧视效应。

第三、本发明测算数据基于线性回归方程，测量前多次校准，具有精确的数据库，可以大规模、一次性测算多组容器的容积，实现快速精准的数据测量。

第四、本发明系统的装置结构简单，操作方便，实用性强。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一种声压法测量不规则容器容积的系统的结构示意图；

图2为本发明一种声压法测量不规则容器容积的方法流程图；

图3为本发明一种声压法测量不规则容器容积的方法实测案例导出的容积-声压线性拟合关系图。

具体实施方式

下面通过具体实施例和附图对本发明作进一步的说明。本发明的实施例是为了更好地使本领域的技术人员更好地理解本发明，并不对本发明作任何的限制。

实施例一：

声压法测容积的原理主要基于气体的压缩定律。在绝热条件下，一个密闭腔体内的空气压力P与容积V满足如下关系:

其中，γ表示空气的定压比热与定容比热之比，标准大气压下约为1.4。const表示常数。如果将一个麦克风和一个扬声器固定在密闭容器的壁上，在扬声器的输出声压不变的情况下，容器的容积V越大，麦克风检测到的声压则越小，其变化关系仍满足上述公式。所以，通过声压数据可以精准反映容器容积的大小，在测量装置数据运算时，利用该数理关系可以提供一种新的测算方法。

本发明一种声压法测量不规则容器容积的系统，包括检测模块、主控模块、多个不同容积标准腔体，检测模块包括扬声器、麦克风，主控模块包括相连的主控单元、环境参数测量单元，主控单元与检测模块连接。检测模块内的扬声器，用于在不同容积标准腔体中或实际被测量的不规则容器中发出主控单元预设强度的声信号；检测模块内的麦克风，用于接收不同容积标准腔体中或实际被测量的不规则容器中的声压数据；环境参数测量单元包括温湿度传感器、大气压传感器，与主控模块相连，用于测量环境参数，包括温湿度数据、大气压数据。

主控单元，用于发送音频信号至扬声器以及接收麦克风反馈的声压数据，以及通过显示屏显示出实时数据；主控单元还用于根据不同环境参数下的不同容积标准腔体对应的不同声压数据，生成不同环境参数下对应的容积-声压线性回归方程式，并根据相应环境参数下的容积-声压线性回归方程式计算得到相应环境参数下的不规则容器的容积。生成的容积-声压线性回归方程式可以存储于主控模块，独立完成测算以及记录。

特别的，主控单元可以但不限于为MCU、DSP等主控芯片，以MCU芯片为例，所有的音频信号的数据均由MCU产生，不需要额外的信号发生电路。

主控模块还包括调制解调单元和其他外围设备，调制解调单元分别与主控单元、检测模块连接。调制解调单元，可以不限于为音频CODEC、ADC、DAC芯片，用于进行模数、数模信号的相互转换，将芯片处理的数字信号转变成人耳能听到的模拟信号，以及将收音的模拟声信号转换为电脑能够处理的数字信号的编码。主控单元输出的音频信号可以为纯音正弦信号，将数字信号转换为模拟信号并发送至扬声器，还用于将麦克风反馈的声压数据转换为数字信号并发送至主控单元。在扬声器支持的音频范围内，还可以通过改变预设信号的振幅，进行对比测量，同样可以得出实际容器的容积数据。

虽然扬声器是被主控模块的信号驱动，但是麦克风采集到的信号不可避免的会有谐波，会对测量结果产生未知的影响。为提高测量的准确性，主控模块对采集到的信号做带通滤波处理，除去外界杂音，带通滤波器的中心频率为驱动扬声器的频率。调制解调单元与检测模块之间还连接有放大电路，用于放大麦克风的探测信号，提高信噪比。

此外，外围设备包括USB接口，该接口可与包括电脑PC端、移动端等上位机相连，进行仪器参数的设置、多组数据的一次性导出、形成数据分析库等。另外，还设有必要辅助部件，如线缆用于连接探测模块和主控模块；主控模块上的按键，用于开启、暂停、关闭设备运行等。

所述的一种声压法测量不规则容器容积的方法与现有的技术相比具有如下的优点和显著的效果：

第一、本发明提供了一种新的测量容器容积的思路，为用户提供更多测量容器容积的选择。

第二、本发明所述的方法适用于一些结构复杂、不规则容器，操作过程中不需要进行液体置换、真空抽气，避免了真空系统中转移气体过程产生的质量歧视效应。

第三、本发明测算数据基于线性回归方程，测量前多次校准，具有精确的数据库，可以大规模、一次性测算多组容器的容积，实现快速精准测量。

第四、本发明系统的装置结构简单，操作方便，实用性强。

实施例二：

参照图2所示，本实施例提供一种声压法测量不规则容器容积的方法，包括步骤：

S1、测量当前环境参数；

在高原地区等特殊条件下，与一般地区的气候条件相差较大，特殊情况下，需要关注进行环境参数的变化，进行数据校准，若在同一区域的测量，环境参数相对稳定，变化不大。

S2、扬声器在相应容积标准腔体内发出预设强度声信号，并通过麦克风接收标准腔体内的声压数据；

检测模块，外面套有一个具有一定弹性的硅胶套，测量时覆盖于待测容器的开口处。开始测试时，主控单元通过调幅可以预设信号强度，随之扬声器在相应容积标准腔体内发出由主控单元预设强度声信号，并通过麦克风接收标准腔体内的声压数据，数据传输至主控单元实时显示于与其相连的显示屏。

S3、重复步骤S2，以获取不同容积标准腔体对应的不同声压数据。

S4、基于不同容积标准腔体对应的不同声压数据，生成当前环境参数下可根据声压数据计算出容器容积的容积-声压线性回归方程式。

S5、重复步骤S1-S4，以获取不同环境参数下对应的容积-声压线性回归方程式，形成不同环境参数下的容积-声压数据库；

为提高测量精度，消除环境因素的影响，系统采用比较法的原理，将一组容积已知的标准腔做为参考标准，对测量结果进行修正。

特别的，如图1所示的系统图中，有多个容积不同的标准腔体，用于做为参考基准腔体。如装置的最大测量范围为V，则标准腔的容积一般为：0.05V、0.1V、0.2V、0.5V、1V，进行测量不同容积范围内的标准数据测量，如果需要进一步提高测量的精度，可以增加标准腔的个数，一般经过初步校准后，再次校准可适当减少标准腔体的个数。

S6、扬声器在不规则容器内发出预设强度声信号，并通过麦克风接收不规则容器内的声压数据；

S7、测量实际环境参数，根据实际环境参数选取相应的容积-声压线性回归方程式，并基于不规则容器内的声压数据计算得到不规则容器的容积。

如图3声压容积拟合关系图所示，该数据为实际测量过程中的一段数据截取信息显示，系列1图线可知，空气压力P-容积V关系公式知声压信号与容积为曲线关系，可以看出容积越小，声压数据越大，系列1是校准腔的点，乘幂（系列1）、线性（系列1）是拟合的曲线，为了方便，线性（系列1）是对声压数据进行取倒数，就得到声压-容积直线关系，倒数关系式的设置方便主控模块的测算，提高测量速率。在实际数据显示中，显示屏会直接得到对应的测算数据供直接读取。

需要说明的是，标准腔体的数据可直接存在于主控单元的数据库中，在同一环境下，实际测量中可以直接调用，避免在相同环境下多次重复测量，直接对应数据库中的数据，提高了使用效率。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的保护范围内。