基于Labview的管道长度测量系统

摘 要：文章基于Labview软件开发环境，其测量原理采用管道内声波的共振原理以及快速傅里叶算法（FFT）。硬件部分包括一台笔记本电脑、一台声音激发装置和一个数据采集装置；软件部分包括数据分析处理、数据通讯、系统配置等模块。试验表明，本系统能实现全自动化测量管道长度，测量时间短，仅需15秒钟就能实现自动化测量，在所测量的实例中，相对误差均在0.7%以下。 
　　关键词：Labview；管道长度；FFT；声卡 
　　引言 
　　在居民生活或者工业的应用中，很多大长度管道一般都弯曲、深埋地下，测量较为困难。传统的测量方法一般是运用手工丈量，劳动强度高，且准确率低。通过查阅文献可知，已有一些研究采用激光测量的方式测量管道长度[1-4]，但是其激光设备成本高，且无法实现弯折管道测量；也有相关研究采用声波定位的方式测量[5-6]，通过声波在管道传播的距离来实现管件长度的测量，但其无法实现单端测量，且无法适用于弯折管道测量；也有文献采用声波共振原理测量管道长度[7]，但其系统采用时域音频信号，测量时间长，需3分钟的测量时间，且因基于STC89C52单片机系统，测量精度也较低，实验误差为1.5%以下。因此，作者开发一款基于Labview的管道长度测量系统，以管道内空气柱的共振原理为理论基础，以笔记本电脑声卡作为数据信号采集装置，采用快速傅里叶（FFT）频域分析法，具有成本低廉、测量时间短、精度高以及抗干扰强的优点，解决了弯曲管道的长度和深埋地下的管道长度的测量等难题。 
　　1 测量原理 
　　当声波为低频波时，也即存在管道直径d与波长？姿比小于0.5时，声波在管道内传播可看成一维平面波。当沿着管道传播的方向的激发声波与反方向传播的反射声波叠加时，在管道内形成了驻波产生共振。其中管道的长度与声音共振的频率相关，通过公式推导可知 
　　2 管道长度自动测量系统设计 
　　此测量系统主要包括两部分，硬件部分以及软件部分。由拾音器模块、声音播放模块和笔记本电脑构成系统的硬件部分，基于Labview的数据处理分析构成软件部分。 
　　2.1 硬件设计 
　　2.1.1 拾音器MSMAS42Z传感器 
　　声音信号的采集是该系统的关键，对于该系统传感器需要满足的条件有：（1）灵敏度高，能够较好的声压信号。（2）对不同频率的响应较一致，即对相同响度的不同频率采集到的响应较一致。 
　　本系统选用MSMAS42Z拾音器传感器，MSMAS42Z是由敏芯微电子技术有限公司生产的微型麦克风传感器，该麦克风传感器性能优越，具有较好的响应曲线，从图1中可看出，从250Hz至450Hz的响应曲线都比较平缓，响应较为一致，失真率较小。满足系统的灵敏度和响应一致性的要求。 
　　2.1.2 声音播放装置 
　　采用音箱型号为MD-95，该型号的音箱使用较为普遍，容易购买，价格低廉。由信号发送装置驱动该音箱，信号发送装置为普通的USB闪存盘，里面装载了特制的音频信号。该音频信号是由Adobe Audition特殊调制的音频信号，是由频率为250Hz到450Hz的间隔为0.5Hz的正弦波信号合成的音频信号。合成该信号的各个频率的振幅都相同，以保证激发信号的一致性。 
　　2.1.3 声音采集模块 
　　声音采集部分主要为笔记本电脑的声卡，在文章中采用Realtek 
　　ALC269 High Definition Audio声卡，声音信号通过笔记本电脑的麦克风输入端口将数据输入声卡。该声卡集成于笔记本电脑，价格低廉，相比较价格昂贵的数据采集卡，具有更较大的价格优势[8-9]。 
　　2.2 软件设计 
　　2.2.1 软件的结构设计 
　　管道长度测量系统的软件结构示意图如图2所示，软件工作流程图如图3所示。 
　　在Labview强大功能的支持下，大大的简化了系统的结构，只需一个操作界面就能实现数据的采集、处理以及显示，使得管道的测量操作极大的简化。所有的操作在前面板上即可实现，测量系统的操作界面如图4所示。 
　　2.2.2 数据处理核心 
　　由MSMAS42Z传感器采集到的声压信号为时域信号，为得出管道的共振频率，需要利用FFT算法对时域信号进行计算方可得出频域信号。因此，本系统调用Labview的FFT频谱算法模块，计算频域信号。 
　　一方面考虑到传感器对较低的音频信号响应较差，另一方面由于高频音频信号不可当成简单的平面波导致不适用于本系统，因此数据处理模块首先需要对时域信号进行滤波处理。本数据处理核心采用带通滤波器，分别过滤掉频率高于450Hz和低于250Hz的频率。