CN110160602B - 一种吸油烟机的油杯液位测量方法 - Google Patents

一种吸油烟机的油杯液位测量方法 Download PDF

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Abstract

一种吸油烟机的油杯液位测量方法，其特征在于，包括有如下步骤：(1)主产生超声波激励信号满足如下条件：
Figure DDA0001577778070000011
(2)主控芯片控制模数转换器在t＝NT时刻启动并对超声波反射信号进行采样处理；(3)主控芯片判断当前采样信号是否发生信号突变，如是，则执行下一步骤；如否，则循环本步骤；(4)主控芯片计算模数转换器在接收到突变信号时的渡越时间Δt；(5)求液位高度
Figure DDA0001577778070000012
本发明的优点在于：针对传统超声波测距方案中接收点起始脉冲检测不准的问题，设计全新的超声波激励信号
Figure DDA0001577778070000013
采用相位跳变的方式，在超声波接收端能够收到突变信号，使得接收端信号的检测更为简单和精准。

Description

一种吸油烟机的油杯液位测量方法
技术领域
本发明涉及一种吸油烟机的油杯液位测量方法。
背景技术
吸油烟机在使用过程中产生的油污会排入油杯内，通常，油杯内油液的液位需要人工观察检测，当积累到一定的液位高度后需要及时将油污倒掉以防止溢出。为了方便观察油杯液位，传统的吸油烟机油杯大多会采用透明塑料材质，但是塑料材质的油杯存在强度低、易老化的问题；也有采用金属材质的油杯，虽然强度高，但观察油杯液位并不方便，即使有观察窗存在，但长时间使用后油污粘附在观察窗上，也会导致用户无法看清油杯的液位。
针对上述问题，现有技术中出现了各种油杯液位自动检测装置和检测方法，如已有的专利号为ZL201310653491.5的中国发明专利《一种吸油烟机油杯油位检测装置》通过检测电路上的加热型热敏电阻，对油杯中的油液进行加热和检测油液的温度，进而分析获得油液的高度，但这种接触式的检测方式会使得电子元器件在油污环境下的使用寿命大大降低，从而降低检测精度，影响检测准确性；又如申请号为201510386967.2的中国发明申请《吸油烟机油杯警戒油位预告装置》公开了这样一种油位检测装置，该装置通过放置在油杯内的浮体等设备检测油杯警戒液位，但是这种装置的缺点是浮体长时间泡在油污中会减少使用寿命，检测精度不高。
上述传统的接触式测距方法因油烟污染，会造成检测设备使用寿命大大减少，为了能够适应油烟污染等恶劣环境，延长检测设备的使用寿命，现有技术中出现的超声波测距方法是一种非接触近距离测量中成本较低、应用广泛的测距方法，超声波发射器产生超声波，经过介质传播抵达接收器所经历的时间即为超声波的渡越时间Δt，结合超声波的传播速度C，便可以得到待测距离x＝C×Δt；但是，目前超声波测距方法存在的一个主要问题是：超声波接收信号的起始点幅度过小，使得接收端无法获得精准的起始信号，接收信号的起始点检测困难，导致测距的误差较大，最终检测结果精度低，因此，还有待于做出进一步的改进。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术现状而提供一种检测更为简单且测距精度高的吸油烟机的油杯液位测量方法。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种吸油烟机的油杯液位测量方法，其特征在于，所述油杯液位测量装置包括有超声波发射管、数模转换器、超声波接收管、模数转换器和主控芯片，所述超声波发射管和超声波接收管设置于同一水平面内，所述油杯液位测量方法包括有如下步骤：
(1)、所述主控芯片控制数模转换器产生超声波激励信号
Figure BDA0001577778050000021
所述超声波激励信号
Figure BDA0001577778050000022
满足如下条件：
Figure BDA0001577778050000023
其中，所述N为正整数，所述T为谐振周期且满足ωs0·T＝2π，所述Um为超声波激励信号
Figure BDA0001577778050000024
的最大电压，所述ωs0为谐振角频率；
(2)、所述主控芯片控制模数转换器在t＝NT时刻启动并对超声波反射信号进行采样处理；
(3)、所述主控芯片判断当前采样信号是否发生信号突变，如是，则执行下一步骤；如否，则循环本步骤；
(4)、所述主控芯片计算模数转换器在接收到突变信号时的渡越时间Δt；
(5)、求得液位高度
Figure BDA0001577778050000025
其中，H为超声波发射管距离油杯底面的高度，h为油杯液位高度，C为超声波在空气中的传播速度。
作为优选，所述的超声波发射管和超声波接收管分别采用压电陶瓷换能器，其核心器件为压电振子。
作为优选，所述步骤(2)中的模数转换器的采样频率fsamp＝2Nsamp·f，其中，所述f为超声波激励信号
Figure BDA0001577778050000026
的频率且满足
Figure BDA0001577778050000027
所述Nsamp为半个采样周期内的采样点数。
作为进一步优选，所述采样点数Nsamp取值范围为2～16，取值Nsamp＝8为最佳。
作为优选，所述步骤(2)中模数转换器接收到的采样信号包括有信号幅度逐渐增大的起始阶段、信号幅度保持稳定的稳定阶段和信号幅度发生跳变的突变阶段。在启动采样后，由于一开始未收到超声波信号，因此，起始阶段之前的信号幅度均为零。
超声波接收信号近似为正弦信号，设定当前采样值为ad_now，当前采样值的前一次采样值为ad_bef，当前相邻采样值之间的差值Δad_now＝ad_now-ad_bef，之前相邻采样值之间的差值Δad_bef＝ad_bef-ad_bef’，其中，ad_bef’为与前一次采样值相邻的再前一次采样值；根据信号变化的特征，作为优选，所述起始阶段的采样信号包含以下特征：
a、当前采样值的最大值ad_max_now均大于之前采样值的最大值ad_max_bef；
b、当前采样值的最小值ad_min_now均小于之前采样值的最小值ad_min_bef；
c、当前相邻采样值之间的差值最大值Δad_max_now均大于之前相邻采样值之间的差值最大值Δad_max_bef；
d、当前相邻采样值之间的差值最小值Δad_min_now均大于之前相邻采样值之间的差值最小值Δad_min_bef。
作为优选，所述稳定阶段的采样信号包含以下特征：
a、当前采样值的最大值ad_max_now均等于之前采样值的最大值ad_max_bef；
b、当前采样值的最小值ad_min_now均等于之前采样值的最小值ad_min_bef；
c、当前相邻采样值之间的差值最大值Δad_max_now均等于之前相邻采样值之间的差值最大值Δad_max_bef；
d、当前相邻采样值之间的差值最小值Δad_min_now均等于之前相邻采样值之间的差值最小值Δad_min_bef。
作为优选，所述突变阶段的采样信号包含以下特征：
a、当前采样值的最大值ad_max_now均小于之前采样值的最大值ad_max_bef；
b、当前采样值的最小值ad_min_now均大于之前采样值的最小值ad_min_bef；
c、当前相邻采样值之间的差值最大值Δad_max_now均小于之前相邻采样值之间的差值最大值Δad_max_bef；
d、当前相邻采样值之间的差值最小值Δad_min_now均大于之前相邻采样值之间的差值最小值Δad_min_bef。
由于超声波接收端采样可能存在一定的时钟偏差，突变信号采样点很难直接采集到信号幅度为零的时刻，为了能够减小突变信号采集点的检测偏差，进一步提高检测精度，作为进一步优选，所述步骤(4)中渡越时间Δt可以通过如下方法求得：
(4.1)、取求得差值为最大值的当前两个采样点A1、A2，其中，采样点A1对应的采样值为ada1<0，采样点A1所对应的采样点数值为MAD；采样点A2对应的采样值为ada2>0，采样点A2所对应的采样点数值为MAD+1；
(4.2)、求得采样值为0的时刻相对于采样点A1的时间偏移
Figure BDA0001577778050000031
(4.3)、求得模数转换器启动采样的开始时刻相对于采样点A1的时间偏移
Figure BDA0001577778050000032
(4.4)、获得渡越时间
Figure BDA0001577778050000041
其中，fsamp为采样频率。
采用上述方法求得的渡越时间充分考虑了信号幅度为零时刻相对于当前采集点的时间偏移，获得最终渡越时间更加精准，进而可进一步提高检测精度。
与现有技术相比，本发明的优点在于：针对传统超声波测距方案中接收点起始脉冲检测不准的问题，设计全新的超声波激励信号
Figure BDA0001577778050000042
采用相位跳变的方式，在超声波接收端能够收到突变信号，使得接收端信号的检测更为简单和精准；对于传统的高精度超声波测距方案，通常需要采用快速傅里叶变换(FFT)等计算方法，运算量大，对于主控芯片的运算能力是很大的考验，本申请只对采样后的A/D转换信号(模数转换信号)进行加减运算，运算速度快，可采用低成本的主控芯片实现，而且测得的距离精度高。
附图说明
图1为本发明实施例的油杯液位检测装置安装示意图。
图2为本发明实施例的油杯液位检测装置的***结构图。
图3为本发明实施例的油杯液位测量方法的流程图。
图4为本发明实施例的超声波激励信号和超声波接收信号的波形对比图。
图5为本发明实施例的超声波接收信号在单个采样周期内的采样示意图。
图6为本发明实施例的超声波接收信号从稳定阶段到突变阶段的波形图及采样示意图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
本实施例涉及一种吸油烟机的油杯液位测量装置及其测量方法，本实施例的油杯液位测量装置采用超声波测距原理，具体地，采用渡越时间法TOF(time of flight)：首先测出超声波从发射到遇到障碍物返回所经历的时间，再乘以超声波的速度就得到二倍的声源与障碍物之间的距离。
如图1、图2所示，为本实施例的油杯液位测量装置示意图，油杯液位测量装置设置在位于油杯正上方的吸油烟机主体内，油杯液位装置具体包括有超声波发射管、数模转换器、超声波接收管、模数转换器和主控芯片，其中，超声波发射管和超声波接收管分别采用压电陶瓷换能器，其核心器件为压电振子；
数模转换器电连接超声波发射管，模数转换器电连接超声波接收管，数模转换器和模数转换器分别电连接主控芯片，并且，超声波发射管和超声波接收管设置于同一水平面内；设定超声波发射管距离油杯底面的高度为H，油杯液位高度为h，主控芯片控制数模转换器产生超声波激励信号，超声波经过空气进行传播后遇到油杯液体平面即发生反射，最终超声波接收管将接收到的反射信号传送至模数转换器进行采样处理。
如图3～图6所示，本实施例的油杯液位测量方法包括有如下步骤：
(1)、主控芯片控制数模转换器产生超声波激励信号
Figure BDA0001577778050000054
所述超声波激励信号
Figure BDA0001577778050000055
满足如下条件：
Figure BDA0001577778050000051
其中，N为正整数，T为谐振周期且满足ωs0·T＝2π，Um为超声波激励信号
Figure BDA0001577778050000056
的最大电压，ωs0为谐振角频率。
(2)、主控芯片控制模数转换器在t＝NT时刻启动，模数转换器的采样模块对超声波反射信号进行采样处理；设定模数转换器的采样频率fsamp＝2Nsamp·f，其中，f为超声波激励信号的频率且满足
Figure BDA0001577778050000052
Nsamp为半个采样周期内的采样点数，参见图5，采样点数Nsamp取值范围为2～16，本实施例优选地取值Nsamp＝8，即在一个完整的采样周期内的采样点数为16个。
(3)、主控芯片判断当前采样信号是否发生信号突变，如是，则执行下一步骤；如否，则循环本步骤。
(4)、主控芯片计算模数转换器在接收到突变信号时的渡越时间Δt。
(5)、求得液位高度
Figure BDA0001577778050000053
其中，H为超声波发射管距离油杯底面的高度，h为油杯液位高度，C为超声波在空气中的传播速度。
上述步骤(2)中，模数转换器采集到的超声波反射信号包括有信号幅度逐渐增大的起始阶段、信号幅度保持稳定的稳定阶段和信号幅度发生跳变的突变阶段，在启动采样后，由于一开始未收到超声波信号，因此，起始阶段之前的信号幅度均为零。
根据超声波激励信号的波形，本实施例的超声波接收信号近似为正弦信号，设定当前采样值为ad_now，当前采样值的前一次采样值为ad_bef，当前相邻采样值之间的差值Δad_now＝ad_now-ad_bef，之前相邻采样值之间的差值Δad_bef＝ad_bef-ad_bef’，其中，ad_bef’为与前一次采样值相邻的再前一次采样值；
若当前采样值等于之前采样值且为零，即ad_now＝ad_bef＝0，则表示超声波接收端还没有接收到超声波反射信号，超声波接收信号处于起始阶段之前。
等到超声波接收端接收到起始信号，则起始阶段的采样信号包含以下特征：
a、当前采样值的最大值ad_max_now均大于之前采样值的最大值ad_max_bef；
b、当前采样值的最小值ad_min_now均小于之前采样值的最小值ad_min_bef；
c、当前相邻采样值之间的差值最大值Δad_max_now均大于之前相邻采样值之间的差值最大值Δad_max_bef；
d、当前相邻采样值之间的差值最小值Δad_min_now均大于之前相邻采样值之间的差值最小值Δad_min_bef。
以上a、b、c、d四个特征表明超声波开始接收到超声波信号经油杯液面反射后的起始信号，同时，主控芯片保存当前两个采样周期的采样点。
超声波接收信号稳定阶段接收到的信号为稳定的正弦波，所述稳定阶段的采样信号包含以下特征：
a、当前采样值的最大值ad_max_now均等于之前采样值的最大值ad_max_bef；
b、当前采样值的最小值ad_min_now均等于之前采样值的最小值ad_min_bef；
c、当前相邻采样值之间的差值最大值Δad_max_now均等于之前相邻采样值之间的差值最大值Δad_max_bef；
d、当前相邻采样值之间的差值最小值Δad_min_now均等于之前相邻采样值之间的差值最小值Δad_min_bef。
超声波接收端接收到稳定的正弦波信号之后便会收到突变信号，设定超声波接收信号的时域表示为r(t)，超声波接收信号的稳定阶段与突变阶段的区别为：①稳定阶段的最大采样值大于突变阶段的最大采样值，稳定阶段的最小采样值小于突变阶段的最小采样值；②对于正弦函数，易得相位为0或π时导数最大，也就是说稳定阶段差值的最大值大于突变阶段差值的最大值，稳定阶段差值的最小值小于突变阶段差值的最小值。
因此，从稳定阶段变换到突变阶段的过程中，所述突变阶段的采样信号包含以下特征：
a、当前采样值的最大值ad_max_now均小于之前采样值的最大值ad_max_bef；
b、当前采样值的最小值ad_min_now均大于之前采样值的最小值ad_min_bef；
c、当前相邻采样值之间的差值最大值Δad_max_now均小于之前相邻采样值之间的差值最大值Δad_max_bef；
d、当前相邻采样值之间的差值最小值Δad_min_now均大于之前相邻采样值之间的差值最小值Δad_min_bef。
考虑到超声波接收端采样时可能存在一定的时钟偏差，当发生突变信号时，采样点很难直接采集到信号幅度为零的时刻，为了能够减小突变信号采集点的检测偏差，进一步提高检测精度，步骤(4)中渡越时间Δt可以通过如下方法求得：
(4.1)、取求得差值为最大值的当前两个采样点A1、A2，其中，采样点A1对应的采样值为ada1<0，采样点A1所对应的采样点数值为MAD；采样点A2对应的采样值为ada2>0，采样点A2所对应的采样点数值为MAD+1；
(4.2)、求得采样值为0的时刻相对于采样点A1的时间偏移
Figure BDA0001577778050000071
(4.3)、求得模数转换器启动采样的开始时刻相对于采样点A1的时间偏移
Figure BDA0001577778050000072
(4.4)、获得渡越时间
Figure BDA0001577778050000073
其中，fsamp为采样频率。
于是，再结合液位高度公式
Figure BDA0001577778050000074
可以得到油杯液面高度为：
Figure BDA0001577778050000075
本实施例针对传统超声波测距方案中超声波接收信号起始点幅度过小导致接收端起始脉冲检测不准的问题，设计了全新的超声波激励信号
Figure BDA0001577778050000076
采用超声波发射端相位跳变之后超声波接收端采样开启的方式，使得超声波接收端能够检测到信号特征变化明显的突变信号，由此来精确获得渡越时间Δt，从而保证油杯液面高度最终检测结果的精确度。
相比较于传统的高精度超声波测距方案，需要采用快速傅里叶变换(FFT)等计算方法，由于运算量大，主控芯片的运算能力是很大的考验，选择的主控芯片往往成本较高；本实施例则设计了基于时域的超声波高精度测距方法，只对采样后的模数信号进行加减运算，可以采用低成本的主控芯片实现运算，不仅运算速度快，而且测得的距离精度高，产品的可靠性和实用性强。

Claims (9)

1.一种吸油烟机的油杯液位测量方法，其特征在于，油杯液位测量装置包括有超声波发射管、数模转换器、超声波接收管、模数转换器和主控芯片，所述超声波发射管和超声波接收管设置于同一水平面内，所述油杯液位测量方法包括有如下步骤：
(1)、所述主控芯片控制数模转换器产生超声波激励信号
Figure FDA0002684581150000016
所述超声波激励信号
Figure FDA0002684581150000017
满足如下条件：
Figure FDA0002684581150000011
其中，所述N为正整数，所述T为谐振周期且满足ωs0·T＝2π，所述Um为超声波激励信号
Figure FDA0002684581150000012
的最大电压，所述ωs0为谐振角频率；
(2)、所述主控芯片控制模数转换器在t＝NT时刻启动并对超声波反射信号进行采样处理；
(3)、所述主控芯片判断当前采样信号是否发生信号突变，如是，则执行下一步骤；如否，则循环本步骤；
(4)、所述主控芯片计算模数转换器在接收到突变信号时的渡越时间△t；
(5)、求得液位高度
Figure FDA0002684581150000013
其中，H为超声波发射管距离油杯底面的高度，h为油杯液位高度，C为超声波在空气中的传播速度。
2.根据权利要求1所述的吸油烟机的油杯液位测量方法，其特征在于：所述的超声波发射管和超声波接收管分别采用压电陶瓷换能器。
3.根据权利要求1所述的吸油烟机的油杯液位测量方法，其特征在于：所述步骤(2)中的模数转换器的采样频率fsamp＝2Nsamp·f，其中，所述f为超声波激励信号
Figure FDA0002684581150000014
的频率且满足
Figure FDA0002684581150000015
所述Nsamp为半个采样周期内的采样点数。
4.根据权利要求3所述的吸油烟机的油杯液位测量方法，其特征在于：所述采样点数Nsamp取值范围为2～16。
5.根据权利要求1所述的吸油烟机的油杯液位测量方法，其特征在于：所述步骤(2)中模数转换器接收到的采样信号包括有信号幅度逐渐增大的起始阶段、信号幅度保持稳定的稳定阶段和信号幅度发生跳变的突变阶段。
6.根据权利要求5所述的吸油烟机的油杯液位测量方法，其特征在于：设定当前采样值为ad_now，当前采样值的前一次采样值为ad_bef，当前相邻采样值之间的差值Δad_now＝ad_now-ad_bef，之前相邻采样值之间的差值Δad_bef＝ad_bef-ad_bef’，其中，ad_bef’为与前一次采样值相邻的再前一次采样值；所述起始阶段的采样信号包含以下特征：
a、当前采样值的最大值ad_max_now均大于之前采样值的最大值ad_max_bef；
b、当前采样值的最小值ad_min_now均小于之前采样值的最小值ad_min_bef；
c、当前相邻采样值之间的差值最大值Δad_max_now均大于之前相邻采样值之间的差值最大值Δad_max_bef；
d、当前相邻采样值之间的差值最小值Δad_min_now均大于之前相邻采样值之间的差值最小值Δad_min_bef。
7.根据权利要求5所述的吸油烟机的油杯液位测量方法，其特征在于：设定当前采样值为ad_now，当前采样值的前一次采样值为ad_bef，当前相邻采样值之间的差值Δad_now＝ad_now-ad_bef，之前相邻采样值之间的差值Δad_bef＝ad_bef-ad_bef’，其中，ad_bef’为与前一次采样值相邻的再前一次采样值；所述稳定阶段的采样信号包含以下特征：
a、当前采样值的最大值ad_max_now均等于之前采样值的最大值ad_max_bef；
b、当前采样值的最小值ad_min_now均等于之前采样值的最小值ad_min_bef；
c、当前相邻采样值之间的差值最大值Δad_max_now均等于之前相邻采样值之间的差值最大值Δad_max_bef；
d、当前相邻采样值之间的差值最小值Δad_min_now均等于之前相邻采样值之间的差值最小值Δad_min_bef。
8.根据权利要求5所述的吸油烟机的油杯液位测量方法，其特征在于：设定当前采样值为ad_now，当前采样值的前一次采样值为ad_bef，当前相邻采样值之间的差值Δad_now＝ad_now-ad_bef，之前相邻采样值之间的差值Δad_bef＝ad_bef-ad_bef’，其中，ad_bef’为与前一次采样值相邻的再前一次采样值；所述突变阶段的采样信号包含以下特征：
a、当前采样值的最大值ad_max_now均小于之前采样值的最大值ad_max_bef；
b、当前采样值的最小值ad_min_now均大于之前采样值的最小值ad_min_bef；
c、当前相邻采样值之间的差值最大值Δad_max_now均小于之前相邻采样值之间的差值最大值Δad_max_bef；
d、当前相邻采样值之间的差值最小值Δad_min_now均大于之前相邻采样值之间的差值最小值Δad_min_bef。
9.根据权利要求1所述的吸油烟机的油杯液位测量方法，其特征在于：所述步骤(4)中渡越时间△t通过如下方法求得：
(4.1)、取求得差值为最大值的当前两个采样点A1、A2，其中，采样点A1对应的采样值为ada1<0，采样点A1所对应的采样点数值为MAD；采样点A2对应的采样值为ada2>0，采样点A2所对应的采样点数值为MAD+1；
(4.2)、求得采样值为0的时刻相对于采样点A1的时间偏移
Figure FDA0002684581150000031
(4.3)、求得模数转换器启动采样的开始时刻相对于采样点A1的时间偏移
Figure FDA0002684581150000032
(4.4)、获得渡越时间
Figure FDA0002684581150000033
其中，fsamp为采样频率。
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