（信号与信息处理专业论文）基于虚拟仪器的信号采集与分析软件的设计及应用.pdf

哈尔滨丁程大学硕士学位论文 ；t ；宣i ；i ；i i ；i i i i ；i i ；宣；暑；i i ；i 宣宣；i 暑i i ；昌i ；盲暑i i 宣i i 宣；宣；暑 摘要 虚拟仪器技术和自来水供水管道检漏是当今比较热门的两个话题，本论 文的主要内容就是尝试编写一套基于虚拟仪器的信号采集与分析软件，并将 它应用到自来水管道检漏的实验中。 论文对供水管道泄漏声信号的产生机理、频率特性、常用检漏方法以及 小波分析在信号去噪中的应用等内容作了相应研究与介绍，重点阐述了泄漏 声信号的频率特性、相关检漏法及小波去噪在检漏中的应用。在虚拟仪器典 型开发环境l a b v i e w 8 0 下进行了d s 0 2 5 2 1 6 数字存储示波器逻辑分析仪的 驱动开发，编写了一套用于管道检漏的信号采集与分析软件，能实现信号的 连续采集与存储、小波去噪、谱分析、相关分析、数据搜索、漏点定位等功 能。 最后进行了管道漏点定位的实验，在实验条件下验证了算法的正确性和 软件的实用性。 关键词：虚拟仪器；管道检漏：小波去噪 a bs t r a c t v i r t u a li n s t r u m e n t st e c h n o l o g ya n dw a t e rp i p el e a kd e t e c t i o n a let w on o t t o p i c s i n p r e s e n t d a y , t h e m a i nw o r ko ft h i st h e s i si s t od e v e l o pas i g n a l a c q u i s i t i o na n da n a l y s i ss o f t w a r eb a s e do i lv i r t u a li n s t r u m e n t sa n da p p l yi tt ot h e p i p e l i n el e a k - p o s i t i o nl o c a t i n g t h eg e i l e r a t i o nm e c h a n i s ma n df r e q u e n c yc h a r a c t e ro fl e a ka c o u s t i cs i g n a l ， l e a kd e t e c t i o nc o m m o nm e t h o d sa n dw a v e l e ta p p l i c a t i o no ns i g n a ld e n o i s i n ga r e f i r s t l vd i s c u s s e di nt h i sp a p e r , i nw h i c ht h ef r e q u e n c yc h a r a c t e ro fl e a ka c o u s t i c s i g n a l c o r r e l a t i o nl e a k a g ed e t e c t i n g m e t h o da n dw a v e l e td e n o i s i n gi sf u r t h e r r e s e a r c h e d a sw e l l ，t h ed e v e l o p m e n to fd s 0 2 5 2 1 6d i g i t a lo s c i l l o s c o p e l o g i c a n a l v z e rd r i v ea n dt h ed e s i g no fd a t aa c q u i s i t i o na n da n a l y s i s s o f t w a r eo nt h e t y p i c a l v i r t u a li n s t r u m e n t se n g i n e e r i n g w o r k b e n c hl a b v i e w 8 0i s a n o t h e r i m p o r t a n tp a r to ft h i sp a p e r t h es i g n a la c q u i s i t i o na n da n a l y s i ss o f t w a r e r e a l i z e d t h ef u n c t i o n so fc o n t i n u o u s l yd a t aa c q u i r i n ga n ds a v i n g ，w a v e l e td e n o i s i n g s p e c t r a la n a l y z i n g ，c o r r e l a t i o n o p e r a t i n g ，d a t as e a r c h i n g a n dl e a k p o i n t s p o s i t i o n i n g f i n a u v ，a ne x p e r i m e n ti so p e r a t e dt ov e r i f yt h ec o r r e c t n e s so f t h ea l g o r i t h m a n dt h eu s a b i l i t yo ft h es o f t w a r eu n d e rt h ee x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n s k e yw o r d s ：v i r t u a li n s t r u m e n t s ；p i p e l i n el e a kd e t e c t i o n ；w a v e l e td e n o i s i n g 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下由作 者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在文 中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标 明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：爱彳彩禾 日期：印年弓月，7 日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 切，在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后 口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：绣乃勿粲导师( 签字) ：刘闯般 ，f 力 1 日期：哩旧巧年孑月f7 日2 如乒；月，夕日 f 。 f 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 研究背景及意义 虚拟仪器( 简称v i ) 是电子测量技术与计算机技术深层次结合的、具有很 好发展前景的新一类电子仪器。虚拟仪器要比传统的电子仪器更为通用，在 组建和改变仪器的功能和技术性能方面更为灵活、更为经济，更能适应迅猛 发展的当代科学技术对测量技术和测量仪器不断提出的更新并扩展功能与性 能的要求1 。虚拟仪器突破了传统电子仪器以硬件为主体的模式，实际上， 使用者是在操作具有测试软件的电子计算机进行测量，犹如操作一台虚设的 电子仪器。 虚拟仪器由硬件和软件两部分组成。测试软件是虚拟仪器的“主心骨”。 虚拟仪器的概念是1 9 8 6 年由美国国家仪器公司( 以下简n i 公司) 首先提出 的。n i 公司在提出虚拟仪器概念并推出第一批实用成果时，就用“软件就是 仪器 来表达虚拟仪器的特征，强调软件在虚拟仪器中的极为重要的位置， 但这并不排斥测试硬件平台的重要性。n i 公司从一开始就推出丰富而又简洁 的虚拟仪器开发软件。使用者可以根据不同的测试任务，在虚拟仪器开发软 件的提示下编制不同的测试软件，来实现当代科学技术复杂的测试任务。 虚拟仪器的硬件是电子计算机和为其配备的必要的电子仪器硬件模块。 硬件主体是电子计算机，通常是个人计算机，也可以是任何通用电子计算机。 为计算机配置的电子测量仪器硬件模块是各种传感器、信号调理器、模拟数 字转换器o 姐i c ) 、数字模拟转换- 器( d a c ) 、数据采集器( d a q ) 等。n i 公司研 发了一系列与虚拟仪器配套的外围硬件设备，但是价格都比较昂贵，而对于 其它普通的仪器设备，n i 的虚拟仪器开发环境l a b v i e w 并不提供驱动程序， 这大大限制了虚拟仪器的推广和应用，研究普通仪器设备在l a b v i e w 环境 下的驱动开发，尤其是使用者自己研制的设备在l a b v i e w 环境下的驱动开 发显得非常有意义。 尝试编写一套基于虚拟仪器的用于自来水供水管道漏点检测与定位的软 件是本论文的一个重要内容。 我国人均水资源占有量只有世界人均的1 4 嘲，是一个水资源短缺的国家， 哈尔滨工程大学硕士学位论文 随着经济发展和城市化进程的加快，以及水污染严重，不合理用水，供水管 网漏损等问题，使得我国水资源供需矛盾进一步加剧，水资源的短缺已成为 制约我国经济和社会可持续发展的瓶颈。根据建设部调查，我国供水管网平 均漏损率在2 0 以上，而且在逐年增加，北方尤其严重，甚至有的中小城市 供水效率只有3 0 多，漏损率高达6 6 p 1 。因此，控制和降低供水管网的漏 失，对节约水资源，实施我国可持续发展战略具有重要意义。 供水管道漏水是对宝贵水资源的浪费，不仅增加了净水成本，而且还额 外地增大了供水设施的投资费用，同时，也导致一些次生灾害，因此，节约 用水，检漏降损，已成为全人类的共识。从上世纪八十年代开始，各国纷纷 开始研制用于管道检漏的仪器，目前，此类产品为国外垄断且价格较高，尝 试自主研发一套高性能、低成本的检漏仪对于促进检漏工作具有积极的意义。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 虚拟仪器 近年来，世界各国的虚拟仪器公司开发了不少虚拟仪器开发平台软件， 以便使用者利用这些仪器公司提供的开发平台软件组建自己的虚拟仪器或测 试系统，并编制测试软件。最早和最具影响力的开发软件，是n i 公司的 l a b v i e w 软件和m w i n d w o s c v i 软件。l a b v i e w 采用图形化编程方案， 非常适合习惯了电路图的工程师们；m w i n d o w s c v i 是为熟悉c 语言的开 发人员准备的、在w i n d o w s 环境下的标准a n s i c 开发环境。除了上述的优 秀开发软件之外，美国h p 公司的h p v e e 和h p t i g 平台软件，美国t e k t r o n i s 公司的e z t e s t 和t e k t n s 软件，以及美国h e md a t a 公司的s n a p m a r t e r 平 台软件，也是国际上公认的优秀虚拟仪器开发平台软件。 虚拟仪器的突出成就不仅是可以利用p c 机组建灵活的虚拟仪器，更重 要的是它可以通过各种不同的接口总线，组建不同规模的自测试系统。它可 以借不同的接口总线的沟通，将虚拟仪器、带接口总线的各种电子仪器或各 种插件单元，调配并组建成为中小型甚至大型的自动调试系统。当今虚拟仪 器的系统开发采用的总线包括传统的r s 2 3 2 串行总线、g p i b 通用接口总线、 v x i 总线，以及已经被p c 机广泛采用的u s b 通用串行总线和i e e e1 3 9 4 总 线( 即f i r e w i r e ，也叫做火线) 。世界各国的公司，特别是美国n i 公司，为 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 使虚拟仪器能够适应上述各种总线的配置，开发了大量的软件以及适应要求 的硬件( 插件) ，可以灵活地组建不同复杂程度的虚拟仪器自动测试系统。 虚拟仪器开发商不仅注意使虚拟仪器能够适应上述各种通用计算机总线 系统，使之为虚拟仪器服务，而且也注意建立各种仪器专用的总线系统。美 国n i 公司在1 9 9 7 年9 月1 日推出模块化仪器的主流平台p x i ，这是与c o p a c t p c i 完全兼容的系统。这种虚拟仪器模块化主流平台p x l c o m p a c e ，p c i 的传 输速度已经达到l o o m b s 。为扩大虚拟仪器的功能，虚拟仪器的开发厂家在 测量结果的数据处理、表达模式及其变换方面也做了许多工作，发布了各种 软件，建立了数据处理的高级分析库和开发工具库( 例如测量结果的谱分析、 快速傅立叶变换、各种数字滤波器、卷积处理和相关函数处理、微积分、峰 值和阈值波形发生、噪声发生、回归分析、数值运算、时域和频域分析等) ， 使虚拟仪器发展成为可以组建极为复杂自动测试系统的仪器系统。 1 2 2 自来水管道检漏技术 根据检测对象的不同，地下水管的漏水探测一般分为非声音法检测和声 音法检测h 1 。由于非声音法检测步骤比较繁琐，成本比较昂贵；而声音检测 法测漏速度快，性价比高，在国内外得到了广泛的关注和应用。 1 非声音检测法 ( 1 ) 装表测漏法：是在生活区或日夜连续用水户较少的地区，把它分为若 干个测漏区，除测漏水表外，关闭其它连通该区的阀门，然后通过读取测漏 表的数据来判定漏水的方法。如果漏量在允许范围内，认为无漏点，相反则 认定有漏点，并需要进一步通过关阀缩小测漏区来找出泄漏管段，直到找出 漏水点位置。 ( 2 ) 气体示踪法：这种方法采用无毒的，不溶于水的，且密度比空气轻的 气体( 如氦气或氢气) 注入一段独立的管线内，当管线存在漏点时，注入的气 体就会从管道中逃出。由于该气体比空气轻，因此它能够通过土壤和道路扩 散到地表面这样就可以应用高灵敏度的气体检测仪来扫描地表面，进而达到 测漏的目的。 ( 3 ) 雷达测漏法：探地雷达是利用发射电磁波的反向收集，对地下管线进 行测定，可以精确地绘制出地下轴线的横断面图，并可根据水管周围的图像 3 哈尔滨工程大学硕士学位论文 判断是否有漏水。探地雷达所能收集的资料非常丰富，除了可探测出地下供 水管道、煤气管、下水道、电缆等位置及地下土壤情况，还可以检测难以发 现的管道泄漏，管道的不均匀沉降等资料，还能用于预防性的测量，发现隐 患，提高漏损的控制水平。 2 声音检测法 一 ( 1 ) 听漏棒：听漏棒是最简单的也是最常用的测漏设备，分金属棒和木棒 两种类型。它是长形的，它的一端直接接触管道壁，另一端帖在测漏工人的 耳朵上，如果附近有漏，则可听到声音。有经验的测漏工人还可根据声音的 大小、声音的质量等判断出漏点的大致位置。它的缺点是精度不高，受环境 影响大。 ( 2 ) 电子放大听漏仪：电子放大听漏仪就是用传感器把地面或管道上的振 动声转化为微弱的电信号，然后通过电路放大最后从仪表的指针或耳机输出。 它既可在地面听漏，也可直接在管道上听漏。电子放大听漏仪具有较高的灵 敏度，但只有在夜深人静或周围环境比较安静时才能取得满意的效果。 ( 3 ) 相关分析测漏法：相关分析测漏法是依靠估计泄漏点声信号传播到放 置在漏点两侧的传感器的时间差来进行定位的，此方法定位精度高，速度快， 是目前应用最广泛的一种检漏手段，由此而衍生出来的区域检漏法，通过网 络传输数据，在中央控制室实时监测各供水管网的运行情况是目前研究的热 点与今后的发展方向。 1 3 论文主要内容与章节安排 1 论文主要内容 ( 1 ) 研究自来水供水管道泄漏声信号的产生机理、频谱特性及常用的检测 手段，重点研究基于互相关时延估计的漏点定位方法。 ( 2 ) 研究小波分析在信号去噪中的应用，分析不同的小波基和分解层数对 管道漏点定位精度的影响。 ( 3 ) 在l a b v i e w 环境下进行d s 0 2 5 2 1 6 数字存储示波器逻辑分析仪的驱 动开发，利用其两个模拟通道进行数据采集。 ( 4 ) 在l a b v i e w 环境下编写基于声卡的数据采集软件，能实现信号的连 续采集，文件的连续、自动保存，并能将保存的信号通过声卡进行回放输出。 4 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 ( 5 ) 在l a b v i e w 环境下与m a t l a b 混合编程，实现滤波、频谱分析、小 波去噪、相关时延估计、漏点定位等功能。 ( 6 ) 进行管道漏点定位的实验，验证算法的正确性和软件的实用性。 2 论文章节安排 第1 章介绍虚拟仪器和管道检漏技术在国内外的研究现状、本论文的研 究背景与意义。 第2 章介绍自来水管道检漏中泄漏声信号的产生机理、特性及常用检测 手段，重点介绍基于互相关时延估计的漏点定位方法和小波去噪的原理及在 漏点定位中的应用。 第3 章介绍虚拟仪器及其典型开发环境l a b v i e w 的特点与应用、在 l a b v i e w 环境下进行编程的基本概念等，重点阐述在l a b v i e w 环境下进行 d s 0 2 5 2 1 6 驱动开发、基于d s 0 2 5 2 1 6 和声卡的数据采集软件的设计与编写、 小波分析与相关时延估计等算法的实现等问题。 第4 章是实验结果与分析，将编写的软件用于管道漏点定位的实验中， 比较采用不同的小波基和分解层数进行小波降噪对定位精度的影响，分析其 它几种影响定位精度的因素。 最后是总结与展望，回顾整篇论文所做的工作和取得的实验结果并分析 存在的不足，为今后的努力方向提供一个思路。 5 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章自来水供水管道漏点检测与定位 2 1 概述 城市供水管道在使用一定时间后，往往会因各种因素而发生泄漏问题。 泄漏的监测和查明泄漏点是治理供水管道泄漏的重要环节。由于供水管内外 存在压力差，管内高压流体水从泄漏口向管外喷射将使管道产生振动，形成 泄漏声信号，通过对该泄漏声信号进行处理进而实现泄漏检测定位的方法已 得到广泛应用，其中，对供水管道泄漏声产生机理和特征研究是管道泄漏检 测与定位的前提，关于漏点检测与定位的方法也有很多，目前最常用的是相 关法。从嘈杂的背景中提取有用信息，提高信噪比，对提高定位精度有很大 意义，小波分析在信号去噪方面表现出了比较好的特性。 2 2 泄漏声信号的产生机理与特性分析 2 2 1 泄漏声信号的产生 管道漏水信号是声发射信号的一种，是一种承压状态下的水声发射现象， 当供水管道发生泄漏时，由于管内外存在压力差，管内高压水从泄漏处向外 喷射，喷出管道的水与漏口相互作用，以及与周围介质等撞击，会产生不同 频率的振动嶂1 ，如图2 1 所示，根据振动发生区域不同，通常可分为以下三种 声源： ( 1 ) 漏口处泄漏声：由于流体输送管道的管壁一般都是弹性体，当泄漏发 生时，管道中的泄漏流体不仅使流体的正常流动紊乱，而且与管道相互作用 诱发振动，并沿管道向远处传播，传播距离通常与水压、管材、管径，接口 数等有关，在一定范围内，可在闸门，消防栓等管道管壁暴露点听测到该振 动声吧 ( 2 ) 水头撞击声：是指喷出管道的高压水与周围埋设介质撞击产生的声 音，并以漏斗形式通过土壤向地面扩散，可在地面用听漏仪听测到，其频率 通常在2 0 3 0 0 h z 之间嗍： ( 3 ) 介质摩擦声：是指喷出管道的水带动周围粒子( 如小石粒、沙粒等) 相互碰撞摩擦以及和管道外壁相互摩擦产生的声音，其频率较低，当把听音 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 杆插到地下漏口附近时，可听测到该类声响，其频率通常也在2 0 3 0 0 h z 之 间钔。 水和管道 相互作用 水对管道埋设介质的冲击声 块、沙粒间的撞击声 图2 1 供水管道泄漏处主要声源 水管 2 2 2 泄漏声信号的特性分析 从以上分析的可知，管道的漏水声是多个声音的混合体，其频率往往是 不单一的，可以用公式( 2 1 ) 来表示其数学模型： j ( f ) = a i c o s c o j f ( 2 - 1 ) 1 = 1 式( 2 1 ) 中彳f 表示第f 个频率f ) 成分的振幅，n 表示频率成分的个数。从 物理学的角度讲，任何物体的机械振动都可以产生波并通过弹性介质向四周 传播，埋藏地下的管道漏水点发出的漏水声的横波或纵波在向地面传播过程 中，由于泥沙介质中的内摩擦等原因，声能有一部分转变为热能，能量衰减 得很快。实践表明，前面讲到的介质摩擦声由于振幅比较微弱，经过管道、 土壤等介质的传输，能量大大衰减，基本可以忽略不计了。而漏口处泄漏声 和水头撞击声，由于受到水压等因素的影响，能对管壁和土壤产生较强的冲 击，因此它的振幅相对于介质摩擦声是非常巨大的，即使经过土壤、管道等 介质的传输衰减，我们还是可以通过某种传感器采集到。 1 泄漏声信号中心频率分布 在管道水压一定的情况下，管道材料对漏水声音的频率有明显的影响： 管壁材料越软，中心频率越低。文献【9 】通过实验的方法对自来水塑料管道的 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 频率分布进行了研究，采集了管道接口泄漏和管道支管泄漏时的信号，通过 比较管道背景噪声和泄漏信号两者的频率成分，分析结果为塑料管道泄漏信 号的频率成分主要集中在5 h z 到5 0 h z 之间。文献【1 0 】，针对目前我国自来水 管道主要为铸铁的情况，运用类似的方法，对不同口径( 1 0 0 m m 一1 0 0 0 m m 的 国家标准口径) 的铸铁管道泄漏声信号中心频率进行了研究，分析结果为铸铁 管道泄漏声信号的频率成分主要集中在1 k h z 2 5 k h z 之间。 2 管道泄漏声信号频率分布的影响因素u 川 ( 1 ) 管道泄漏量对泄漏声信号频率的影响：漏点泄漏量的不同，除对各频 率成分的能量大小有较大影响外，对泄漏声信号的频率分布影响较小，信号 的主要频率成分保持不变。 ( 2 ) 管道口径与检测距离对频率成分的影响：对于小口径管道而言，近距 离检测时，低频段和高频段都含有对检测有利的泄漏声信号的频率分量，远 距离检测时，高频分量发生变化，对检测有利的泄漏声信号频率集中在低频 段：对于大口径管道而言，因为埋设较深，很难在近距离找到检测点，远距 离检测的情况和小口径管道一样，有用信号频率成分集中的低频段。 ( 3 ) 管道接口对泄漏声信号频率成分的影响：对于橡胶垫接口，信号经过 该接口后1 8 k h z 左右的主要频率成分被衰减了；对于石棉接口，信号经过 该接口后2 k h z 的主要频率成分被衰减了。 2 3 漏点检测与定位常用方法 现在常用且比较有效的检漏方法主要有下列四种n 鲫：音听检漏法，相关 检漏法，漏水声自动监测法和分区检漏法。这些方法能解决7 0 的管道暗漏， 前三种检漏法是靠漏口产生的声音来探测漏点的，这对无声的泄漏就没有办 法了。而分区检漏法是通过计量管道流量及压力来判别有无漏水点存在，就 是所谓的最小流量法。 1 音听检漏法 音听检漏法分为阀栓听音和地面听音两种，前者用于查找漏水的线索和 范围，简称漏点预定位；后者用于确定漏水点位置，简称漏点精确定位。漏 点预定位是指用听漏棒、电子听漏仪及噪声自动记录仪来探测供水管道漏水 的方法，根据使用仪器的不同，预定位技术主要有阀栓听音法和噪声自动监 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 测法，到目前为止，实用的、有效的、成本低的预定位技术主要是阀栓听音 法。当通过预定位方法确定漏水管段后，用电子放大听漏仪在地面听测地下 管道的漏水点，并进行精确定位。听测方式为沿着漏水管道走向以一定间距 逐点听测比较，当地面拾音器靠近漏水点时，听测到的漏水声越强，在漏水 点上方达到最大。拾音器放置间距与管道材质有关，一般说来，金属管道间 距为1 2 米，而非金属管道为0 5 1 米，水泥路面间距为1 2 米，土路面为 0 5 米。 2 相关检漏法 相关检漏法是第三代技术，是世界各国用得最多的一种先进、有效的精 确定位漏点的检漏方法，特别适用于环境干扰噪声大、管道埋设深或不适宜 用地面听漏法的区域。一套完整的相关仪主要是由一台相关仪主机( 无线电接 收机和微处理器等组成) 、两台无线电发射机( 带前置放大器) 和两个高灵敏度 振动传感器组成。其工作原理为：当管道漏水时，在漏口处会产生漏水声波， 并沿管道向远方传播，当把传感器放在管道或连接件的不同位置时，相关仪 主机可通过接收到的信号，经过处理计算出由漏口产生的漏水声波传播到不 同传感器的时间差乃，只要给定两个传感器之间管道的实际长度和声波在 该管道的传播速度n 漏水点的位置厶就可按下式计算出来1 1 。 l ，一 - vx 乃) 2 ( 2 - 2 ) 式中y 取决于管材、管径等一些因素。 3 漏水声自动监测法 泄漏噪声自动记录仪是由多台数据记录仪和一台控制器组成的整体化声 波接收系统。当装有专用软件的计算机对数据记录仪进行编程后，只要将记 录仪放在管网的不同位置，如消火栓、阀门及其他管道暴露点等，按预设时 间( 如深夜2 ：0 0 4 ：0 0 ) 同时自动开关记录仪，可记录管道各处的漏水声信号， 该信号经数字化后自动存入记录仪中，并通过专用软件在计算机上进行处理， 从而快速探测装有记录仪的管网区域内是否存在漏水点。人耳通常能听到 3 0 d b 以上的漏水声，而泄漏噪声自动记录仪可探测到1 0 d b 以上的漏水声。 数据记录仪放置距离视管材、管径等情况而定，一般说来，金属管道可选 2 0 0 4 0 0 米的间距，非金属管道应在1 0 0 米之内的间距。判别漏水的依据是： 每个漏水点会产生一个持续的漏水声，根据记录仪记录的噪声强度和频繁度 9 哈尔滨_ 下程大学硕士学位论文 i l l 来判断在记录仪附近是否有漏水的存在，计算机软件自动识别并作二维或三 维图。 4 分区检漏法 分区检漏法主要是应用流量计测漏。用流量计进行分区检漏时，首先关 闭与该区相连的阀门，使该区与其他区分离，然后用一条消防水带一端接在 被隔离区的消火栓上，另一端接到流量计的测试装置上；再将第二条消防水 带一端接在其他区的消火栓上，另一端接到流量计的测试装置上，最后开启 消火栓，向被隔离区管网供水，借助于流量计，测量该区的流量，可得到某 一压力下的漏水量。如果有漏水，可通过依次关开该区的阀门，可发现哪一 段管道漏水。采用分区检漏法检漏的优点：( 1 ) 能迅速排除大的漏水点；( 2 ) 系统地测试，可进行管网状况分析：( 3 ) 用所测流量与正常流量比较，可以发 现漏水的早期迹象。其不足之处就是可能会影响部分居民用水。 2 4 基于时延估计的漏点检测与定位方法 从各种干扰噪声中辨识出埋地管道存在泄漏故障发生后，定位出漏点在 管道上发生的位置是供水管网漏损控制的重要环节。泄漏点产生的泄漏声信 号沿两侧的管道、管内流体水及管道埋设介质等构成的通道传播，由于传播 到两侧信号观测点的距离不相同，泄漏声信号从泄漏点传播到两侧观测点的 时间存在差异，采用信号处理方法对该时间差进行估计，结合传感器间的距 离和信号传播速度便能定位出泄漏点，这是传统时延估计泄漏定位方法的基 本原理。 2 4 1 时延估计漏点定位的模型 当管道由于材料腐蚀或其他外力作用产生裂纹或小孔时，由于管内压力 大于管外压力，使得管道内的水向外喷射，引起泄漏处流体运动状态的改变， 泄漏处湍流声和空泡声等与管道相互作用，管道在泄漏处形成振动，该振动 以管道、管内流体水以及管道埋设介质等形成的波导向远处传播，实际泄漏 定位过程中，通常在疑似漏点两侧的管道暴露点上( 如管道阀门、消防栓等) 分别放置用于拾取振动信号的传感器进行泄漏声信号的获取，其定位原理如 图2 2 所示。 1 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 传感器1地面 传感器2 一 l j 一i f t a 一 一” 一_ 一一 一 d 一 图2 2 泄漏点定位原理图 传感器采集到的信号模型通常简化为n 4 1 5 1 ： 篇黑a s ( t 鬻啪) ( 2 - 3 ) i 工：p ) =一l ) + ，l ：o ) 、7 式中，工o ) 和x 2 表示对未知泄漏源信号s ( f ) 的两路独立观察，n l ( t ) 和厅2 ( f ) 代表观察中的加性噪声，假设两两不相关，乃是泄漏源信号到达两路观察点 的时间延迟，a 是衰减因子，表示泄漏源信号经传播引起的能量损失。通过 时延估计算法得到时延估计值乃，则泄漏点的位置为( 漏点离传感器1 的距 离) ： l = 妄( d 一) ( 2 - 4 ) 、q ， 、， 式中，d 为两传感器间的管道长度，该长度在实际泄漏定位过程中通常 可以直接得到，v 为泄漏声信号在管道和水等形成的波导中的传播速度，该 速度常通过经验值或者实地测量得到。基于时延估计的泄漏定位模型( 2 4 ) 式 表明，在两传感器间管道长度d 和泄漏声信号传播速率矿已知时，两路观察 信号间的时间延迟乃是唯一未知量，可以通过信号处理方法从采集的泄漏声 信号中估计出来。 2 4 2 互相关时延估计 1 相关函数的概念 相关函数是一个数学概念，式( 2 - 5 ) 为互相关函数的表达式。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 r - z p ) 。厂厂1 ( f ) 厂2 0 + r 渺 ( 2 5 ) 式中，f l ( t ) 和f z ( t ) l 为两个不同的函数，r 1 2 ( t ) 称 o ) 和尼( f ) 的互相关函数。 当，l o ) = 尼o ) = 氕f ) 时，式( 2 - 5 ) 可以写成： 尺p ) 一f f ( t ) f ( t + r ) a t ( 2 - 6 ) 式( 2 - 6 ) 称为自关函数表达式，尺0 ) 称朐的自相关函数。于x ( o 和y r ( f ) 两 个常见的平稳遍历性随机信号，经典的互相关函数可以用足够长的统计时间 t 内的时间历程样本x o ) 和y 乘积的时间平均来计算即： 1 r ) 。卜l i m 。( ! ) f x ( t ) y q + z 矽 ( 2 。7 ) 式中，t 为延时时间( 或位移) 。相关系数( 归一化相关函数) 则为： 荆= 燕 ( 2 8 ) 式中如( 0 ) 与勘( 0 ) 分别为信号取哆与在零点的自相关函数。 相关性分析能从噪声和其他无关信号中找出信号两部分之间或两个信号 之间的函数关系，并根据相关性进行检测和提取。利用相关函数( 或相关系数) 的统计计算，找出相关函数出现极值所对应的延时量t ，是相关分析的基本 内容，可以在许多重要的领域中得到实际应用。 2 相关检漏原理 管道发生泄漏时，泄漏发出的声音信号就会沿着管壁向管道两端传播， 管道的相关检漏法是指利用两个传感器拾取漏点发出的声波，对这两路声波 信号进行互相关分析，发生泄漏后，相关函数的值将发生显著变化。另外， 当管道泄漏点的位置不同时，两个信号的延迟时间就有区别，信号的相关函 数的峰值点位置就会改变。因此，根据信号的相关函数信息，就可以对管道 的泄漏状况进行检测n 6 1 。 3 漏点定位算法 根据2 4 1 节建立的时延估计漏点定位的模型，将式( 2 3 ) 中的两个信号 1 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 x l ( t ) 和x 2 ( t ) 作互相关，即： r r ，l ，2 ( r ) = 璺翼i b o ) + 栉( f ) 上o l + f ) + n ( t + f ) i 出 ( 2 - 9 ) o 0 为处理数据方便，一般认为泄漏信号与噪声信号相互独立不相关，噪声 信号l l i 和n 2 ( t ) 完全不相关，那么( 2 9 ) 式可写成 l r ，l ，2 ( _ ) = ! i mi s o ) 船o 一乃+ r ) d t ( 2 1 0 ) j - - 0 0 ， o 当f = t a 时，相关函数咫l 圯达到峰值，由此可以得到泄漏声信号到达两 检测点的时间延迟，利用式( 2 4 ) 计算漏点的位置。 2 5 小波分析理论及在检漏中的应用 小波分析是在傅里叶分析基础上发展起来的，它继承傅里叶分析用简谐 函数作为基函数来逼近任意信号的思想，只不过其基函数是一系列尺度可变 函数，因而在时域和频域都具有良好的局部化特性，可以聚焦到对象的任意 细节。由于其“自适应性”和“数学显微镜”的性质而成为许多学科关注的 焦点1 7 1 9 1 。 2 5 1 小波分析理论基础 1 连续小波变换 若记基本小波函数为妖f ) ，伸缩和平移分别为a 和b ，则由母函数罗生 成的依赖于参数a 、b 的连续小波定义为： y 。6 0 ) ：下1 ( t - b )( 口，6 r ，口o ) ( 2 - 1 1 ) a a 若敢力三2 俾) 犯2 俾) 为平方可积空间) ，且满足容许性条件： q = 解如 则称双f ) 是基本小波。连续小波变换的定义为： 吁( 口，6 ) - 1 。所以对应的离散小波函数野，以f ) 即可写作 缈。z o ) = 口：；y ( 三二差警) = 4 y ( 口i 丘一k b o ) 、( 2 - 1 4 ) 则离散小波变换定义为： 0 ( 口；，五：6 b ) = = i 厂( f ) 5 f ，* a l o k b o ( t ) d t ( 2 1 5 ) 为了使小波变换具有可变化的时间和频率分辨率，适应待分析信号的非 平稳性，需要改变a 和b 的大小，以使小波变换具有“变焦距”的功能。最 常用的是二进制的动态采样网格，即a o = 2 ，b o = l ，每个网格点对应的尺度为 2 ，而平移为2 a k 。由此得到的小波式( 2 1 6 ) 称为二进小波。 一z 。；o ) = 2 2j f ，( 2 t 一尼) ( 2 - 1 6 ) 2 5 2 小波分析在信号降噪中的应用 1 小波消噪原理 一个含噪声的一维信号的模型可以表示为口： s ( k ) = 厂( 后) + 占e ( 尼)( 2 1 7 ) 式中，s ( 妨为含噪信号，火力为有用信号，e ( k ) j o 噪声信号，在实际工程中， 有用信号通常表现为低频信号或是一些比较平稳的信号，而噪声信号则通常 表现为高频信掣2 2 1 。 信号和噪声的小波变换系数的幅度在小波空间中随尺度的增大而传播的 特性是不同的。根据噪声的小波变换系数随尺度的增大而减小，信号的小波 1 4 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 系数随尺度的增大而增大，这样可以设定一个阈值，采用阈值法进行小波去 噪。阈值去噪是一种实现简单、效果较好的小波去噪方法。阈值法按照以下 步骤对带噪信号进行消噪处理嘲： ( 1 ) 选择小波j o ) 和级数，计算带噪信号各级小波变换的小波系数； ( 2 ) 对各级小波系数设定一个阈值，按照一定的规则对小波系数进行阈值 调整； ( 3 ) 对经阈值调整后的各级小波系数以及原有未经调整的最高级尺度系 数按小波变换的反演算法进行信号重构，得到消噪后的信号。 在这3 个步骤中，最关键的就是如何选取阈值和如何进行阈值的量化， 从某种程度上说，它直接关系到信号消噪的质量。 2 阈值的选取规则 在对小波系数作门限阈值处理操作时，可以使用软阈值或硬阈值处理方 法，硬阈值处理只保留较大的小波系数，将较小的小波系数置零： 叩h c 鸭r ，一 夏1 暑i 三? c 2 - 1 8 ) 软阈值处理将较小的小波系数置零，但对较大的小波系数作了微量收缩： p 。副 r h ( ，t ) ； 0 ，h t( 2 - 1 9 ) 【+ f ，s 。 软阈值处理是一种更为平滑的形式，在去噪后能产生更为光滑的波形， 而硬阈值处理能更多的保留真实信号中的尖峰等特征阻1 。 2 6 本章小结 本章对自来水管道泄漏声信号的产生机理与特性作了简要分析，并对常 用的管道检漏方法作了总结，重点介绍了基于互相关时间估计的管道漏点检 测与定位方法，同时对小波分析在信号去噪中的应用也进行了相应的介绍。 1 5 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i i_i 第3 章数据采集与分析软件的设计 3 1 概述 越来越复杂的测试条件、高度自动化的工业化大生产迫切需要功能更强 大、成本更低廉、系统更灵活的新一代测试仪器。从模拟技术向数字技术过 渡、从简单仪器向多功能仪器组合过渡、从完全由硬件实现仪器功能向软硬 件结合方向过渡、从简单功能组合向以个人计算机为核心的通用虚拟测试平 台过渡、从硬件模块向软件包形式过渡，代表了今后电子测试仪器的发展方 向。标准化总线和网络化、软件化的仪器是未来测试与仪器发展的主要标志， 这一切都离不开先进的测试与仪器软件开发平台，而图形化虚拟仪器集成开 发环境l a b v i e w ( 1 a b o r a t o r yv i r t u a li n s t r u m e n te n g i n e e r i n gw o r k b e n c h ) 提供了 最佳的开发平台瞄1 。l a b v i e w 本身是一个功能完整的软件开发环境，同时也 是一种功能强大的编程语言。l a b v l e w 易学易用，内部集成了大量的数学分 析与信号处理等软件工具包，而且能通过调用d l l 节点、m a t l a b 脚本节 点等技术，实现与其它编程语言的混合编程，可以大大节省应用系统的开发 时间。 3 2 虚拟仪器 1 虚拟仪器的概念 传统仪器大多由以下三大功能组成：对被测信号的采集与控制模块、分 析与处理模块，以及测得的结果的表达与输出模块。传统仪器的这些功能都 是以硬件( 或固化的软件) 的形式存在的。将这些功能移植到计算机上完成， 在计算机上插上数据采集卡，然后利用软件在屏幕上生成仪器面板，并且用 软件来进行信号的分析与处理，这就构成了一台虚拟仪器哳1 。 虚拟仪器是一种全新的仪器概念，它是利用计算机的硬件资源( c p u 、存 储器、显示器、键盘、鼠标) 、标准数字电路( g p i b 、r s 2 3 2 接口总线、新型 的v x i 接口总线、信号调理和转换电路、图像采集电路、现场总线等) ，经 过有针对性的开发测试，使之成为一套相当于使用者自己专门设计的传统仪 器。 1 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 简单地说，虚拟仪器技术就是用户自定义的基于p c 技术的测试和测量 解决方案。 2 虚拟仪器的特点 虚拟仪器是计算机技术和仪器测量技术相结合的产物，它充分利用了计 算机强大的运算自理功能，突破了传统仪器在数据处理、显示、传输、存储 等方面的限制。目前，基于p c 的a d 及d a 转换，开关量输入、输出，定 时计数的硬件模块，在技术指标及可靠性等方面已相当成熟，而且价格低廉。 常用传感器及相应的调理模块也趋向模块化、标准化，因而减少了硬件的重 复开发，这使得使用者可以方便地对其进行硬件维护、功能扩展和软件升级。 虚拟仪器的特点如下曙”： ( 1 ) 具有可变性、多层性、自助性的面板。虚拟仪器的面板可以做到与传 统仪器一样，可以有显示器显示波形，有l e d 指示数字，有指针式的表头指 示刻度，有旋钮、滑动条、开关按钮，有报警指示灯和声音等。虚拟仪器面 板上的各种显示控制元件是软件图库中的各种功能图形，不受“标准件 和 “加工工艺”的限制，可以随意增、删、移动，变化尺寸、色彩等，还可以 制作多层下拉面板、帮助文件等。 ( 2 ) 强大的信号处理能力。用适当的硬件接口电路，对信号进行采集、放 大、滤波、隔离、a ，d 转换后，虚拟仪器就可以灵活、充分地利用计算机的 大量实用软件工具，对信号进行各种计算、分析、判断、处理、图形或数字 显示，经过d a 转换后控制执行器件的动作。 ( 3 ) 虚拟仪器的功能、性能、指标可由用户自定义。根据用户的不同要求， 可以对同一仪器的功能、性能、指标进行修改或增删，彻底打破了传统仪器 一经设计、制造完成后，其功能、性能、指标不可改变的封闭性、单一性： 另一方面也可以将多种仪器的功能、性能、指标等以软件的形式集成在一个 “功能软件库”虚拟仪器库内，通过它们的不同组合以及与各种不同类 型的硬件接口搭配，使得在一台个人计算机就实现各种仪器的不同功能，大 大提高了仪器功能的灵活性。 ( 4 ) 具有标准的、功能强大的接口总线、板卡及相应的软件。 ( 5 ) 虚拟仪器具有开发周期短、成本低、维护方便、易于应用的特点。 相对于传统仪器，它有四大优势：性能高、扩展性强、开发时间少、完 1 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 美的集成功能。 3 3l a b v i e w 开发环境 3 3 1l a b v i e w 基本概念 1 l a b v i e w 与g 语言 l a b v i e w ( l a b o r a t o r yv i r t u a li n s t r u m e n te n g i n e e r i n gw o r k b e n c h ) ，即实验 室虚拟仪器集成开发环境，是一种图形化的编程语言g 语言。和v i s u a l b a s i c 、v i s u a lc + + 、d e l p h i 、p e r l 等基于文本型程序代码的编程语言不同， l a b v i e w 采用图形模式的结构框图构建程序代码，因而，在使用这种语言编 程时，基本上不写程序代码，取而代之的是用图标、连线构成的流程图，它 尽可能地利用了技术人员、科学家、工程师所熟悉的术语、图标和概念，因 此，l a b v i e w 是一个面向最终用户的工具。 l a b v m w 是一个工业标准的图形化开发环境，它结合了图形化编程方式 的高性能与灵活性以及专为测试、测量与自动化控制应用设计的高端性能与 配置功能，能为数据采集、仪器控制、测量分析与数据显示等各种应用提供 必要的开发工具，l a b v i e w 通过降低应用系统开发时间与项目筹建成本帮助 科学家与工程师们提高工作效率。 2 l a b v i e w 运行机制 l a b v i e w 的运行机制就宏观上讲已经不再是传统的冯诺伊曼计算机体 系结构的执行方式了。传统的计算机编程语言( 如c 语言) 中的顺序执行结构 在l a b v i e