万家兵科技方法训练指导.doc

附录A：科研项目申报书模板科技项目（课题）申报书计 划 类 属： 项目（课题）名称： 基于DSP的地上管道漏水系统检测设计申 报 单 位： 景德镇陶瓷学院 （盖章） 邮 政 编 码： 333403 电 话 号 码：通 讯 地 址： 景德镇市陶瓷学院 姓 名： 万家兵 学 号： 200910320201 班 级： 09自动化（2）班 江西 省科学技术委员会2013 年 7 月 1日一、国内外与本项目有关的科学技术现状和发展趋势（包括计算机检索情况）：管道运输已成为继铁路、公路、水路、航空运输以后的第五大运输工具,用以输送原油、天然气和其它液气产品。随着管道长时间的运行磨损、设备的自然老化、地理和气候环境的变化以及人为损坏等原因,泄漏故障时有发生,给人们的生命、财产和生存环境造成了巨大的潜在威胁,同时也会造成贵重资源的浪费。因此,建立管道泄漏检测诊断系统,及时准确报告事故的范围和程度,可以最大限度地减少经济损失和环境污染。传统的管道泄漏检测方法主要依靠操作人员通过听音设备判断管道泄漏状态，当“不间断夜流量检测”法发现某片区管道发生泄漏时，工作人员首先用听音设备直接在管道暴露点(如阀门、消防栓及暴露的管道等)听取管道泄漏引起的振动，确定漏水管道，缩小检测范围。初步确定漏水管段后改由听音设备沿管道走向以一定距离逐点比较泄漏信号强度，距离漏点位置越近，信号越强，在泄漏发生处泄漏信号强度达到峰值。传统管道泄漏检测常用的听音设备有听音棒、电子听漏仪等。随着现代信号处理技术的发展，互相关算法、神经网络等信号处理方法应用于管道泄漏检测定位，开发出以相关仪为代表的泄漏检测定位仪器。相关仪通过计算机处理泄漏信号，判定漏点位置，摆脱了对操作人员经验的依赖，降低了对环境噪声的要求，可在白天使用，无需开挖路面。且泄漏检测过程不影响管道正常运行，不影响居民、工厂和消防设施供水状况，可避免经济损失保障消防安全。迄今为止，管道泄漏检测系统的组成主要分为硬件和软件两种方法和技术。基于硬件的方法和技术主要有声发射、电缆传感器、光纤维、土壤检测、超声波流量测定、蒸汽测定、遥感技术等方法和技术；基于软件的方法和技术有质量（或体积）平衡、实时瞬变模型、压力点分析、神经网络、统计分析等等。如图 1.2 所示，管道泄漏信号相关仪由传感器，数据采集单元和执行相关运算、判断漏点位置的主机构成，采集器与主机通过有线或无线通信方式传输数据。管道泄漏信号可由水听器或振动传感器拾取。水听器在检测塑料管道泄漏产生的低频信号时更有效，压电加速度传感器在检测铸铁管道泄漏时效果也较好，安装更方便。北京大学采用水听器拾取泄漏引起的应力波，南京理工大学、吉林大学采用压电传感器拾取泄漏引起的管道振动信号。数据采集单元主要完成传感信号的调理、数据采集、数据存储以及与主机间的数据通信等功能。目前数据采集单元主要由 MCU (Micro Controller Unit)或 DSP(Digital Signal Processor)开发。MCU 又称微控制器，是指把中央处理单元(CPU)，存储器(RAM/ROM)，输入/输出接口(I/O)，计数器/定时器等功能部件集成在一个芯片上的单芯片微型计算机。MCU 因具备可靠性高、易扩展、控制能力强、体积小，价格低等特点广泛应用于仪器仪表等专用设备的智能化管理及过程控制等领域。DSP 即数字信号处理器，内部采用程序总线和数据总线分开的哈佛结构，具有专门的硬件乘法器，广泛采用流水线操作，提供特殊的数字信号处理指令，可用来快速地实现各种数字信号处理算法。DSP 为数字信号处理提供了高效而可靠的硬件基础，已经广泛应用于高速自动控制、通信技术、语音处理、网络设备等领域。MCU 和 DSP 各有所长，用户可根据功能需要、技术基础和使用偏好等选择。国外产品的泄漏信号采集器多由 MCU 或 DSP 开发，国内的南京理工大学采用数据采集卡和 MCU 开发的采集器实现泄漏信号采集功能，北京大学、吉林大学采用DSP 开发泄漏信号采集器。现在国际上最新的数字相关检测仪的核心处理器主要分为两种，即笔记本电脑和 DSP 处理器，两类产品所占的比例相当，各有特点。两者相比较，以笔记本电脑为核心处理器的相关测漏仪在功能上更强大一些，一次性检测的距离也比较长，缺点就是设备笨重，工作时间较短；以 DSP 为核心处理器的相关测漏仪则具有操作简单、携带方便，功耗低且能工作较长时间的优点，但在显示上与笔记本电脑相比稍显逊色一些。与国外同类产品相比，国内研制生产的相关测漏仪主要以笔记本电脑为核心，另有少量以单片机等微处理器为核心，从携带方便、处理速度高和工作时间长的角度上来讲，以 DSP 为核心处理器的测漏设备更能适应实际检测的需要，因而具有广阔的发展前景。国外生产的数字相关测漏仪主要有英国雷迪（radiolocation）公司生产的 MC6、MC7 型相关测漏仪，其中 MC7 是世界上第一台全数字型相关测漏仪，瑞士 WAGAMETAG 公司生产的 LOG 3000 相关测漏仪，日本富士（地探）株式会社生产的 LC-2100 型及 LC-2500 型相关漏水探测器等。国内也有单位开发了一些相关检漏设备，如我们早期开发的两代产品 CD-型和 CD-型测漏仪，其中 CD-型以 80C196KB 单片机为核心，使用192 X 64 点阵图形液晶显示器进行显示。CD-型测漏仪将相关技术应用于管道检漏上，使检漏技术得到一定发展，但是精度较低、测量距离较短，而且在运算前对信号没有进行任何处理，容易造成误检；CD-型用笔记本电脑取代了单片机，使用 12 位 A/D 采集数据，精度有所提高。但是，其分辨率较低，所有通道的模拟信号分时地通过模数转换器 ,无法提高数据采集的效率。二、研究内容、方法和技术路线（包括工艺流程）：1、研究内容水管道漏点检测仪的设计针对传统漏水检测的被动检修法和听音法的不足,提出了采用互相关技术,利用超声传感器,实现地下自来水管道漏水部位定点检测的设计思想,给出了水漏检测仪的硬件设计框图和软件流程图。该仪器采用新型低功耗内含12位A /D转换器的16位单片机M SP430F149与数字信号处理专用芯片TM S320C5402,简化了电路结构,提高了数据处理速度,实现了数据的实时处理及显示。1 相关测漏仪的工作原理地下自来水管道漏水相关检测仪工作原理如图1所示, 是被测试管道的长度, A、B为管道两端, O为漏点。、分别为漏点距两端的距离 (假设 ) ,设漏水声的速度为。漏水声从漏点O传到A点的时间 (1)漏水声从漏点O传到B点的时间 (2)漏水声从漏点O传到两端的时间差 (3)而 (4)结合式 (3)、(4) ,可得 (5) (6)自来水管道的长度和漏水声的速度是可知的,由式 (5) , ( 6)可知,只要计算出时间差 t,就可以知道漏点的具体位置了。相关测漏仪就是利用相关的算法,求出漏水声传到管道两端的时间差,从而找出漏点的位置的。3 水漏探测仪设计水漏探测仪就是根据相关检测原理,吸收了国外一些先进经验,结合我国的实际情况而设计的,其基本原理框图如图2所示。.1) 传感器 根据漏水信号的特性,采用压电式传感器接收漏水声发射信号,它的任务是把管道漏水信号转换为电信号,并送至放大器的输入端。传感器内置20倍放大器,能够很好地与下一级放大器匹配,从而有效地抑制噪声,提高信噪比。传感器的频响曲线如图3所示, S /( V)表示传感器灵度,其物理意义是单位力作用时传感器输出的电压值。2)放大器 放大器放大倍数分3档(1 8005 400) ,由高精度运放组成。3)滤波电路 根据漏水信号频率范围在2002 000 Hz,滤波器设计为有源带通滤波器,它由四阶切比雪夫低通滤波器和四阶切比雪夫高通滤波器串联组成,滤波器的通带增益为1,带宽1 800 Hz,阻带衰减速率为80 dB /10倍频程,高低通截止频率为2002 000 Hz。4)采集控制电路 由于采集控制电路采用新型单片机M SP430F149,使电路结构大大简化。该单片机内部集成了12位的A /D转换器,满足了漏点检测仪的精度要求。采样频率为10 kHz,大大提高了仪器的精度。单片机M SP430 F149用3 V电源供电,可以直接与DSP (D igital Signal Prosessing)主机进行通讯,节省了电平转换电路。5) DSP主机 主机使用数字信号处理专用芯片TM S320C5402,大大提高了运行速度,实现了实时测量。主机主要是将采集的信号进行数字滤波,再进行相关运算,然后计算出漏点的位置。4软件部分设计根据数据采集系统的特点,传感器与DSP主机之间的距离比较远,测试现场环境各种干扰较大。因此整个系统软件部分在考虑实时采集数据、实时控制、数据处理和存储等方面内容,将软件分为数据采集和DSP数据处理两部分。4.1数据采集控制部分软件设计部分软件主要功能是对传感器采集的数据进行量化,以及完成与DSP主机的通讯。该软件的设计思想为:上电初始化,实时数据采集,发送数据到主机等。完成一次采集任务的软件流程图如图4所示。4.2 DSP数据处理的软件设计DSP主机将M SP430单片机采来的数据进行分析和处理,计算出漏点的位置。它主要完成两项任务: 1)对采集来的数据进行数字滤波; 2)将处理后的数据进行相关运算,得出漏点位置。为了克服随机干扰引入系统的误差,采用递推平均滤波法实现软件数字滤波,以滤除或抑制有效信号中的干扰成分,消除系统随机误差,同时对信号进行必要的平滑处理,以保证系统的正常运行。递推平均滤波法是把N个测量数据看成一个队列,队列的长度固定为N ,每进行一次新的测量,把测量结果放入队尾,而扔掉队首的一个数据,这样在队列中始终有N个“最新 ”的数据。计算滤波值时,只要把队列中的N个数据进行算术平均就可得到新的滤波值。这样每进行一次测量，就可以得到一个新的平均滤波值。这种滤波算法称为递推平均滤波法,其数学表达式为 (7)式中:.为第n次采样值经滤波后的输出;是未经滤波的第n一i次采样值;N为递推平均项数。递推平均滤波算法对周期性十扰有良好的抑制作用。三、科技目标和技术、经济指标（阶段目标按年月写） （一）阶段目标：1、2012年08月，完成各单元的实验研究2、2013年03月，完成样机制作机软件设计3、2013年04月，完成用户试用4、2013年05月，完成样机性能检测5、2013年06月，样机技术鉴定 （二）最终目标： 提供样机和能指导生产的图纸和工艺文件一套 （三）技术经济指标： 1、温度：压电陶瓷片居里点在300以上 2、电压：纵向压电常数可以达到 500 C/ N 3、电阻率(m) 4、选用 INA102 放大器, 该芯片是一个高精度、低功耗的单片仪用放大器, 输入阻抗大于, 具有 1, 10, 100, 1000 倍固定编程增益设置, 四、计划进度（按年月详细填写）：起 止 年 月计 划 要 求2012年03月2012年08月2013年03月2013年04月2013年04月2013年05月2013年06月完成调研完成微距位移传感机构、可视高温电炉、物料图像采集方案以及与计算机接口方案、温度控制方案、数据处理方案等实验研究完成分析软件的初稿完成样机的组装、调试、图纸资料等技术文件的编制完成用户试用完成样机测试技术鉴定五、现有人才、技术、物质基础条件（包括本课题做过哪些前期工作），现有仪器设备、水电、燃料、材料、环保等条件：本项目主要负责人多年从事电子产品特别是电子测量仪器的研制工作，承担过多项省市级科研项目，其中“JW1252精密扫频仪”获得江西省科技进步（二等奖），“JDS1471合成信号发生器”通过了江西省科委组织的技术鉴定。目前，已将“数字显示高温膨胀仪”作为学生毕业设计课题进行了前期研究。我院的材料工程系和热能工程系长期开展陶瓷新材料、新工艺、新配方、高温窑炉及控制等多方面的教学和科学技术研究，两系的实验室可提供各种实验设备，并可为本项目研究提供各种试验条件。六、经费预算： （一）经费的构成： 合计 拨 款科技发展基金 贷 款自 筹82 （二）经费年度计划：2000年2001年2002年2003年53 （三）拨款分项计划：分 项 内 容经费额（万元）备 注 1、设备、仪器购置费2.5购置高精密度传感器和图象采集设备 2、材 料 样 品