一种管道油垢检测装置及方法与流程

1.本技术涉及检测技术领域，更具体地，涉及一种利用超声波技术的管道油垢检测装置及方法。


背景技术：

2.厨房是油烟重地，经过长时间的累积，油烟机的排烟管道不免会存留大量的油污。如果没有定期清理就有可能引发火灾，成为一场悲剧的导火索。一般油烟道火灾都是由于明火被吸入烟道，引燃烟道内残留的油垢所致。平时，操作人员一般会注意灶台周围可燃物的清理，而较容易忽视灶台正上方烟道的潜在火灾危险性。而且由于烟道是一个相对封闭的空间，明火被吸入烟道引燃油垢后将很难被发现，等到发现时，明火已充满整个烟道，蔓延并引着临近烟道的可燃物，造成火势扩大。
3.可见，如果没有清洗烟道或清洗不及时、不彻底，致使烟道内油垢积存，很容易在烟道温度过高时被引燃。目前，消防部门已经加强了烟道安装、清洗的规范化管理，但仍然缺乏能够科学准确的检测油垢累积程度的传感装置。这主要是因为烟道环境差，依靠光学测距法来检测油垢厚度十分困难；同时由于烟道内的油垢成分复杂，电学响应不确定，很难通过电磁波测距测厚的方法进行检测；同时油垢介于液固之间，不同组分不同状态的油垢的声波传输特性差异巨大，用回声测距法测其厚度也相当困难；缺乏有效的传感技术导致目前依然只能根据使用者的主观判断来决定何时对烟道进行清洗。


技术实现要素：

4.针对现有技术的至少一个缺陷或改进需求，本发明提供了一种管道油垢检测装置及方法，其目的在于实现以科学准确的方式来检测管道内部油垢的累积程度，避免造成油垢过量积存而引发火灾。
5.为实现上述目的，按照本发明的第一个方面，提供了一种管道油垢检测装置，其包括传感探头以及与所述传感探头电连接的控制模块；
6.工作时，所述传感探头从外部穿过管道壁与油垢进行表面接触，在控制模块输出的激励信号的驱动下进行机械振动，并在所述激励信号停止后发生残余振动；
7.所述控制模块用来采集传感探头的所述残余振动在经过油垢阻尼后产生的余振衰落信号，并基于预制的余振衰落信号与油垢厚度之间的对应关系获得管道内壁上油垢的累积程度。
8.进一步地，上述管道油垢检测装置，所述传感探头包括压电元件以及附于所述压电元件表面的声阻匹配层；
9.所述声阻匹配层用于隔离压电元件和油垢，提高油垢对压电元件发生的残余振动的阻尼效果。
10.进一步地，上述管道油垢检测装置，所述声阻匹配层的材质选自塑料、树脂、橡胶、硅橡胶中的任意一种。
11.进一步地，上述管道油垢检测装置，所述控制模块包括处理器、ad转换器和运算放大器；
12.所述处理器的输出端口连接传感探头的输入端，将激励信号传输给传感探头；
13.所述运算放大器的输入端连接传感探头的输出端，输出端连接ad转换器的输入端，所述ad转换器的输出端连接处理器；
14.ad转换器采集传感探头的余振衰落信号对应的模拟信号，将该余振衰落信号对应的模拟信号转换为数字信号并传输至处理器；
15.处理器从数字信号中提取出余振衰落信号包含的谐振频率分量的幅度值，根据所述幅度值与油垢厚度之间的对应关系，获取附着在传感探头表面的油垢的累积程度。
16.进一步地，上述管道油垢检测装置，所述ad转换器与处理器之间还设置有缓存器；
17.所述缓存器根据处理器发出的写控制信号将ad转换器输出的数字信号写入数据缓存器区，以及根据处理器发出的读控制信号提取数据缓存区中存储的数字信号并发送至处理器。
18.进一步地，上述管道油垢检测装置，所述控制模块还包括晶振电路；
19.所述晶振电路的输出端分别连接ad转换器与处理器或缓存器，为各元件提供时钟同步信号。
20.进一步地，上述管道油垢检测装置，所述控制模块还包括通讯模块；
21.所述通讯模块与处理器电连接，将处理器输出的油垢的累积程度发送给后台服务器。
22.进一步地，上述管道油垢检测装置，所述控制模块还包括电源模块，用于为控制模块中的各元件提供工作电压。
23.按照本发明的第二个方面，还提供了一种管道油垢检测方法，其包括以下步骤：
24.s1将传感探头从外部穿过管道壁与油垢进行表面接触，提供激励信号驱动所述传感探头进行机械振动，确保传感探头在所述激励信号停止后发生残余振动；
25.s2采集传感探头的所述残余振动在经过油垢阻尼后产生的余振衰落信号，并基于预制的余振衰落信号与油垢厚度之间的对应关系获得管道内壁上油垢的累积程度。
26.进一步地，上述管道油垢检测方法，其步骤s2具体包括：
27.从余振衰落信号中提取出余振衰落信号包含的谐振频率分量的幅度值；
28.根据所述幅度值与油垢厚度之间的对应关系，获取附着在传感探头表面的油垢的累积程度。
29.总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
30.本发明提供的管道油垢检测装置及方法，创造性地利用了传感探头的余振特性，根据积累在探头表面的油垢导致探头的余振衰落信号发生变化的原理，得到与油垢厚度明显正相关的信号，从而推算出油垢累积程度的数值。本发明通过科学的方式及时客观地获得管道内壁油垢厚度数据，避免了人为主观判断何时清洗烟道油垢导致的潜在火灾危险性。
附图说明
31.为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需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技术的一些实施例，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。
32.图1为本技术实施例提供的一种管道油垢检测装置的组成结构示意图；
33.图2为本技术实施例一提供的管道油垢检测装置的电路框图；
34.图3为本技术实施例一中处理器的工作流程示意图；
35.图4为本技术实施例二提供的管道油垢检测装置的电路框图；
36.图5为本技术实施例二中处理器的工作流程示意图。
具体实施方式
37.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
38.本技术的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。
39.此外，为了避免使技术人员对本发明的理解模糊，可能不详细地描述或示出公知的或广泛使用的技术、元件、结构和处理。尽管附图表示本发明的示例性实施例，但是附图不必按照比例绘制，并且特定的特征可被放大或省略，以便更好地示出和解释本发明。
40.本技术提供的管道油垢检测方案，利用具有余振特性的传感探头进行油垢检测，将传感探头与管道内壁的油垢进行接触，根据附着在传感探头表面的油垢导致传感探头的余振衰落变化的原理，来检测油垢的累积程度。
41.图1是本实施例提供的一种管道油垢检测装置的组成结构示意图，请参阅图1，该检测装置包括传感探头1以及与所述传感探头1电连接的控制模块2；具体的，传感探头1可通过防水的高温线缆与控制模块2连接；
42.其中，传感探头1在工作时从外部穿过管道壁3与油垢进行表面接触，在一个具体的实施方式中，可以在待检测的管道上开洞，暴露出管道内壁上的油垢，将传感探头1紧贴油垢表面，确保两者进行表面接触。传感探头1具有余振特性，其在控制模块输出的激励信号的驱动下进行机械振动，并在激励信号停止后发生残余振动；在一个具体的实施方式中，传感探头1可以选用超声探头，该超声探头是一种可逆的传感器，可以将电能转变成机械振荡而产生超声波，同时将接收的超声波转变为电能；当超声探头发出超声波束时，超声探头有一定的惯性，发送结束后还留有一定的余振，这种余振能转换成电压信号。
43.控制模块2用来采集传感探头1的残余振动在经过管道内壁的油垢阻尼后产生的余振衰落信号，并基于预制的余振衰落信号与油垢厚度之间的对应关系获得管道内壁上油垢的累积程度。油垢依附在传感探头1上，会对传感探头1的振动起阻尼作用，导致传感探头1的余振衰落发生变化，即油垢的累积程度越高，对传感探头1的残余振动的阻尼作用越大，
则余振衰落越快；反之，油垢越少，油垢的累积程度越低，对传感探头1的残余振动的阻尼作用越小，则余振衰落越慢；基于此原理，通过控制模块2驱动传感探头1进行振动，并利用传感探头1的余振特性进行油垢检测。
44.不同于传统技术中利用超声探头进行测距，为避免盲区而尽可能地减少或避开余振，本技术是利用超声探头的余振衰落的特性，来检测其表面附着的油垢的累积程度。在检测之前，需要通过实验制定余振衰落信号与油垢厚度之间的标准关系曲线，确定不同累积程度的油垢对传感探头1的余振衰落变化的影响，获得两者之间的对应关系。另外需要说明的是，传感探头1的类型不局限于产生超声波的超声探头，只要具备余振特性的探头即满足本技术的检测需求，均在本技术的保护范围之内。
45.在一个可选的实施方式中，传感探头1的核心组件是压电元件，该压电元件被控制模块输出的电压激励信号的驱动时振荡，可以传输超声频率范围内的声音信号，如超声波信号。该压电元件有振动惯性，在停止电驱动后能保持一段时间地机械振动，并输出交流电压(对应余振信号)；当机械振动受到阻尼影响导致更快的衰落时，其输出的交流电压也衰落得更快；因此，本实施例用压电元件因惯性振动而输出的交流电压的衰落速率来测量其受到的机械阻尼的大小，对应管道内沉积油垢的累积程度。在一个具体的示例中，该压电元件可以由锆钛酸铅或其他压电陶瓷材料制成。
46.在一个优选的实施方式中，传感探头1还包括与压电元件并行设置的声阻匹配层，该声阻匹配层附于压电元件的表面，用于隔离压电元件和油垢，其效果是减小油垢和压电元件之间的界面对压电元件一侧声能的反射率，提高穿透率，进而提高油垢对压电元件的残余振动的阻尼效果。基于对油垢阻尼效果的提升，能够增加本装置对油垢累积程度检测的分辨率和准确性。
47.本实施例中，声阻匹配层的材质选自树脂、橡胶、硅橡胶中的任意一种，理论上讲，声阻匹配层的声阻特性介于压电材料(例如锆钛酸铅陶瓷)和油垢之间即可，所以塑料、树脂、橡胶、硅橡胶等有机材料都可以作为声阻匹配层。而声阻匹配层的具体材质选择取决于超声探头中的压电材料的类型，如果压电材料使用压电型pvdf(偏氟乙烯)，则用四氟乙烯作为声阻匹配层效果非常好。另外，在实际的产品设计中，传感探头1还包括一耐高温塑料壳体，该塑料壳体与声阻匹配层共同构成传感探头1的外壳，将压电元件围护在内，塑料壳体的材质可以与声阻匹配层相同或不同，本实施例不做具体限制。
48.在一个可选的实施方式中，控制模块2包括处理器4、ad转换器5和运算放大器6；
49.其中，处理器4的io连接传感探头1的输入端，将激励信号传输给传感探头1；运算放大器6的输入端连接传感探头1的输出端，输出端连接ad转换器5的输入端，ad转换器5的输出端连接处理器4；运算放大器6起缓冲隔离的作用，ad转换器5采集传感探头1的余振衰落信号对应的模拟信号，并将该余振衰落信号对应的模拟信号转换为数字信号并传输至处理器4；然后，处理器4从获取的余振衰落信号中检出谐振信号，并得到其包络幅度随时间衰落的过程。该过程的实现方法可以用多种数字计算方法，也可以采用模拟电路。在一个具体示例中，处理器4将数字信号进行滤波和频域变换，读取余振衰落信号的谐振频率对应的频率分量的幅度值，根据所述幅度值与油垢厚度之间的对应关系，获取附着在传感探头1表面的油垢的累积程度。
50.在一个可选的实施方式中，当处理器4选用低端单片机，致使其与ad转换器5数据
传输速率不匹配时，在ad转换器5与处理器4之间还设置有一缓存器7，用来缓存从传感探头1采集的余振衰落信号；该缓存器7根据处理器4发出的写控制信号将ad转换器5输出的数字信号写入数据缓存器区，以及根据处理器4发出的读控制信号提取数据缓存区中存储的数字信号并发送至处理器4。
51.进一步地，控制模块2还包括晶振电路8、电源模块(图中未示出)；
52.其中，晶振电路8的输出端分别连接ad转换器5与处理器4或缓存器7，主要为各元件提供时钟同步信号。电源模块则为控制模块中的各元件提供工作电压。
53.进一步地，控制模块2还包括可与后台服务器进行数据传输的通讯模块9；该通讯模块9与处理器4电连接，将处理器4输出的油垢的累积程度发送给后台服务器。通讯模块的具体类型不做具体限制。
54.在一个可选的实施方式中，控制模块2为一印制电路板，处理器4、ad转换器5、运算放大器6、缓存器7和晶振电路8等元件均放置在印制电路板，并通过金属走线实现电连接。
55.本技术通过在控制模块实现传感探头驱动，使其发生机械振动并产生余振；采集该余振信号经油垢阻尼后的余振衰落信号，进行ad转化、信号检波、频谱变换后，得到与油垢的累积程度明显正相关的信号，从而推算出油垢厚度的数值；然后将厚度数据通过通讯模块传到后台服务器，通过科学的方式及时客观地获得管道内壁油垢厚度数据，避免了人为主观判断何时清洗烟道油垢导致的潜在火灾危险性。
56.下面结合附图和具体的实施例对本技术提供管道油垢检测装置作进一步详细说明。
57.实施例一
58.图2是本实施例提供的管道油垢检测装置的电路框图，如图2所示，该检测装置包括超声探头1和控制模块2，该控制模块2中包括处理器4、a/d转换器5、运算放大器6、晶振电路7和电源模块；
59.其中，超声探头1的一端接处理器4的io口,接收处理器4产生的数字电压驱动信号；另一端接运算放大器6的 端。
60.运算放大器6的
“‑”
端与输出端连接，起到电压跟随器的作用；运算放大器6的输出端与a/d转换器5的输入端连接。
61.a/d转换器5采集超声探头1的余振衰落信号对应的电压信号，将该余振衰落信号(模拟信号)转换为数字信号，a/d转换器5的输出端连接处理器4，处理器4具备与a/d转换器5匹配的高速接口。
62.晶振电路8同时向a/d转换器5和处理器4提供时钟信号，保证数据传输同步。
63.电源模块向a/d转换器5、运算放大器6、晶振电路8、处理器4提供所需的工作电源。
64.处理器4的工作流程如图3所示：首先处理器的io产生超声探头的电压激励信号驱动超声探头进行振动；激励信号结束后，超声探头会产生余振，经附着在探头表面的油垢进行阻尼后，对应的余振衰落信号经过a/d转换器转换成数字信号后被处理器读取，处理器将余振衰落信号进行检波和频域变换，读取超声探头谐振频率对应的频率分量的幅度值，根据幅度值和油垢厚度的对应关系，得到超声探头表面的油垢的累积程度。最后，处理器将检测结果通过通讯模块发送到后台服务器，进行可视化呈现。
65.实施例二
66.图4是本实施例提供的管道油垢检测装置的电路框图，如图4所示，该检测装置包括超声探头1和控制模块2，该控制模块2中包括处理器4、a/d转换器5、运算放大器6、fifo缓存器7、晶振电路8和电源模块；
67.其中，超声探头1的一端接处理器4的io口,接收处理器4产生的数字电压驱动信号；另一端接运算放大器6的 端。
68.运算放大器6的
“‑”
端与输出端连接，起到电压跟随器的作用；运算放大器6的输出端与a/d转换器5的输入端连接。
69.a/d转换器5采集超声探头1的余振衰落信号对应的电压信号，将该余振衰落信号(模拟信号)转换为数字信号，a/d转换器5的输出端连接fifo缓存器7的写入端，处理器4产生写控制信号，将a/d转换器5的输出信号写入fifo缓存器7的数据存储区。fifo缓存器7的读出端连接处理器4，处理器4产生读控制信号，将fifo缓存器7内的数据读出进行处理。
70.晶振电路8同时向a/d转换器5和fifo缓存器7提供时钟信号，保证数据传输同步。
71.电源模块向a/d转换器5、运算放大器6、fifo缓存器7、晶振电路8、处理器4提供所需的工作电源。
72.处理器4的工作流程如图5所示：首先处理器的io产生超声探头的电压激励信号驱动超声探头进行振动；激励信号结束后，超声探头会产生余振，经附着在探头表面的油垢进行阻尼后，对应的余振衰落信号经过a/d转换器转换成数字信号，处理器向fifo发送写信号，a/d转换器将数据写入fifo中，当数据写完以后，处理器向fifo发送读信号，读出fifo内的数据，将余振衰落信号进行检波和频域变换，读取超声探头谐振频率对应的频率分量的幅度值，根据幅度值和油垢厚度的对应关系，得到超声探头表面的油垢的累积程度。最后，处理器将检测结果通过通讯模块发送到后台服务器，进行可视化呈现。
73.上述各实施例中，所述的a/d转换器5可以为积分型、逐次逼近型、并行比较型、调制型、电容阵列逐次比较型及压频变换型中的任一种，本技术不对a/d转换器的类型进行限定，即采用哪种类型的a/d转换器都能实现本方案的数模转化功能。
74.所述的处理器4为单片机，所述单片机为具有数据处理能力的中央处理器cpu、随机存储器ram、只读存储器rom、多种i/o和中断系统、定时器/计数器等功能的微型计算机系统。本技术不对单片机类型进行限定，所述的处理器的外围电路根据型号进行相应的设置。
75.所述的fifo缓存器7主要用在ad和处理器之间的数据缓冲，解决a/d转换器的转换频率和处理器数据接收能力不匹配的问题，本技术不对fifo进行限定，也可以用其他类型的存储器实现数据缓冲的功能。
76.所述的电源模块可以采用常规的电源电路，只要能提供3.3v的工作电压给处理器、运算放大器、a/d转换器、处理器工作即可。所述的通讯模块9使用了nb模块，本技术不对通讯模块的类型进行限定。
77.实施例三
78.本实施例提供了一种管道油垢检测方法，该方法主要包括以下步骤：
79.s1将传感探头从外部穿过管道壁与油垢进行表面接触，提供激励信号驱动传感探头进行机械振动，确保传感探头在激励信号停止后发生残余振动；
80.关于传感探头所具备的特性以及其结构组成可参阅上文的详细说明，此处不再赘述。
81.s2采集传感探头的残余振动在经过油垢阻尼后产生的余振衰落信号，并基于预制的余振衰落信号与油垢厚度之间的对应关系获得管道内壁上油垢的累积程度。
82.在一个可选的实施方式中，上述步骤s2具体包括：
83.从余振衰落信号中提取出余振衰落信号包含的谐振频率分量的幅度值；在一个具体示例中，将余振衰落信号进行频域变换，读取余振衰落信号的谐振频率对应的频率分量的幅度值；
84.根据幅度值与油垢厚度之间的对应关系，获取附着在传感探头表面的油垢的累积程度。
85.根据实际需要，在方法执行过程中，可对余振衰落信号执行模数转换、缓存、滤波等数据处理过程，具体可参见上文实施例的详细说明，此处不再赘述。
86.在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
87.在本技术所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置，可通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些服务接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。
88.所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
89.另外，在本技术各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
90.以上所述者，仅为本公开的示例性实施例，不能以此限定本公开的范围。即但凡依本公开教导所作的等效变化与修饰，皆仍属本公开涵盖的范围内。本领域技术人员在考虑说明书及实践这里的公开后，将容易想到本公开的其实施方案。本技术旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未记载的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的范围和精神由权利要求限定。
91.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。