本发明涉及液体体积测量技术领域，特别涉及一种液体体积测量系统及方法。
背景技术：
近年来，随着工业以及实验室对液体体积计量设备日益增长的需要，新的技术被不断开发出来。例如，申请日为2010年1月14日，申请号为201010031354.4的中国发明专利公开了一种微量液体体积测量的方法及装置，利用微量液体的导电性测量液体的体积，其特征是液体必须以一定速度流过测量装置。但是对于不导电的液体，需要额外添加导电离子，增加使用难度，并且容易造成试样的失效。申请日为2015年4月24日，申请号为201520255520.7的中国发明专利公开了一种基于CCD线阵液体体积测量装置，通过液体光学成像的尺寸测量从而获得液体的体积值，其液体体积测量精度受限于光学调焦精度以及CCD线阵的分辨率。2016年4月出版的《包装工程》中的“软包装液体体积测量技术”一文中，吕海峰等人提出了一种基于Helmholtz共振器理论的声学装置实现液体体积的测量，该装置仅适用于液体的软包装领域。
技术实现要素：
本发明实施例提供了一种液体体积测量系统及方法，用以解决现有技术中存在的问题。
一种液体体积测量系统，包括波导管，所述波导管两端分别安装有平面波扬声器和麦克风，所述波导管内部还安装有单开孔空心球，所述单开孔空心球表面具有一个圆孔；所述平面波扬声器的输入端与功率放大器的输出端连接，所述功率放大器的输入端与波形发生器的输出端连接，所述波形发生器的输入端连接至计算机的USB接口，所述麦克风的输出端与数据采集卡的输入端连接，所述数据采集卡的输出端连接至所述计算机的另一USB接口；
所述计算机包括信号发生模块和数据处理模块；
所述信号发生模块用于产生最小的扫描频率点指令数据帧，并将该扫描频率点指令数据帧通过USB接口发送至所述波形发生器，所述波形发生器接收到该扫描频率点指令数据帧后提取扫描频率点指令数据帧中的扫描频率数据，以该扫描频率数据产生正弦波信号；并将该正弦波信号输入到所述功率放大器，所述功率放大器使用放大后的信号驱动所述平面波扬声器发声；
所述数据处理模块用于通过所述计算机的USB接口向所述数据采集卡发送数据采集指令帧，所述数据采集卡接收到该数据采集指令帧后以默认采样频率进行数据采集；所述数据采集卡将获取的数据通过USB接口传输到所述数据处理模块，所述数据处理模块将采集到的数据进行保存；所述数据处理模块依次调出扫描频率点对应的采集数据，并从中找出各频率点对应的最大值，然后在这些最大值中查找出最小值，该最小值所对应的扫描频率点即为谐振频率，将谐振频率带入公式算出液体体积；
其中，CA为所述单开孔空心球内部空气和液体的声容，V为所述单开孔空心球的内部体积，ρ为待测液体的密度，c为待测液体中的声速，Vy为待测液体的体积，ρ0为空气密度，c0为空气中的声速，考虑所述单开孔空心球表面的圆孔两端修正的情况，所述圆孔的有效长度为：
其中，Ro为所述单开孔空心球110的外径，a为所述圆孔的半径，Ri为所述单开孔空心球的内径，所述圆孔的声感为：
根据谐振电路规律，所述单开孔空心球的谐振频率为：
将式(1)和(3)带入式(4)，可得所述单开孔空心球中液体体积与谐振频率的关系：
在其他参数已知的情况下，通过测定谐振频率，通过式(5)即可获得所述单开孔空心球内的液体体积。
优选地，所述波导管的测试频段为1500-6000Hz，所述单开孔空心球首先嵌入海绵中，然后海绵安装在所述波导管中。
优选地，所述波导管安装所述麦克风的端面上具有完全匹配层，所述完全匹配层由五层厚度为10mm的海绵重叠形成。
优选地，所述信号发生模块按照设定步进频率更改扫描频率，直至完成设定的扫描频率范围，然后所述信号发生模块向所述波形发生器发送停止发声指令帧，所述波形发生器接收到该停止发声指令帧后停止产生正弦波信号。
优选地，所述波形发生器接收到扫描频率点指令数据帧后进行CRC校验，如果有误则向所述计算机发送错误数据帧，如果无误，则所述波形发生器提取扫描频率点指令数据帧中的扫描频率数据，以该扫描频率数据产生正弦波信号；
所述波形发生器接收到停止发声指令帧后进行CRC校验，如果有误则向所述计算机发送错误数据帧，如果无误，则所述波形发生器停止产生正弦波信号。
优选地，在所述信号发生模块完成设定的扫描频率范围后，所述数据处理模块向所述数据采集卡发送停止采集指令帧，所述数据采集卡接收到该停止采集指令帧后停止数据采集。
优选地，所述数据采集卡接收到数据采集指令帧后进行CRC校验，如果有误则向所述计算机发送错误数据帧，如果无误，则所述数据采集卡以默认采样频率进行数据采集；
所述数据采集卡接收到该停止采集指令帧后进行CRC校验，如果有误则向所述计算机发送错误数据帧，如果无误，则所述数据采集卡停止数据采集。
本发明还提供了一种液体体积测量方法，包括：
使用注射器将待测液体通过单开孔空心球表面的圆孔注入单开孔空心球内部，在圆柱形的海绵中挖出一个与所述单开孔空心球大小相同的孔洞，将所述单开孔空心球嵌入所述孔洞中，然后将海绵放置在波导管内部中间位置；
在所述波导管的两端分别安装麦克风和平面波扬声器，所述平面波扬声器的输入端与功率放大器的输出端连接，所述功率放大器的输入端与波形发生器的输出端连接，所述波形发生器的输入端连接至计算机的USB接口，所述麦克风的输出端与数据采集卡的输入端连接，所述数据采集卡的输出端连接至所述计算机的另一USB接口；
所述计算机的信号发生模块产生最小的扫描频率点指令数据帧，并将该扫描频率点指令数据帧通过USB接口发送至所述波形发生器，所述波形发生器接收到该扫描频率点指令数据帧后提取扫描频率点指令数据帧中的扫描频率数据，以该扫描频率数据产生正弦波信号；并将该正弦波信号输入到所述功率放大器，所述功率放大器使用放大后的信号驱动所述平面波扬声器发声；
所述计算机的数据处理模块通过所述计算机的USB接口向所述数据采集卡发送数据采集指令帧，所述数据采集卡接收到该数据采集指令帧后以默认采样频率进行数据采集；所述数据采集卡将获取的数据通过USB接口传输到所述数据处理模块，所述数据处理模块将采集到的数据进行保存；所述数据处理模块依次调出扫描频率点对应的采集数据，并从中找出各频率点对应的最大值，然后在这些最大值中查找出最小值，该最小值所对应的扫描频率点即为谐振频率，将谐振频率带入公式算出液体体积；
所述数据处理模块的具体处理过程为：
其中，CA为所述单开孔空心球内部空气和液体的声容，V为所述单开孔空心球的内部体积，ρ为待测液体的密度，c为待测液体中的声速，Vy为待测液体的体积，ρ0为空气密度，c0为空气中的声速，考虑所述单开孔空心球表面的圆孔两端修正的情况，所述圆孔的有效长度为：
其中，Ro为所述单开孔空心球110的外径，a为所述圆孔的半径，Ri为所述单开孔空心球的内径，所述圆孔的声感为：
根据谐振电路规律，所述单开孔空心球的谐振频率为：
将式(6)和(8)带入式(9)，可得所述单开孔空心球中液体体积与谐振频率的关系：
在其他参数已知的情况下，通过测定谐振频率，通过式(10)即可获得所述单开孔空心球内的液体体积。
优选地，所述波形发生器接收到扫描频率点指令数据帧后进行CRC校验，如果有误则向所述计算机发送错误数据帧，如果无误，则所述波形发生器提取扫描频率点指令数据帧中的扫描频率数据，以该扫描频率数据产生正弦波信号；
所述信号发生模块按照设定步进频率更改扫描频率，直至完成设定的扫描频率范围，然后所述信号发生模块向所述波形发生器发送停止发声指令帧，所述波形发生器接收到停止发声指令帧后进行CRC校验，如果有误则向所述计算机发送错误数据帧，如果无误，则所述波形发生器停止产生正弦波信号。
优选地，所述数据采集卡接收到数据采集指令帧后进行CRC校验，如果有误则向所述计算机发送错误数据帧，如果无误，则所述数据采集卡以默认采样频率进行数据采集；
所述信号发生模块完成设定的扫描频率范围后，所述数据处理模块向所述数据采集卡发送停止采集指令帧，所述数据采集卡接收到该停止采集指令帧后进行CRC校验，如果有误则向所述计算机发送错误数据帧，如果无误，则所述数据采集卡停止数据采集。
本发明的有益效果在于：1、本发明的液体体积测量系统采用了模块化的设计，结构简单，设计新颖合理，实现方便；
2、可以有效提高液体体积测量的可靠性；
3、可以同时测量多个不同液体体积，降低了检测成本，减少了工作人员的劳动强度，提高了检测效率，且能获得更加准确的检测数据；
4、适合于各种液体体积测量，实用性强，推广应用价值高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要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发明的一些实施例，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。
图1为本发明实施例提供的一种液体体积测量系统的结构图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参照图1，本发明实施例提供了一种液体体积测量系统，包括波导管100，所述波导管100两端分别安装有平面波扬声器200和麦克风600，所述波导管100内部还安装有单开孔空心球110。在本实施例中，所述波导管100的测试频段为1500-6000Hz，所述单开孔空心球110表面具有一个圆孔，所述单开孔空心球110首先嵌入海绵中，然后海绵安装在所述波导管100中。所述波导管100安装所述麦克风600的端面上具有完全匹配层120，所述完全匹配层120由5层厚度为10mm的海绵重叠形成。
所述平面波扬声器200的输入端与功率放大器300的输出端连接，所述功率放大器300的输入端与波形发生器400的输出端连接，所述波形发生器400的输入端连接至计算机500的USB(通用串行总线)接口。所述麦克风600的输出端与数据采集卡700的输入端连接，所述数据采集卡700的输出端连接至所述计算机500的另一USB接口。
所述计算机500包括信号发生模块510、数据处理模块520和数据存储模块530。
所述信号发生模块510用于产生最小的扫描频率点指令数据帧，并将改扫描频率点指令数据帧通过USB接口发送至所述波形发生器400，该扫描频率点指令数据帧包括帧头(1BYTE)、扫描频率数据(2BYTE)和帧尾CRC(循环冗余校验码)校验(1BYTE)；所述波形发生器400接收到该扫描频率点指令数据帧后进行CRC校验，如果有误则向所述计算机500发送错误数据帧，该错误数据帧包括帧头(1BYTE)和错误代码(1BYTE)。如果无误，则所述波形发生器400提取扫描频率点指令数据帧中的扫描频率数据，以该扫描频率数据产生正弦波信号；并将该正弦波信号输入到所述功率放大器300，所述功率放大器300使用放大后的信号驱动所述平面波扬声器200发声；所述信号发生模块510按照设定步进频率更改扫描频率，直至完成设定的扫描频率范围；然后所述信号发生模块510向所述波形发生器400发送停止发声指令帧，该停止发声指令帧包括帧头(1BYTE)，停止指令(1BYTE)和帧尾CRC校验(1BYTE)；所述波形发生器400接收到该停止发声指令帧后进行CRC校验，如果有误则向所述计算机500发送错误数据帧，该错误数据帧包括帧头(1BYTE)和错误代码(1BYTE)。如果无误，则所述波形发生器400停止产生正弦波信号。
所述数据处理模块520用于通过所述计算机500的USB接口向所述数据采集卡700发送数据采集指令帧，该数据采集指令帧包括帧头(1BYTE)，启动指令(1BYTE)和帧尾CRC校验(1BYTE)；所述数据采集卡700接收到该数据采集指令帧后进行CRC校验，如果有误则向所述计算机500发送错误数据帧，该错误数据帧包括帧头(1BYTE)和错误代码(1BYTE)。如果无误，则所述数据采集卡700以默认采样频率进行数据采集；所述数据采集卡700将获取的数据以采集数据帧形式通过USB接口传输到所述数据处理模块520，该采集数据帧包括帧头(1BYTE)和AD数据(2BYTE)；所述数据处理模块520将采集到的数据进行保存；采样1秒；在所述信号发生模块510完成设定的扫描频率范围后，所述数据处理模块520向所述数据采集卡700发送停止采集指令帧，该停止采集指令帧包括帧头(1BYTE)，停止指令(1BYTE)和帧尾CRC校验(1BYTE)；所述数据采集卡700接收到该停止采集指令帧后进行CRC校验，如果有误则向所述计算机500发送错误数据帧，该错误数据帧包括帧头(1BYTE)和错误代码(1BYTE)。如果无误，则所述数据采集卡700停止数据采集。
所述数据处理模块520依次调出扫描频率点对应的采集数据，并从中找出各频率点对应的最大值，然后在这些最大值中查找出最小值，该最小值所对应的扫描频率点即为谐振频率，将谐振频率带入公式算出液体体积；
所述数据处理模块520的具体处理过程为：
其中，CA为所述单开孔空心球110内部空气和液体的声容，V为所述单开孔空心球110的内部体积，ρ为待测液体的密度，c为待测液体中的声速，Vy为待测液体的体积，ρ0为空气密度，c0为空气中的声速，考虑所述单开孔空心球110表面的圆孔两端修正的情况，所述圆孔的有效长度为：
其中，Ro为所述单开孔空心球110的外径，a为所述圆孔的半径，Ri为所述单开孔空心球110的内径，所述圆孔的声感为：
根据谐振电路规律，所述单开孔空心球110的谐振频率为：
将式(1)和(3)带入式(4)，可得所述单开孔空心球110中液体体积与谐振频率的关系：
在其他参数已知的情况下，通过测定谐振频率，通过式(5)即可获得所述单开孔空心球110内的液体体积。
所述数据存储模块530用于将测量的液体体积数据进行保存。
基于相同的发明构思，本发明还提供了一种液体体积测量方法，该方法的实施可参照上述系统的实施，重复之处不再赘述：
第一步骤，使用注射器将待测液体通过圆孔注入单开孔空心球内部，在圆柱形的海绵中使用刀挖出一个与单开孔空心球大小相同的孔洞，将单开孔空心球嵌入孔洞中，然后将海面放置在波导管内部中间位置；
第二步骤，在波导管的一端面粘贴五片厚度均为10mm的海绵组成完全匹配层，在完全匹配层上安装麦克风，波导管的另一端安装平面波扬声器，平面波扬声器的输入端与功率放大器的输出端连接，功率放大器的输入端与波形发生器的输出端连接，波形发生器的输入端连接至计算机的USB接口，麦克风的输出端与数据采集卡的输入端连接，数据采集卡的输出端连接至计算机的另一USB接口；
第三步骤，计算机的信号发生模块产生最小的扫描频率点指令数据帧，并通过USB接口将扫描频率点指令数据帧传输到波形发生器，波形发生器接收到该扫描频率点指令数据帧后提取扫描频率数据，以该扫描频率数据生成正弦波信号，功率放大器将该正弦波信号放大后驱动平面波扬声器发声；
第四步骤，数据处理模块通过计算机的USB接口向数据采集卡发送数据采集指令帧，数据采集卡接收到数据采集指令帧后以默认采样频率进行数据采集；数据采集卡将获取的数据以采集数据帧形式通过USB接口传输到数据处理模块，数据处理模块将采集到的数据进行保存；
第五步骤，信号发生模块按照步进更改扫描频率点，循环第三、四步骤，扫描完成设定的频率范围后，由数据处理模块向数据采集卡发送停止采集指令帧，数据采集卡接收到该停止采集指令帧后停止数据采集；同时信号发生模块向波形发生器发送停止发声指令帧，以控制平面波扬声器停止发声；
第六步骤，数据处理模块调出扫描频率点对应的采集数据，并从中找出各频率点对应的最大值，然后在这些最大值中查找出最小值，该最小值所对应的扫描频率点即为谐振频率，将谐振频率带入公式(5)算出液体体积；
第七步骤，数据存储模块将测量的液体体积数据进行保存。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。