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基于51单片机的微小气泡检测研究

基于51单片机的微小气泡检测研究

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作者：彭士健桂林电子科技大学

学位级别：硕士

近年来,随着社会经济的高速发展,我国对海洋安全和海洋资源开发越来越重视,海洋工程技术也得到了发展。海底管道作为海洋工程技术中必不可少的一环,一直肩负着重要的能源运输任务。但由于海底管道长期处于海水环境,极易受到腐蚀并出现... 详细信息

近年来,随着社会经济的高速发展,我国对海洋安全和海洋资源开发越来越重视,海洋工程技术也得到了发展。海底管道作为海洋工程技术中必不可少的一环,一直肩负着重要的能源运输任务。但由于海底管道长期处于海水环境,极易受到腐蚀并出现泄漏。近年来,国内外管道泄漏事故时有发生。为防止出现更大的危害,需要在海底管道出现泄漏时及时发现,并确认位置。海底管道等水下管道的泄漏初期,会在管道周围形成由微小气泡组成的气泡流,而目前的检测技术不仅成本高,检测范围有限,而且灵敏度过低,难以发现初期泄漏。为此,本文设计了由PSO-SVM模型和气泡流检测电路组成的微气泡流检测系统。该系统可以更加智能、快速和准确地检测管道周围的微气泡,为水下管道泄漏风险发出及时预警,最大程度地避免经济损失。本文首先对水下超声波的传播理论进行了简单介绍,明确了微气泡流对超声传输的影响,并讨论了不同检测方法的可行性。设计并搭建了模拟水下管道形成气泡流的实验系统,在可控的实验条件下研究气泡流对超声信号的影响。其次,提出了微气泡流检测的预处理算法,包括利用小波阈值去噪法进行信号降噪处理,通过Hilbert变换提取波形信号的特征,和统一信号数量级的数据自归一化。然后,采用三种机器学习模型,对气泡流到发射探头的距离进行预测。根据评价指标等因素,选出了合适的支持向量机模型进行粒子群算法优化,得到PSO-SVM模型。再次,为了检测气泡流的形成,以51单片机STC12C5A60S2为核心进行了气泡流检测电路的设计。电路的硬件方面,主要包括单片机最小系统、信号处理电路和驱动电路,同时满足了数据传输,信号滤波和声光警报等需求。电路的软件方面主要包括单片机控制程序和上位机程序的编写,可以控制单片机的运转并使上位机进行数据接收和运行PSO-SVM模型。最后,为了验证系统功能的有效性,对PSO-SVM模型和气泡流检测电路组成的微气泡流检测系统进行实验测试。通过Proteus软件的仿真、硬件测试、通讯测试、预测误差测试和系统整体测试,确认了微气泡流检测系统各项功能可以正常运行,能够对管道的气密性和泄漏位置进行检测。本研究工作针对海洋工程应用背景,提出了微气泡流超声检测方法,并利用基于机器学习算法建立的PSO-SVM模型和51单片机在实验室可控条件下进行了验证。实验表明,该方法可以快速、有效、准确地预测气泡流位置,为水下管道泄漏提供预警,具有广阔的应用前景。

关键词：气泡流检测超声波回归预测单片机

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