超聲新型氣體泄漏檢測系統的研究與設計

傳統的泄漏檢測方法如壓差法、氣泡法等，操作復雜并且對技術人員要求較高，而且不具有實時性。目前，工業上廣泛利用泄漏產生超聲波的原理來進行泄漏檢測。利用超聲波檢測氣體泄漏位置，不僅方法簡單，而且準確可靠?；诖?，本文研究并設計了一種新型的超聲波氣體泄漏檢測系統。

1 檢測原理
1.1氣體泄漏產生超聲波
　　如果一個容器內充滿氣體，當其內部壓強大于外部壓強時，由于內外壓差較大，一旦容器有漏孔，氣體就會從漏孔沖出。當漏孔尺寸較小且雷諾數較高時，沖出氣體就會形成湍流，湍流在漏孔附近會產生一定頻率的聲波，聲波振動的頻率與漏孔尺寸有關，漏孔較大時人耳可聽到漏氣聲，漏孔很小且聲波頻率大于 20kHz時，人耳就聽不到了，但它們能在空氣中傳播，被稱作空載超聲波。超聲波是高頻短波信號，其強度隨著離開聲源(漏孔)距離的增加而迅速衰減。因此，超聲波被認為是一種方向性很強的信號，用此信號判斷泄漏位置相當簡單。
　　泄漏產生的超聲波頻帶比較寬，一般在20kHz到100kHz之間。在不同的頻率點，超聲波的能量是不同的。實際上，它的頻譜峰值也是隨泄漏孔的尺寸和壓力的變化而變化的。比如：在一定的泄漏孔徑和壓力下，如果泄漏超聲波的頻譜峰值是在38kHz點，那么加大孔徑以后它的頻譜峰值可能出現在36kHz點;如果孔徑不變，加大系統內外壓差，頻譜峰值可能出現在43kHz點。但是在同一頻率點，對于形狀相同的泄漏孔，泄漏所產生的超聲波的聲強隨泄漏量的增大而增大。另外，如果泄漏量恒定，即泄漏面積一定，則泄漏孔的形狀越接近于圓形，聲壓越高。

2 系統硬件實現
　　小孔氣體泄漏所發出的超聲波強度是微弱的，而且在工業場合，環境噪聲是相當大的。所以要檢測出在惡劣環境下的氣體泄漏所發出的超聲，須對系統信號放大部分進行精心的設計。在本系統中只檢測40kHz點的泄漏超聲波的強度，原因是通過實驗得出，在40kHz點的泄漏超聲波能量都是比較大的，而且泄漏聲和本底噪聲能量差值也大。這樣選擇可以增加系統靈敏度。
　　系統原理，系統分為模擬和數字兩部分，模擬部分包括信號放大電路和音頻處理電路等。信號放大電路由前置放大電路、帶通濾波電路和二次放大電路組成。音頻處理電路由本振電路、混頻器、功率驅動電路組成。數字部分主要由DSP和LCD、RAM、鍵盤等外圍設備組成。傳感器信號經過放大濾波以后，一路交由DSP處理，另一路通過降頻轉化為可聽聲。
　　前置放大電路選用AD公司的專用高精度儀器三運放AD620。AD620是由三個精密運放集成的差分專用儀器運放，它具有低偏移、高增益(信號可直接放大到1000倍)、高共模擬制比的特點，特別適用于放大傳感器信號。由于傳感器接收到的大量的低頻噪聲(如50Hz的工頻噪聲)強度遠大于它所接收到的超聲信號，所以在傳感器與AD620之間須接一個無源高通濾波器。這樣雖然增加了傳感器的功耗，但是在后面可以通過增大放大倍數來彌補。第二級是一個有源帶通濾波電路。在這一級可以濾掉前面濾波器沒有濾掉的大部分背景噪聲和由器件或電路產生的噪聲。這里選擇的通帶為38kHz～42kHz。第二級和第三級運放都采用AD公司的OP777，它是一個超精密的低噪聲運放，具有極低的電壓和電流偏移以及很高的增益穩定性。第三級是一個一般的同相放大電路。經過第三級放大以后，信號范圍為-3.3V～+3.3V，再經過兩個20kΩ的電阻，并接上+3.3V的偏置電壓，就可以使輸入到DSP的AD采樣信號變為0～3.3V。
　　雖然選用的器件是低噪聲的，但是對于檢測微弱的泄漏超聲信號來說，還是不能忽略器件本身的噪聲。在信號進入DSP以后再一次對其進行數字濾波，濾掉由前面器件和電路產生的直流電壓偏置和噪聲。這樣可以獲得足夠高精度的泄漏超聲波信號。