【正文】 量件與參考件之間的壓力變化值 ΔP 。 圖 13 壓差法測量原理圖 壓差法與絕對壓力法類似，都是通過測量壓力變化值間接地測量泄漏率值。 方案三 超聲波檢測法 超聲波檢測 原理 是 利用超聲波勻速傳播且可以在金屬表面發(fā)生部分反射的特性， 來進行管道探傷檢測，它通過電子裝置，發(fā)送出超聲波的高頻（大于 20KHz）脈沖，射到管壁上。反射回的超聲波，再通過傳感器（探頭）接收回來，經(jīng)過信號放大，顯示出來波形。由于不同部位處反射到探頭上的距離不同，因而超聲波返回的時間也不同。檢測器的數(shù)據(jù)處理單元便可通過計算探頭接收到的兩組反射波的時間差乘以超聲波傳播的速度，得出管道的實際壁厚。這樣，既可按照時間差顯示出的波形，根據(jù)標定，測量出管壁厚度或缺陷以及腐蝕尺寸等。 由于 傳統(tǒng)的泄漏檢測方法如絕對壓力法、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(yè)上廣泛利用泄漏產(chǎn)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超聲波氣體泄漏檢測系統(tǒng)。 2 氣體泄漏檢測的設計原理 氣體泄漏產(chǎn)生超聲波 如果一個容器內(nèi)充滿氣體 ,當其內(nèi)部壓強大于外部壓強時 ,由于內(nèi)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(shù)較高時 ,沖出氣體就會形成湍流 ,湍流在漏孔附近會產(chǎn)生一定頻率的聲波 ,如圖 21所示。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。 圖 21 氣體泄漏產(chǎn)生超聲波 聲壓與泄漏量的關系 泄漏超聲本質(zhì)上是湍流和沖擊噪聲。泄漏駐點壓力 P與泄漏孔口直徑 D決定了湍流聲的 聲壓級 L。著名學者馬大猷教授推出如下公式 [1]: 40220 0 0()8 0 2 0 l o g 1 0 l o g ( 0 . 5 )D P PL D P P P?? ? ? ? 0 20dB Pa?? （ ） 式中 ,L 為垂直方向距離噴口 1m 處的聲壓級 (單位 :dB)。D 為噴口直徑 (單位 :mm)。D0＝ 1mm。P0 為環(huán)境大氣絕對壓力 。P為泄漏孔駐壓。 由此可知 , 在與泄漏孔的距離一定時 ,泄漏超聲的聲壓級是隨泄漏孔尺寸和系統(tǒng)壓力的變化而變化的。 泄漏產(chǎn)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(xiàn)在 36kHz 點 。如果孔徑不變 ,加大系統(tǒng)內(nèi)外壓差 ,頻譜峰值可能出 現(xiàn)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(chǎn)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。當泄漏孔的雷諾數(shù)用式 (2)表示時 ,在 40kHz 點聲壓與雷諾數(shù)之間的關系如圖 22所示。 圖 22 聲壓級與雷諾數(shù)的關系 e pVDR ?? （ ） 式中 ,ρ 為氣體密度 。μ 為粘度 。V 為流速 。D為力學平均直徑。 由圖 22 可知 ,如果能檢測出 泄漏 孔附近在某一個頻率點的聲強 ,則可以推算出該泄漏孔的雷諾數(shù)。對于該泄漏孔 ,由于它的力學平均直徑是確定的 ,所以這時雷諾數(shù)與氣體泄漏量成正比關系。但是對于不同的泄漏孔 ,并不知道它的力學平均直徑 ,因此光知道雷諾數(shù)還不能求出泄漏量。在工業(yè)上 ,對于管道氣體 ,由于有源源不斷的氣體補給 ,管道里面的氣壓一般都是恒定值。而對于工業(yè)容器 ,由于小孔泄漏的泄漏量非常微弱 ,容器當中的壓 力變化非常緩慢 ,所以可以認為在一段時期內(nèi)是恒定值。 當系統(tǒng)內(nèi)外壓力一定時 ， 對于不同的泄漏孔 ， 它的泄漏流速都是一定的 ， 可以用公式 （ ） 來表示 : 112 / ( 1 ) /( ) / 8 1()0 K k kV K p R T??????????? ??? ?? ????? （ ） 式中 ,V 為氣體流速 。p 為管內(nèi)壓力 。P0 為環(huán)境大氣絕對壓力 。T1 為絕對溫度 。σ ＝ P0/P。R 為氣體常數(shù) 。K= ,對于空氣 ,k=,則 K=。 當雷諾數(shù)、氣體流速知道以后 ,就可以反求出該泄漏孔力學平均直徑 D,即可得出泄漏量。通過以上分析得出 :只要能檢測出距離泄漏點一定距離的超聲波在某一個頻率點的強度 ,再給出泄漏系統(tǒng)內(nèi)外 壓力 ,就可以估算出氣體泄漏量 。 3 超聲檢測電路設計原理與各單元電路的概述 電路系統(tǒng)的硬件實現(xiàn)過程 小孔氣體泄漏所發(fā)出的超聲波強度是極其微弱的 ,而且在工業(yè)場合 ,環(huán)境噪聲是 相當大的。所以要檢測出在惡劣環(huán)境 下的氣體泄漏所發(fā)出的超聲 ,必須對系統(tǒng)信號放大部分進行精心的設計。在本系統(tǒng)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 能量差值也最大 (如圖 31所示 )。這樣選擇可以增加 系統(tǒng)靈敏度。 圖 31 本底噪聲與泄漏聲聲壓圖 系統(tǒng)原理如圖 32 所示。系統(tǒng)分為模擬和數(shù)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(qū)動電路組成。數(shù)字部分主要由 單 片機 和 LCD、 RAM、鍵盤等外圍設備組成。傳感器信號經(jīng)過放大濾波以后 ,一路交由 單片機 處理 ,另一路通過降頻轉化為可聽聲。下面分別介紹 各部分原理 圖 32 系統(tǒng)原理圖 放 大 電 路 超聲 探頭 前 置 放 大 帶 通 濾 波 精 密 檢 波 A / D 電 路 LCD 鍵盤 單片機 穩(wěn)壓電源 放 大電 路混頻器 本 振 電 路 功 率 驅(qū) 動 耳 機 各單元電路的介紹 超聲探頭的原理 超聲探頭也稱為 超聲波傳感器 ， 超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器。超聲波是一種振動頻率高于聲波的機械波，由換能晶片在電壓的激勵下發(fā)生振動產(chǎn)生的，它具有頻率高、波長短、繞射現(xiàn)象小，特別是方向性好、能夠成為射線而定向傳播等特點。 超聲波探頭主要由壓電晶片組成，既 可以發(fā)射超聲波，也可以接收超聲波。小功率超聲探頭多作探測作用。它有許多不同的結構，可分直探頭（縱波）、斜探頭（橫波）、表面波探頭（表面波）、蘭姆波探頭（蘭姆波）、雙探頭（一個探頭反射、一個探頭接收）等。 超聲探頭的核心是其塑料外套或者金屬外套中的一塊壓電晶片。構成晶片的材料可以有許多種。晶片的大小，如直徑和厚度也各不相同，因此每個探頭的性能是不同的，我們使用前必須預先了解它的性能。超聲波傳感器的主要性能指標包括： （ 1）工作頻率。工作頻率就是壓電晶片的共振頻率。當加到它兩端的交流電壓的頻率和晶片的共 振頻率相等時，輸出的能量最大，靈敏度也最高。 （ 2）工作溫度。由于壓電材料的居里點一般比較高，特別時診斷用超聲波探頭使用功率較小，所以工作溫度比較低，可以長時間地工作而不失效。醫(yī)療用的超聲探頭的溫度比較高，需要單獨的制冷設備。 （ 3）靈敏度。主要取決于制造晶片本身。機電耦合系數(shù)大，靈敏度高；反之，靈敏度低 。 前置放大電路 由于超聲波信號十分微弱，一般都是毫伏級，有的甚至是微伏級，所以必須經(jīng)過前置放大器的放大，才能在示波器顯示或記錄其波形。在這里我選擇了 雙電路、低噪聲運算放大器 NE5532/A。 運算放大器 NE5532/A 具有雙電路、低漂移、低功耗、低噪聲及體積小等特點，其 特性 是 ：輸入失調(diào)電壓 500μV；溫度漂移 5μV/℃ ；偏置電流 200nA；增益帶寬積 GB=10MHz；轉換速率 9V/μS；噪聲 5nV/√HZ（ 1KHz）；消耗電流 8mA；177。3 ～ 177。22V電源；差模電壓 177。；共模電壓 177。Vs；功耗 1000mW； 封裝形式：如圖 33所示 ； 圖 33 NE5532/A 封裝 圖 前置放大電路 ：如圖 34所示 圖 34 前置放大電路 帶通濾波器 二階有源 RC 帶通濾波器 （ 1）二階有源 RC 帶通濾波器的幅頻特性 圖 35所示電路為二階有源 RC 帶通濾波器，運算放大器構成同相放大器，其閉環(huán)增益為 411 ??? RRA F ， (利用這一點可以判斷運算放大器工作是否正常 )。采用復頻域分析， 圖 3 5 二階有源 RC 帶通濾波器 可以得到電壓轉移函數(shù)為： 22 )1()1()1(2)(RCSRCSSRCSH??? （ ） 根據(jù)二階基本節(jié)帶通濾波器電壓轉移函數(shù)的典型表達式： H SK Q SS Q SPPPPP( ) ???????? ??? ??? ??? ?2 2 （ ） 可得增益常數(shù) 2?K ， 中心頻率 ? ?0 1? ?P RC， 品質(zhì)因數(shù) 1?? P 。 正弦穩(wěn)態(tài)時的電壓轉移函數(shù)可寫成 222 )(1)1()1()()1(2)(????????PPPjQKRCjRCjjRCjH?????? （ ） 其幅頻函數(shù)為 ： 222 )(1)1(12)(???????PPPQKRCRCjH?????? （ ） 由上式可見 ： 當 0?? 時， 0)0( ?jH 當 ??? 時， 0)( ??jH 當01 ??? ??? RCP時， 2)( 0 ?? KjH ? 其幅頻特性如圖 36所示。 圖 36 二階有源 RC 帶通濾波器 幅頻特性 與無源情況相比，由于品質(zhì)因數(shù)提高，通頻帶寬度00 ?? ?? QB減小，濾波器的選擇性改善；此外，還能提供增益 (K=2)。 精密檢波電路 用普通檢波二極管作檢波器時，由于其正向伏安特性不是線性的，因此在小信號下，檢波失真相當嚴重。另外，二極管的正向壓降隨溫度而變，所以檢波器的特性也受溫度影響。用運算放大器構成的精密檢波器，能克服普通二極管的缺陷，得到與理想二極管接近的檢波性能。而且檢波器的等效內(nèi)阻及溫度敏感性也比普通檢波器好得多。 如 圖 37 所示：當 Usr 為負時，經(jīng)放大器反相， Usc0， D2截止， D1 導通。D1的導通為放大器提供了深度負反饋，因此，放大器的反相輸入端 2 為虛地點，檢波器從虛地點經(jīng)過 R2 輸出信號。所以 Usc=0。 當 Usr 為正時， Usc0，所以 D1 截止，只要 Usc 達到 ， D2 就導通，這時，可把 D2的正向壓降 UD 看成是放大器的輸出失調(diào)電 壓， 因此電路相當于反相輸入的比例放大器，其傳輸 特性為 Usc=(R2/R1)Usr=Usr。 綜上所述，上圖的傳輸特性為 Use=0(Usr0)。Usc=Usr(Usr0) 。 由于運放的開環(huán)增益 Go1 很高，因此當輸入信號為正時，只要 Usr≥ UD/Go1,就會使 D2 導通，而且 D2 一旦導通，放大器就處于深度的閉環(huán)狀態(tài)，非線性失真非常小，從小信號開始，輸入和輸出之間就是具有良好的線性關系。它的死區(qū)電壓非常小，等于二極管的正向壓降 UD 的 1/Go1 倍。設 D2 導通時檢波器的反饋系數(shù)為 F，則這種精密檢波器的內(nèi)阻和溫度系數(shù)為普通檢波器的 1/(Go1 F)倍，當R2R1 時，檢波器還兼有電壓放大作用，可將信號放大 R2