【正文】 測(cè) 量件與參考件之間的壓力變化值 ΔP 。 圖 13 壓差法測(cè)量原理圖 壓差法與絕對(duì)壓力法類(lèi)似，都是通過(guò)測(cè)量壓力變化值間接地測(cè)量泄漏率值。 方案三 超聲波檢測(cè)法 超聲波檢測(cè) 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(lái)進(jìn)行管道探傷檢測(cè)，它通過(guò)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(guò)傳感器（探頭）接收回來(lái)，經(jīng)過(guò)信號(hào)放大，顯示出來(lái)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(shí)間也不同。檢測(cè)器的數(shù)據(jù)處理單元便可通過(guò)計(jì)算探頭接收到的兩組反射波的時(shí)間差乘以超聲波傳播的速度，得出管道的實(shí)際壁厚。這樣，既可按照時(shí)間差顯示出的波形，根據(jù)標(biāo)定，測(cè)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(cè)方法如絕對(duì)壓力法、壓差法、氣泡法等 ,操作復(fù)雜并且對(duì)技術(shù)人員要求較高 ,而且不具有 實(shí)時(shí)性。目前 ,工業(yè)上廣泛利用泄漏產(chǎn)生超聲波的原理來(lái)進(jìn)行泄漏檢測(cè)。利用超聲波檢測(cè)氣體泄漏位置 ,不僅方法簡(jiǎn)單 ,而且準(zhǔn)確可靠?；诖?,本文研究并設(shè)計(jì)了一種超聲波氣體泄漏檢測(cè)系統(tǒng)。 2 氣體泄漏檢測(cè)的設(shè)計(jì)原理 氣體泄漏產(chǎn)生超聲波 如果一個(gè)容器內(nèi)充滿氣體 ,當(dāng)其內(nèi)部壓強(qiáng)大于外部壓強(qiáng)時(shí) ,由于內(nèi)外壓差較大 ,一旦容器有漏孔 ,氣體就會(huì)從漏孔沖出。當(dāng)漏孔尺寸較小且雷諾數(shù)較高時(shí) ,沖出氣體就會(huì)形成湍流 ,湍流在漏孔附近會(huì)產(chǎn)生一定頻率的聲波 ,如圖 21所示。聲波振動(dòng)的頻率與漏孔尺寸有關(guān) ,漏孔較大時(shí)人耳可聽(tīng)到漏氣聲 ,漏孔很小且聲波頻率大于 20kHz 時(shí) ,人耳就聽(tīng)不到了 ,但它們能在空氣中傳播 ,被稱(chēng)作空載超聲波。超聲波是高頻短波信號(hào) ,其強(qiáng)度隨著離開(kāi)聲源 (漏孔 )距離的增加而迅速衰減。因此 ,超聲波被認(rèn)為是一種方向性很強(qiáng)的信號(hào) ,用此信號(hào)判斷泄漏位置相當(dāng)簡(jiǎn)單。 圖 21 氣體泄漏產(chǎn)生超聲波 聲壓與泄漏量的關(guān)系 泄漏超聲本質(zhì)上是湍流和沖擊噪聲。泄漏駐點(diǎn)壓力 P與泄漏孔口直徑 D決定了湍流聲的 聲壓級(jí) L。著名學(xué)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(jí) (單位 :dB)。D 為噴口直徑 (單位 :mm)。D0＝ 1mm。P0 為環(huán)境大氣絕對(duì)壓力 。P為泄漏孔駐壓。 由此可知 , 在與泄漏孔的距離一定時(shí) ,泄漏超聲的聲壓級(jí)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(diǎn) ,超聲波的能量是不同的。實(shí)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(diǎn) ,那么加大孔徑以后它的頻譜峰值可能出現(xiàn)在 36kHz 點(diǎn) 。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(diǎn)。但是在同一頻 率點(diǎn) ,對(duì)于形狀相同的泄漏孔 ,泄漏所產(chǎn)生的超聲波的聲強(qiáng)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(dāng)泄漏孔的雷諾數(shù)用式 (2)表示時(shí) ,在 40kHz 點(diǎn)聲壓與雷諾數(shù)之間的關(guān)系如圖 22所示。 圖 22 聲壓級(jí)與雷諾數(shù)的關(guān)系 e pVDR ?? （ ） 式中 ,ρ 為氣體密度 。μ 為粘度 。V 為流速 。D為力學(xué)平均直徑。 由圖 22 可知 ,如果能檢測(cè)出 泄漏 孔附近在某一個(gè)頻率點(diǎn)的聲強(qiáng) ,則可以推算出該泄漏孔的雷諾數(shù)。對(duì)于該泄漏孔 ,由于它的力學(xué)平均直徑是確定的 ,所以這時(shí)雷諾數(shù)與氣體泄漏量成正比關(guān)系。但是對(duì)于不同的泄漏孔 ,并不知道它的力學(xué)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(duì)于管道氣體 ,由于有源源不斷的氣體補(bǔ)給 ,管道里面的氣壓一般都是恒定值。而對(duì)于工業(yè)容器 ,由于小孔泄漏的泄漏量非常微弱 ,容器當(dāng)中的壓 力變化非常緩慢 ,所以可以認(rèn)為在一段時(shí)期內(nèi)是恒定值。 當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)外壓力一定時(shí) ， 對(duì)于不同的泄漏孔 ， 它的泄漏流速都是一定的 ， 可以用公式 （ ） 來(lái)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(duì)壓力 。T1 為絕對(duì)溫度 。σ ＝ P0/P。R 為氣體常數(shù) 。K= ,對(duì)于空氣 ,k=,則 K=。 當(dāng)雷諾數(shù)、氣體流速知道以后 ,就可以反求出該泄漏孔力學(xué)平均直徑 D,即可得出泄漏量。通過(guò)以上分析得出 :只要能檢測(cè)出距離泄漏點(diǎn)一定距離的超聲波在某一個(gè)頻率點(diǎn)的強(qiáng)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(cè)電路設(shè)計(jì)原理與各單元電路的概述 電路系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)過(guò)程 小孔氣體泄漏所發(fā)出的超聲波強(qiáng)度是極其微弱的 ,而且在工業(yè)場(chǎng)合 ,環(huán)境噪聲是 相當(dāng)大的。所以要檢測(cè)出在惡劣環(huán)境 下的氣體泄漏所發(fā)出的超聲 ,必須對(duì)系統(tǒng)信號(hào)放大部分進(jìn)行精心的設(shè)計(jì)。在本系統(tǒng)中只檢測(cè) 40kHz 點(diǎn)的 泄漏超聲波 的強(qiáng)度 ,原因是通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出 ,在 40kHz 點(diǎn)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(hào)放大電路和音頻處理電路等。信號(hào)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(dòng)電路組成。數(shù)字部分主要由 單 片機(jī) 和 LCD、 RAM、鍵盤(pán)等外圍設(shè)備組成。傳感器信號(hào)經(jīng)過(guò)放大濾波以后 ,一路交由 單片機(jī) 處理 ,另一路通過(guò)降頻轉(zhuǎn)化為可聽(tīng)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(pán) 單片機(jī) 穩(wěn)壓電源 放 大電 路混頻器 本 振 電 路 功 率 驅(qū) 動(dòng) 耳 機(jī) 各單元電路的介紹 超聲探頭的原理 超聲探頭也稱(chēng)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(dòng)頻率高于聲波的機(jī)械波，由換能晶片在電壓的激勵(lì)下發(fā)生振動(dòng)產(chǎn)生的，它具有頻率高、波長(zhǎng)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(diǎn)。 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(cè)作用。它有許多不同的結(jié)構(gòu)，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(gè)探頭反射、一個(gè)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(gòu)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(gè)探頭的性能是不同的，我們使用前必須預(yù)先了解它的性能。超聲波傳感器的主要性能指標(biāo)包括： （ 1）工作頻率。工作頻率就是壓電晶片的共振頻率。當(dāng)加到它兩端的交流電壓的頻率和晶片的共 振頻率相等時(shí)，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(diǎn)一般比較高，特別時(shí)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(zhǎng)時(shí)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(dú)的制冷設(shè)備。 （ 3）靈敏度。主要取決于制造晶片本身。機(jī)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(hào)十分微弱，一般都是毫伏級(jí)，有的甚至是微伏級(jí)，所以必須經(jīng)過(guò)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(yùn)算放大器 NE5532/A。 運(yùn)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(diǎn)，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(zhuǎn)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(yùn)算放大器構(gòu)成同相放大器，其閉環(huán)增益為 411 ??? RRA F ， (利用這一點(diǎn)可以判斷運(yùn)算放大器工作是否正常 )。采用復(fù)頻域分析， 圖 3 5 二階有源 RC 帶通濾波器 可以得到電壓轉(zhuǎn)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(zhuǎn)移函數(shù)的典型表達(dá)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(shí)的電壓轉(zhuǎn)移函數(shù)可寫(xiě)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(jiàn) ： 當(dāng) 0?? 時(shí)， 0)0( ?jH 當(dāng) ??? 時(shí)， 0)( ??jH 當(dāng)01 ??? ??? RCP時(shí)， 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(wú)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(shí)，由于其正向伏安特性不是線性的，因此在小信號(hào)下，檢波失真相當(dāng)嚴(yán)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(yùn)算放大器構(gòu)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(dāng) Usr 為負(fù)時(shí)，經(jīng)放大器反相， Usc0， D2截止， D1 導(dǎo)通。D1的導(dǎo)通為放大器提供了深度負(fù)反饋，因此，放大器的反相輸入端 2 為虛地點(diǎn)，檢波器從虛地點(diǎn)經(jīng)過(guò) R2 輸出信號(hào)。所以 Usc=0。 當(dāng) Usr 為正時(shí)， Usc0，所以 D1 截止，只要 Usc 達(dá)到 ， D2 就導(dǎo)通，這時(shí)，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(dāng)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(yùn)放的開(kāi)環(huán)增益 Go1 很高，因此當(dāng)輸入信號(hào)為正時(shí)，只要 Usr≥ UD/Go1,就會(huì)使 D2 導(dǎo)通，而且 D2 一旦導(dǎo)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(hào)開(kāi)始，輸入和輸出之間就是具有良好的線性關(guān)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(shè) D2 導(dǎo)通時(shí)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(dāng)R2R1 時(shí)，檢波器還兼有電壓放大作用，可將信號(hào)放大