【正文】 第一篇：超聲波氣體檢測(cè)新型氣體泄漏超聲檢測(cè)系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)摘 要：介紹了一種新型的氣體泄漏超聲檢測(cè)系統(tǒng),在分析小孔氣體泄漏產(chǎn)生超聲波的原理的基礎(chǔ)上,闡述了該檢測(cè)系統(tǒng)的原理及設(shè)計(jì)方案。該系統(tǒng)能對(duì)各種壓力容器的孔隙泄漏所產(chǎn)生的微弱超聲信號(hào)進(jìn)行精確檢測(cè)。該系統(tǒng)利用DSP技術(shù)對(duì)泄漏所產(chǎn)生的超聲波信號(hào)進(jìn)行分析處理和聲壓級(jí)計(jì)算,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)泄漏的檢測(cè)及泄漏量的估算。關(guān)鍵詞：DSP 聲壓級(jí) 本底噪聲 泄漏超聲波目前,工業(yè)上和生活中均大量用到用于儲(chǔ)存和輸送壓縮氣體的壓力容器,如氣缸、氣罐、煤氣管道等。由于各種原因,容器會(huì)產(chǎn)生漏孔從而發(fā)生氣體泄漏。據(jù)估計(jì),工業(yè)上由于泄漏而損失掉的壓縮氣體平均占到40%左右。泄漏不但會(huì)造成能源的浪費(fèi),而且如果是有害氣體的話,還會(huì)對(duì)空氣造成污染。因此,準(zhǔn)確地判斷和定位產(chǎn)生泄漏的位置,對(duì)于提高企業(yè)的生產(chǎn)效率和節(jié)約能源具有重大的意義。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。基于此,本文研究并設(shè)計(jì)了一種新型的超聲波氣體泄漏檢測(cè)系統(tǒng)。檢測(cè)原理如果一個(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1所示。聲波振動(dòng)的頻率與漏孔尺寸有關(guān),漏孔較大時(shí)人耳可聽到漏氣聲,漏孔很小且聲波頻率大于20kHz時(shí),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(hào),其強(qiáng)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(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1 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]: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2所示。圖2 聲壓級(jí)與雷諾數(shù)的關(guān)系式中,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2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(3)[2]來表示: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。系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)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3所示)。這樣選擇可以增加系統(tǒng)靈敏度。系統(tǒng)原理如圖4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DSP和LCD、RAM、鍵盤等外圍設(shè)備組成。傳感器信號(hào)經(jīng)過放大濾波以后,一路交由DSP處理,另一路通過降頻轉(zhuǎn)化為可聽聲。下面分別介紹各部分原理。圖3 本底噪聲與泄漏聲聲壓圖圖4 系統(tǒng)原理圖 信號(hào)放大電路圖5所示為模擬電路的信號(hào)放大部分。前置放大電路選用AD公司的專用高精度儀器三運(yùn)放AD620。AD620是由三個(gè)精密運(yùn)放集成的差分專用儀器運(yùn)放,它具有低偏移、高增益(信號(hào)可直接放大到1000倍)、高共模擬制比的特點(diǎn),特別適用于放大傳感器信號(hào)。由于傳感器接收到的大量的低頻噪聲(如50Hz的工頻噪聲)強(qiáng)度遠(yuǎn)大于它所接收到的超聲信號(hào),所以在傳感器與AD620之間必須接一個(gè)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(shù)來彌補(bǔ)。第二級(jí)是一個(gè)有源帶通濾波電路。在這一級(jí)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(chǎn)生的噪聲。這里選擇的通帶為38kHz～42kHz。第二級(jí)和第三級(jí)運(yùn)放都采用AD公司的OP777,它是一個(gè)超精密的低噪聲運(yùn)放,具有極低的電壓和電流偏移以及很高的增益穩(wěn)定性。第三級(jí)是一個(gè)一般的同相放大電路。經(jīng)過第三級(jí)放大以后,～+,再經(jīng)過如圖所示的兩個(gè)20kΩ的電阻,并接上+,就可以使輸入到DSP的AD采樣信號(hào)變?yōu)?～。雖然選用的器件是低噪聲的,但是對(duì)于檢測(cè)極其微弱的泄漏超聲信號(hào)來說,還是不能忽略器件本身的噪聲。在信號(hào)進(jìn)入DSP以后再一次對(duì)其進(jìn)行數(shù)字濾波,濾掉由前面器件和電路產(chǎn)生的直流電壓偏置和噪聲。這樣可以得到足夠高精度的泄漏超聲波信號(hào)。圖5 信號(hào)放大電路圖6 音頻處理電路原理圖 音頻處理電路設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)音頻處理電路的目的是能夠比較方便地判斷哪里有泄漏的產(chǎn)生。人耳的聽覺范圍大約在1kHz到20kHz之間。因此檢測(cè)到的超聲信號(hào)必須通過降頻才能為人耳所聽到。降頻的原理是利用差分信號(hào)的乘法特性:然后在Uo后接上低通濾波器,則可得差頻信號(hào)。如選用本振電路的頻率為37kHz,那么得到的差頻信號(hào)為3kHz,可為人耳聽到。音頻處理電路的原理圖如圖6所示。 DSPDSP的主要功能是負(fù)責(zé)A/D轉(zhuǎn)換、對(duì)A/D轉(zhuǎn)換后的信號(hào)進(jìn)行分析處理、對(duì)LCD及電源進(jìn)行管理。這里采用TMS320LF2407A。DSP芯片是一種具有特殊結(jié)構(gòu)的微處理器。芯片內(nèi)部采用程序和數(shù)據(jù)分開的哈佛結(jié)構(gòu),具有專門的硬件乘法器,廣泛采用流水線操作,并提供特殊的DSP指令,可以快速地實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號(hào)處理算法。TMS320LF240X是德州儀器(TI)公司推出的基于C2LP16位的定點(diǎn)低功耗的數(shù)字信號(hào)處理器系列,2407A型處理器是此系列中的最新產(chǎn)品。40M指令/秒(40MIPS)的處理速度可以提供遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過傳統(tǒng)的16位微控制器和微處理器的性能。它的內(nèi)置10位模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路可以使電路得以簡(jiǎn)化。 LCD顯示部分設(shè)計(jì)LCD的作用是顯示泄漏孔的聲強(qiáng)和估算的泄漏值以及由鍵盤輸入的數(shù)據(jù)。這里選用內(nèi)藏三星公司的KS0713顯示控制芯片的LCD顯示模塊。它有12864的點(diǎn)陣。KS0713芯片速度相當(dāng)快,內(nèi)部晶振頻率可達(dá)2MHz,很適合使用高速CPU芯片的場(chǎng)合。這里采用DSP的數(shù)字I/O口來控制LCD模塊,如圖7所示。圖7 TMSLF2407A與KS0713的接口圖8 鍵盤接口電路圖9 主程序流程圖 鍵盤電路設(shè)計(jì)鍵盤的作用是輸入泄漏系統(tǒng)的內(nèi)外壓力值和選擇不同的氣體常數(shù)。在估算氣體泄漏量時(shí),需要知道氣體的流速,由公式(3)可知,泄漏氣體的流速可以通過氣體內(nèi)外的壓力和氣體常數(shù)等換算出來,這些數(shù)值是通過鍵盤輸入進(jìn)去的。這里采用一維鍵盤,用DSP的四個(gè)數(shù)字I/O口來接收鍵盤輸入,采用軟件的方法消除鍵盤的抖動(dòng)。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了四個(gè)按鍵:“功能” 鍵、“+”鍵、“”鍵和“確定”鍵。功能鍵用于循環(huán)選擇容器內(nèi)氣壓、容器外氣壓和氣體常數(shù)的設(shè)置等。每按一次功能鍵,在上述三個(gè)功能間切換一次。鍵盤接口電路如圖8所示。系統(tǒng)軟件部分設(shè)計(jì)因?yàn)橄到y(tǒng)要完成測(cè)量泄漏超聲的聲壓級(jí)、估算泄漏量以及完成顯示功能,所以軟件主要由信號(hào)采集子程序、濾波子程序、FFT變換程序、泄漏估算子程序、LCD顯示子程序、鍵盤服務(wù)子程序等組成。限于篇幅,在此只列出程序設(shè)計(jì)的總體思路,如圖9所示。本文所介紹的超聲波泄漏檢測(cè)系統(tǒng)具有精度高、體積小、便于攜帶和具有很好的人機(jī)交互界面等特點(diǎn)。該系統(tǒng)還利用DSP等技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)泄漏量的估算。參考文獻(xiàn) 袁易全,東南大學(xué)學(xué)報(bào),1989 2 :華南理工大學(xué)出版社,1991 李 進(jìn),陳會(huì)倉,程 ,1996(5),1992(8)5 李光海,王 勇,2002。23(5):20～23作者姓名： 龔其春 葉 騫 劉成良 王永紅作者單位： 上海交通大學(xué)機(jī)電控制研究所SMC研究中心出處：電子技術(shù)應(yīng)用僅供閱覽第二篇：超聲波檢測(cè)超聲波無損檢測(cè)NDT（Nondestructive testing），就是利用聲、光、磁和電等特性，在不損害或不影響被檢對(duì)象使用性能的前提下，檢測(cè)被檢對(duì)象中是否存在缺陷或不均勻性，給出缺陷的大小、位置、性質(zhì)和數(shù)量等信息，進(jìn)而判定被檢對(duì)象所處技術(shù)狀態(tài)（如合格與否、剩余壽命等）的所有技術(shù)手段的總稱無損檢測(cè)是工業(yè)發(fā)展必不可少的有效工具，在一定程度上反應(yīng)了一個(gè)國(guó)家的工業(yè)發(fā)展水平，其重要性已得到公認(rèn)。我國(guó)在1978年11月成立了全國(guó)性的無損檢測(cè)學(xué)術(shù)組織——中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)無損檢測(cè)分會(huì)。此外，冶金、電力、石油化工、船舶、宇航、核能等行業(yè)還成立了各自的無損檢測(cè)學(xué)會(huì)或協(xié)會(huì)；部分省、自治區(qū)、直轄市和地級(jí)市成立了?。ㄊ校┘?jí)、地市級(jí)無損檢測(cè)學(xué)會(huì)或協(xié)會(huì)；東北、華東、西南等區(qū)域還各自成立了區(qū)域性的無損檢測(cè)學(xué)會(huì)或協(xié)會(huì)。我國(guó)目前開設(shè)無損檢測(cè)專業(yè)課程的高校有大連理工大學(xué)、西安工程大學(xué)、南昌航空工業(yè)學(xué)院等院校。在無損檢測(cè)的基礎(chǔ)理論研究和儀器設(shè)備開發(fā)方面，我國(guó)與世界先進(jìn)國(guó)