專利名稱:一種基于多傳感器的超聲波氣密性檢測系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種基于多傳感器的超聲波氣密性檢測系統(tǒng)，包括設(shè)置在容器內(nèi)的多個超聲波發(fā)射機(jī)和依次連接的換能器組、信號調(diào)理電路、主處理器和信號輸出模塊；換能器組包括多個換能器；信號調(diào)理電路，包括依次連接的儀表運(yùn)放電路、二級放大與壓控濾波電路、電平轉(zhuǎn)換電路以及AD輸入保護(hù)電路；主處理器，包括集成在主處理器中的AD采集模塊和DA輸出模塊，AD輸入保護(hù)電路的輸出端與AD采集模塊相連；信號輸出模塊與DA輸出模塊的輸出端相連。本實(shí)用新型檢測精度高，對微弱泄漏信號的檢測能力強(qiáng)，且本系統(tǒng)具有體積小、方便攜帶、靈敏度高、穩(wěn)定性好，可以在容器充氣工作條件完成檢測。
【專利說明】
一種基于多傳感器的超聲波氣密性檢測系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實(shí)用新型涉及儀器檢測領(lǐng)域，尤其涉及一種基于多傳感器的超聲波氣密性檢測系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]在日常生活中和工業(yè)生產(chǎn)中，壓力容器隨處可見，有用于壓縮氣體存儲的氣罐氣缸，還有用于氣體傳輸?shù)墓艿馈嚎s氣體儲存在壓力容器內(nèi)在運(yùn)輸?shù)倪^程中，由于一些不可避免的因素，如磨損、腐蝕人為或自然的損壞，泄漏事故經(jīng)常發(fā)生。氣體泄漏將會產(chǎn)生物料和能量損失、引發(fā)事故災(zāi)害、環(huán)境污染和設(shè)備性能降低的危害。如果能夠在設(shè)備投入運(yùn)行使用之前及時發(fā)現(xiàn)泄漏，準(zhǔn)確定位泄漏點(diǎn)，估計出泄漏量的大小，就能夠有效減輕或避免泄漏事故造成的危害。目前市面上所見的各種檢漏儀器功能都比較簡單，只能探測到較大泄漏是否存在，不能檢測到微弱泄漏，和泄漏點(diǎn)的定位。
[0003]利用流體泄漏時產(chǎn)生聲波的頻率特性進(jìn)行分析是流體泄漏檢測的一個新的領(lǐng)域。當(dāng)容器發(fā)生泄漏時，泄漏點(diǎn)小內(nèi)外壓差較大時會形成湍流射流，在泄漏點(diǎn)附近形成無數(shù)個大小不一的漩渦，漩渦會不斷產(chǎn)生和破裂從而產(chǎn)生聲音。泄漏產(chǎn)生的聲音頻率范圍很寬一般在2?200kHz間，但不同工況例如內(nèi)外壓力和泄漏孔大小的不同，泄漏產(chǎn)生聲波的中心頻率均不同。則可利用不同泄漏狀態(tài)下信號頻譜峰值不同的特點(diǎn)來進(jìn)行。
[0004]德國學(xué)者R.1sermann和H.S iebert經(jīng)過多年的合作研究，在理論結(jié)合實(shí)踐的基礎(chǔ)上提出了一種創(chuàng)新性方法:將輸入輸出的流量信號和壓力信號經(jīng)過進(jìn)行互相關(guān)然后做相應(yīng)的處理進(jìn)行泄漏檢測。英國殼牌石油公司的Xue JunZhang在1992年提出了一種基于流體管道統(tǒng)計量的泄漏法。該方法的具體步驟是統(tǒng)計管道輸入輸出口的流體壓力和流量的統(tǒng)計參數(shù)，然后通過計算判斷出管道泄漏的概率。上世紀(jì)80年代以來，我國在氣體泄漏檢測的領(lǐng)域取得了一些進(jìn)展，包括一些科研人員在互相關(guān)法和應(yīng)力波法的軟件檢測方面也進(jìn)行了較為深入的研究，近幾年在泄漏系統(tǒng)仿真方面也開始逐漸快速發(fā)展起來。目前國內(nèi)已有較多種類的泄漏檢測儀面市，例如聲發(fā)射。但目前的各種檢測設(shè)備在進(jìn)行泄漏檢測的時不能保證其可靠性，而且一些泄漏檢測設(shè)備的應(yīng)用面較窄，設(shè)備性價比低，同時多為特定工況不能得到普遍的廣泛應(yīng)用。超聲波無損檢測具有非接觸，反應(yīng)速度快設(shè)備便攜，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時在線測量，及其適應(yīng)能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。我國對超聲波領(lǐng)域的研究也取得了一定的進(jìn)展，將其運(yùn)用到氣體泄漏檢測領(lǐng)域?qū)⑹潜厝贿x擇。
[0005]本實(shí)用新型應(yīng)用的超聲波氣體泄漏檢測技術(shù)，屬于超聲波無損檢測技術(shù)應(yīng)用之一，繼承了超聲波無損檢測的優(yōu)點(diǎn)。超聲波無損檢測與其它常規(guī)技術(shù)相比，它具有被測對象范圍廣、檢測適用性高、檢測靈敏度高、性價比高、速度快、設(shè)備使用方便攜帶對便于現(xiàn)場檢測、并對人體無害的優(yōu)點(diǎn)。超聲無損檢測在進(jìn)幾十年來迅猛發(fā)展并取得了廣泛的應(yīng)用，幾乎已經(jīng)應(yīng)用到了所有的工業(yè)部門。尤其適宜檢測各類管道、閥門部件內(nèi)部產(chǎn)生的裂痕，還能檢測船艙、飛機(jī)、航天器、汽車座艙、冰箱、冷庫、儲油罐、密閉容腔的密封程度，這樣便有效的提高了各個部件的使用安全性，在很大程度上確保了人員的生命和財產(chǎn)安全?？梢娦孤z測對于提高企業(yè)的生產(chǎn)效率，節(jié)約能源，確保工作人員的人身安全都具有非常重大的意義?！緦?shí)用新型內(nèi)容】
[0006]本實(shí)用新型要解決的技術(shù)問題在于針對現(xiàn)有技術(shù)中單個傳感器定位檢測精度低的缺陷，提供一種結(jié)合多個傳感器，可在容器充氣工作條件完成檢測且靈敏度高、穩(wěn)定性高的基于多傳感器的超聲波氣密性檢測系統(tǒng)。
[0007]本實(shí)用新型解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:
[0008]本實(shí)用新型提供一種基于多傳感器的超聲波氣密性檢測系統(tǒng)，包括設(shè)置在容器內(nèi)的多個超聲波發(fā)射機(jī)，其特征在于，該系統(tǒng)還包括依次連接的換能器組、信號調(diào)理電路、主處理器和信號輸出模塊；
[0009]所述換能器組包括多個換能器；
[0010]所述信號調(diào)理電路，包括依次連接的儀表運(yùn)放電路、二級放大與壓控濾波電路、電平轉(zhuǎn)換電路以及AD輸入保護(hù)電路，儀表運(yùn)放電路的輸入端與換能器組相連，儀表運(yùn)放電路的輸出端與二級放大與壓控濾波電路的輸入端相連，二級放大與壓控濾波電路的輸出端與電平轉(zhuǎn)換電路的輸入端相連，電平轉(zhuǎn)換電路的輸出端與AD輸入保護(hù)電路的輸入端相連；
[0011]所述主處理器，包括集成在主處理器中的AD采集模塊和DA輸出模塊，AD輸入保護(hù)電路的輸出端與AD采集模塊相連；
[0012]所述信號輸出模塊與DA輸出模塊的輸出端相連。
[0013]進(jìn)一步地，本實(shí)用新型的所述儀表運(yùn)放電路的外配置電阻為0.5K?1K的線性電位器。
[0014]進(jìn)一步地，本實(shí)用新型的所述二級放大與壓控濾波電路和電平轉(zhuǎn)換電路均采用高頻低零點(diǎn)漂移放大器。
[0015]進(jìn)一步地，本實(shí)用新型的所述AD輸入保護(hù)電路在輸出端反饋電阻上設(shè)置有穩(wěn)壓二極管。
[0016]進(jìn)一步地，本實(shí)用新型的該系統(tǒng)還包括電源模塊，電源模塊采用鋰電池串聯(lián)供電。
[0017]進(jìn)一步地，本實(shí)用新型的所述換能器組包括至少3個換能器。
[0018]進(jìn)一步地，本實(shí)用新型的所述信號輸出模塊的輸出端還連接有信息終端。
[0019]本實(shí)用新型產(chǎn)生的有益效果是:本實(shí)用新型的基于多傳感器的超聲波氣密性檢測系統(tǒng)，通過二級放大電路，能夠?qū)Q能器組檢測到的微弱泄漏狀況進(jìn)行放大，檢測效果更好，反應(yīng)更靈敏;通過壓控濾波電路，能夠避免環(huán)境中的微弱電磁干擾和高頻噪聲，提高了檢測的精確度;組處理器內(nèi)設(shè)置有獨(dú)立AD，滿足高頻采樣的需求，且每路AD都可進(jìn)行DMA，提高了利用效率，避免數(shù)據(jù)丟失;另外，本系統(tǒng)具有體積小、方便攜帶、靈敏度高、穩(wěn)定性好、能夠有效的提高了氣密部件的使用安全性，可以在容器充氣工作條件完成檢測，在很大程度上確保了人員的生命和財產(chǎn)安全。
【附圖說明】

[0020]下面將結(jié)合附圖及實(shí)施例對本實(shí)用新型作進(jìn)一步說明，附圖中:
[0021]圖1是本實(shí)用新型實(shí)施例的基于多傳感器的超聲波氣密性檢測系統(tǒng)的總體框架圖；
[0022]圖2是本實(shí)用新型實(shí)施例的基于多傳感器的超聲波氣密性檢測系統(tǒng)的信號調(diào)理電路框圖；
[0023]圖3是本實(shí)用新型實(shí)施例的基于多傳感器的超聲波氣密性檢測系統(tǒng)的前置差分放大電路圖；
[0024]圖4是本實(shí)用新型實(shí)施例的基于多傳感器的超聲波氣密性檢測系統(tǒng)的二階有源帶通濾波電路圖；
[0025]圖5是本實(shí)用新型實(shí)施例的基于多傳感器的超聲波氣密性檢測系統(tǒng)的電平轉(zhuǎn)換電路圖；
[0026]圖6是本實(shí)用新型實(shí)施例的基于多傳感器的超聲波氣密性檢測系統(tǒng)的AD輸入保護(hù)電路圖；
[0027]圖7(a)是本實(shí)用新型實(shí)施例的基于多傳感器的超聲波氣密性檢測系統(tǒng)的信號輸出驅(qū)動電路圖(a);
[0028]圖7(b)是本實(shí)用新型實(shí)施例的基于多傳感器的超聲波氣密性檢測系統(tǒng)的信號輸出驅(qū)動電路圖(b);
[0029]圖8是本實(shí)用新型實(shí)施例的基于多傳感器的超聲波氣密性檢測系統(tǒng)的激光驅(qū)動電路圖。
【具體實(shí)施方式】
[0030]為了使本實(shí)用新型的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對本實(shí)用新型進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅用以解釋本實(shí)用新型，并不用于限定本實(shí)用新型。
[0031]如圖1和圖2所示，本實(shí)用新型實(shí)施例的基于多傳感器的超聲波氣密性檢測系統(tǒng)，包括設(shè)置在容器內(nèi)的多個超聲波發(fā)射機(jī)，該系統(tǒng)還包括依次連接的換能器組、信號調(diào)理電路、主處理器和信號輸出模塊；
[0032]換能器組包括多個換能器;為了達(dá)到檢測精度的要求，應(yīng)至少設(shè)置3個換能器；
[0033]信號調(diào)理電路，包括依次連接的儀表運(yùn)放電路、二級放大與壓控濾波電路、電平轉(zhuǎn)換電路以及AD輸入保護(hù)電路，儀表運(yùn)放電路的輸入端與換能器組相連，儀表運(yùn)放電路的輸出端與二級放大與壓控濾波電路的輸入端相連，二級放大與壓控濾波電路的輸出端與電平轉(zhuǎn)換電路的輸入端相連，電平轉(zhuǎn)換電路的輸出端與AD輸入保護(hù)電路的輸入端相連；
[0034]主處理器，包括集成在主處理器中的AD采集模塊和DA輸出模塊，AD輸入保護(hù)電路的輸出端與AD采集模塊相連；
[0035]信號輸出模塊與DA輸出模塊的輸出端相連。
[0036]超聲波氣體微弱泄漏產(chǎn)生的超聲波聲壓很小，例如在內(nèi)外壓差為30kPa泄漏孔有效孔徑為0.1mm，距泄漏點(diǎn)為1cm處的聲壓僅為200yPa。換能器雖然靈敏度很高，但是用于微弱泄漏檢測還需要配上放大電路，放大倍數(shù)約為1000倍。換能器雖然是中心頻率為40kHz，但是信號微弱容易混入環(huán)境中的電磁干擾高頻噪聲，和一些其他運(yùn)放溫漂等低頻噪聲，所以除了放大以外還需要加入濾波電路。
[0037]前置放大電路采用AD公司的儀表運(yùn)放AD620，其采用差分輸入、輸入阻抗高、偏置電流小且只需要一個電阻就能調(diào)整運(yùn)放的放大倍數(shù)。差分輸入能有效的抑制產(chǎn)生的共模干擾，提高電路信噪比。AD620的增益帶寬積為12000，信號頻率為40kHz放大倍數(shù)能夠達(dá)到300倍，小于1000，所以需要加入第二級放大。但是因為需要加入濾波電路所以第二級可以做成有源帶通濾波電路，既滿足了放大倍數(shù)的要求也成功的進(jìn)行了濾波，節(jié)省電路面積。
[0038]因為儀器應(yīng)用的環(huán)境不同，所以環(huán)境中超聲波的本底噪聲也不一樣，需要根據(jù)不同環(huán)境設(shè)置檢測的靈敏度。所以第一級放大設(shè)置成放大倍數(shù)在5?100線性可調(diào)，即將AD620運(yùn)放外配置電阻換成0.5K?1K線性電
[0039]電源模塊采用雙3.7V鋰離子電池串聯(lián)供電，模塊首先將7.4V電壓降為5V，然后將5V變?yōu)檎?fù)5V為大多數(shù)運(yùn)放供電，再將5V變?yōu)?.3V為單片機(jī)供電，全部轉(zhuǎn)換都選用線性電源，電源模塊采用金升陽電源模塊A0505S-1W將5V電壓轉(zhuǎn)換為±5V，電平轉(zhuǎn)換采用的是反向求和的方式，為單片機(jī)系統(tǒng)供電的5?3.3V電壓采用線性穩(wěn)壓芯片AMS1117-3.3V完成。
[0040]信號輸出模塊包括3種信號輸出模式:開關(guān)式、模擬式和數(shù)字式，開關(guān)量信號是當(dāng)信號的強(qiáng)度大于設(shè)定閾值的時候輸出為高，反之為低。除了利用GP1進(jìn)行開關(guān)量輸出之外，儀器上還設(shè)置了泄漏指示燈，和定位激光，其中定位激光采用ULN2003型芯片作為激光驅(qū)動電路。
[0041]如圖2所示，在本發(fā)明的另一個具體實(shí)施例中，信號調(diào)理電路的前置放大電路采用AD公司的儀表運(yùn)放AD620，其采用差分輸入、輸入阻抗高、偏置電流小且只需要一個電阻就能調(diào)整運(yùn)放的放大倍數(shù)。差分輸入能有效的抑制產(chǎn)生的共模干擾，提高電路信噪比。AD620的增益帶寬積為12000，信號頻率為40kHz放大倍數(shù)能夠達(dá)到300倍，小于1000，所以需要加入第二級放大。但是因為需要加入濾波電路所以第二級可以做成有源帶通濾波電路，即滿足了放大倍數(shù)的要求也成功的進(jìn)行了濾波，節(jié)省了電路面積;濾波電路的高頻截止頻率為42kHz、低頻截止頻率為38kHz，調(diào)整阻抗將中心放大倍數(shù)設(shè)置為20倍，則放大電路能實(shí)現(xiàn)100到2000的變放大倍數(shù)放大。電平轉(zhuǎn)換電路將正負(fù)信號調(diào)整為O到3.3V之間的信號，只需加法電路即可。在調(diào)理電路的第三級電平變換部分，輸出端反饋電阻上加穩(wěn)壓二極管D6，把輸出電壓穩(wěn)定在3.3V以內(nèi)，D7肖特基二極管RB400D和R38可以有效的去除輸出信號的負(fù)電壓。瞬態(tài)抑制二極管TZM5226B可以再次穩(wěn)定輸出電壓到3.3V，R16和C18構(gòu)成低通濾波電路濾除低頻噪聲信號。以上電路實(shí)現(xiàn)了輸出到AD端的電壓限制在O到3.3V之內(nèi)，對AD起到了有效的保護(hù)。
[0042]如圖3所示，為前置差分放大電路圖，調(diào)整阻抗將中心放大倍數(shù)設(shè)置為20倍，則放大電路能實(shí)現(xiàn)100到2000的變放大倍數(shù)放大。
[0043]如圖4所示，為二階有源帶通濾波電路圖，濾波電路的高頻截止頻率為42kHz、低頻截止頻率為38kHz。
[0044]如圖5所示，為電平轉(zhuǎn)換電路圖，電平轉(zhuǎn)換電路將正負(fù)信號調(diào)整為O到3.3V之間的信號，只需加法電路即可。在調(diào)理電路的第三級電平變換部分，輸出端反饋電阻上加穩(wěn)壓二極管D6，把輸出電壓穩(wěn)定在3.3V以內(nèi)，D7肖特基二極管RB400D和R38可以有效的去除輸出信號的負(fù)電壓。
[0045 ]如圖6所示，為AD輸入保護(hù)電路圖，瞬態(tài)抑制二極管TZM52 26B可以再次穩(wěn)定輸出電壓到3.3V，R16和C18構(gòu)成低通濾波電路濾除低頻噪聲信號。以上電路實(shí)現(xiàn)了輸出到AD端的電壓限制在O到3.3V之內(nèi)，對AD起到了有效的保護(hù)。
[0046]如圖7(a)和圖7(b)所示，為信號輸出驅(qū)動電路圖，所述信號輸出模塊為了便于儀器的使用設(shè)置了三種信號輸出模式:開關(guān)式、模擬式、數(shù)字式。開關(guān)量信號是當(dāng)信號的強(qiáng)度大于設(shè)定閾值的時候輸出為高，反之為低。除了利用GP1進(jìn)行開關(guān)量輸出之外，儀器上還設(shè)置了泄漏指示燈，和定位激光，激光需要的電流達(dá)到50mA。模擬式信號輸出通過STM32F407的內(nèi)部12位DA輸出O到3.3V，在經(jīng)過運(yùn)放將信號調(diào)理到O?5V。數(shù)字式信號輸出通過STM32F407的內(nèi)部TTL電平的串口輸出信號強(qiáng)度，每秒10字節(jié)，每個字節(jié)O?255線性代表著信號0.01?&?3?&的聲壓，111電平串口通過祖乂3232將信號轉(zhuǎn)換為1?232電平更加適用于工業(yè)現(xiàn)場。整個信號輸出模塊用一個DB9接頭封裝在一起，簡潔穩(wěn)定。
[0047]主處理器選用了 ARM公司的Cortex-M4構(gòu)架的STM32F407主處理器，STM32F407VG內(nèi)部具有三路獨(dú)立的AD，最高采集速率達(dá)到2.4MSPS滿足系統(tǒng)需求，同時此芯片內(nèi)部每路AD都可以進(jìn)行DMA，提高CPU利用效率，并且避免在此次數(shù)據(jù)沒有讀取之前被寫入造成數(shù)據(jù)丟失，在本系統(tǒng)中，因為需要三路通道同時采集，且采集通道不需要經(jīng)常變換所以選用規(guī)則同時模式。
[0048]信號輸出模塊為了便于儀器的使用設(shè)置了三種信號輸出模式:開關(guān)式、模擬式、數(shù)字式。開關(guān)量信號是當(dāng)信號的強(qiáng)度大于設(shè)定閾值的時候輸出為高，反之為低。除了利用GP1進(jìn)行開關(guān)量輸出之外，儀器上還設(shè)置了泄漏指示燈，和定位激光，激光需要的電流達(dá)到50mA，由于I/O 口無法驅(qū)動，所以給激光發(fā)射設(shè)置了驅(qū)動電路如圖8所示。模擬式信號輸出通過STM32F407的內(nèi)部12位DA輸出O到3.3V，在經(jīng)過運(yùn)放將信號調(diào)理到O?5V。數(shù)字式信號輸出通過STM32F407的內(nèi)部TTL電平的串口輸出信號強(qiáng)度，每秒10字節(jié)，每個字節(jié)O?255線性代表著信號0.01?&?3?&的聲壓，1'11電平串口通過1^乂3232將信號轉(zhuǎn)換為RS232電平更加適用于工業(yè)現(xiàn)場。整個信號輸出模塊用一個DB9接頭封裝在一起，簡潔穩(wěn)定。
[0049]應(yīng)當(dāng)理解的是，對本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說，可以根據(jù)上述說明加以改進(jìn)或變換，而所有這些改進(jìn)和變換都應(yīng)屬于本實(shí)用新型所附權(quán)利要求的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項】
1.一種基于多傳感器的超聲波氣密性檢測系統(tǒng)，包括設(shè)置在容器內(nèi)的多個超聲波發(fā)射機(jī)，其特征在于，該系統(tǒng)還包括依次連接的換能器組、信號調(diào)理電路、主處理器和信號輸出模塊； 所述換能器組包括多個換能器； 所述信號調(diào)理電路，包括依次連接的儀表運(yùn)放電路、二級放大與壓控濾波電路、電平轉(zhuǎn)換電路以及AD輸入保護(hù)電路，儀表運(yùn)放電路的輸入端與換能器組相連，儀表運(yùn)放電路的輸出端與二級放大與壓控濾波電路的輸入端相連，二級放大與壓控濾波電路的輸出端與電平轉(zhuǎn)換電路的輸入端相連，電平轉(zhuǎn)換電路的輸出端與AD輸入保護(hù)電路的輸入端相連； 所述主處理器，包括集成在主處理器中的AD采集模塊和DA輸出模塊，AD輸入保護(hù)電路的輸出端與AD采集模塊相連； 所述信號輸出模塊與DA輸出模塊的輸出端相連。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多傳感器的超聲波氣密性檢測系統(tǒng)，其特征在于，所述儀表運(yùn)放電路的外配置電阻為0.5K?1K的線性電位器。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多傳感器的超聲波氣密性檢測系統(tǒng)，其特征在于，所述二級放大與壓控濾波電路和電平轉(zhuǎn)換電路均采用高頻低零點(diǎn)漂移放大器。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多傳感器的超聲波氣密性檢測系統(tǒng)，其特征在于，所述AD輸入保護(hù)電路在輸出端反饋電阻上設(shè)置有穩(wěn)壓二極管。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多傳感器的超聲波氣密性檢測系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)還包括電源模塊，電源模塊采用鋰電池串聯(lián)供電。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多傳感器的超聲波氣密性檢測系統(tǒng)，其特征在于，所述換能器組包括至少3個換能器。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多傳感器的超聲波氣密性檢測系統(tǒng)，其特征在于，所述信號輸出模塊的輸出端還連接有信息終端。
【文檔編號】G01M3/24GK205719438SQ201620385075
【公開日】2016年11月23日
【申請日】2016年4月29日
【發(fā)明人】楊毅, 劉華宜, 余建華, 王濤, 陳偉, 熊桂芳, 許俊巧, 邵璐
【申請人】國家電網(wǎng)公司, 武漢電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院