静电超声传感器检测系统

朱来东

(中国电子科技集团公司第二十七研究所，河南郑州　450047)

0　引言

工业生产中用于储存和输送压缩气体的压力容器一旦出现泄漏,不但会造成能源的浪费，还会对空气造成污染。因此，准确判断气体泄漏并且定位泄漏位置对于提高企业的生产效率和节约能源具有重大意义[1]。

气体泄漏一般在小孔、缝隙、法兰盖及螺纹等部位产生，要想统一对待很困难[2]。研究表明：在压力相等的场合，泄漏口面积一样，亦即泄漏量一样，泄漏口的形状越近于圆，冲出气体就会形成湍流，湍流在漏孔附近会产生一定频率的超声波。超声波能量以声源为中心向空间扩散，即至声源的距离如变成2倍(标准单位为m)，则能量分布的面积变成4倍，能量密度变为原能量密度的1/4，声压级降到6 dB以下[3]。

微孔泄漏属于微弱信号检测，且泄漏超声能量在空气中急剧衰减，给测试带来困难，需要设计极灵敏的超声检测系统。采用传统的测量方法会产生测量不准确的问题，因此，文中针对这个问题进行测量改进设计，对实际的压力容器进行测量对比实验。实验结果表明，采用文中的改进方法可以得到比较理想的结果。

1　静电超声传感器原理

1．1超声换能器

换能器就是进行能量转换的器件，是将一种形式的能量转换为另一种形式能量的装置。超声换能器是在超声频率范围内将交变的电信号转换成声信号或者将外界声场中的声信号转换为电信号的能量转换器件。

1．2静电超声换能器

静电超声换能器一般由金属薄膜(或涂有金属层的介电薄膜)和背电极组成。在薄膜和背电极之间须加上一个偏置电压，使换能器处于线性工作状态。当声波作用于薄膜表面时，薄膜受迫振动，薄膜和背电极的距离发生变化，薄膜和背电极之间的电容量也随之变化，从而引起薄膜和背电极间电压的改变。电容量的变化与声压的大小有对应关系，这就是静电换能器的接收机理。反之，当在电容换能器上加一交变电压时，由于静电相互作用，薄膜受迫振动而向空间发射声波。从原理上讲，静电换能器就是一个电容器。图1为原理示意图。图中电容两极板充当换能器的电极，当外加电压作用于电容器上时，两电极间产生吸引力。

图1　静电超声换能器原理图

2　静电超声传感器的硬件方案选择

拟选用600 Series Smart Sensor静电超声换能器，该静电超声换能器是目前已知的可用于泄漏超声信号频段的超声换能器，较适合于空气介质环境，具有较宽的频响范围(20～80 kHz)和较高精度。图2所示为换能器接收频域特性。图3所示为实测的气体射流声音频谱，可见射流声含有许多超声波成分(约20 kHz以上)。

图2　静电超声换能器接收频域特性

图3　泄漏气体射流声音频谱

3　静电超声传感器硬件电路方案

由于静电超声传感器现有电路模块难以满足泄漏超声测试需求，需改变背压供电方式，同时大幅提高后续电路放大倍数，以发挥传感器的最佳灵敏度(目前为42 dB，应达到75 dB以上)。

图4所示为测试系统组成。容器气体泄漏超声信号被静电换能器接收，经过高倍放大滤波后，经过A/D采样被计算机接收并处理，进行泄漏超声的时频域特征分析，以得出气体漏率和超声信号幅值、频率分布等的相关关系。

图4　静电超声传感器测试系统组成

目前的静电超声换能器一般用于测距，其经典电路如图5所示。

其基本原理为：信号源Vin产生的脉冲序列使MOS管Q1处于开关工作状态，变压器初级线圈中产生交变电流。交变电流产生的磁通在变压器的次级线圈感应出电压，次级电压是初级电压的70倍左右(线圈匝数比)，利用变压器次级线圈的高电压激励换能器使其产生机械振动发射超声波，电能转化成声能，遇到障碍物发生反射，被换能器接收。上述电路是收发一体的电路[4]。

图5　发射回波检测电路

实验表明：这种收发一体电路受主动发射信号影响较大，灵敏度有限，难以接收泄漏气体微弱信号，因此需要抑制发射信号，仅利用静电超声传感器的高灵敏度的接收功能[5]。基于此，对该电路进行改进设计，图6所示为改进静电超声背压电路。

图6　改进静电超声背压电路

由单片机或555芯片产生5～10 V的正弦或脉冲交流电压，经变压器后，耦合成220 V左右高压，经整流滤波后变成200 V直流电压作为换能器背压[6]。

换能器信号经电容后接至后续放大电路中，后级放大电路：选用场效应管输入级宽频带运算放大器，输入阻抗可达1012Ω，放大器具有高的共模抑制比、低噪音、低漂移，有极高的转化速率(SR=50 V/μs)。微弱信号所需放大倍数较高。图7所示为二级放大电路。

图7　二级放大电路

4　软件系统设计

软件系统的功能是采集超声信号，并对时域信号进行实时显示，利用傅里叶变换进行频谱分析。

为了保证测试进度需求，拟采用成品化的TST3125动态信号测试分析仪器。该设备最高采样频率1～10 MHz可选，采样信号长度可选择，精度为3‰，具有FFT分析、信号微分/积分处理、平滑滤波和数字滤波等功能，完全满足该项目采集20～50 kHz超声泄漏信号的检测需求。

5　实验方案和信号提取

实验方案采用真空检漏法。真空检漏法是指把一个容器密闭，抽成真空，当打开阀门时，由于外面的大气压会使得气体通过阀门进到密闭容器中，在阀门处会有超声信号产生，需要做的就是将超声信号通过传感器采集到，并对其进行分析，检测泄漏信号[7]。泄漏超声产生的信号经数字采集卡转换后为宽平稳离散型的随机信号，所以主要采用傅里叶变换方法对其进行谱分析。在超声泄漏检测系统，使传感器距离泄漏处的距离一定，针对孔径为0．3 mm和0．4 mm泄漏孔测试FFT频谱分析。

(1)无泄漏状态下

无泄漏状态下波谱图见图8。

(a)时域波形

(b)频谱图

(c)功率谱

(d)自相关功率谱

(2)泄漏孔径为0．3 mm，泄漏孔壁厚度为2．5 mm

泄漏孔径为0.3mm、泄漏孔壁厚度为2.5mm波谱图见图9。

(a)时域波形

(b)频谱图

(c)功率谱

(d)自相关功率谱

(3) 泄漏孔径为0．4 mm，泄漏孔壁厚度为2．5 mm

泄漏孔径为0.4 mm，泄漏孔壁厚为2.5 mm频谱图见图10。

此时频谱的峰值在40 kHz处，具有较大的谱峰值。在各种泄漏状态下，FFT频谱和FFT功率谱的幅值最大的频率都集中在38～45 kHz．

对图8、图9、图10的分析可以看出，无泄漏和有泄漏时有着很大的区别，根据在40 kHz附近有无峰值可以作为判漏的条件。泄漏孔径不同，但是超声信号基本在40 kHz附近，但也有一些微小变化，需要做大量实验来确定频率大小与泄漏孔大小之间的关系。当泄漏孔的距离一定时，随着泄漏孔径的变化，功率谱的幅值会有变化，这一特征可以很好地表征超声泄漏的状态，也需要排除干扰因素，再进行大量实验来进行分析。

(a)时域波形

(b)频谱图

(c)功率谱

(d)自相关功率谱

6　结束语

通过采用不同的模式对文中的设计进行实际的验证实验，实验结果可以较好地表征超声泄漏的状态，实现了压力容器泄漏产生超声信号非接触式检测，文中设计的系统可以应用于工业现场的压力容器泄漏。对于压力容器的微弱泄漏可以进行有效的判别和检测。对于泄漏孔径的大小与泄漏频谱之间的关系，有待进一步的进行定量化的研究与分析，建立有指导意义的孔径与泄漏信号频谱之间的量化对应关系。

参考文献：

[1]黎启柏，卢广权．气体泄漏检测方法及其工程应用．机床与液压，2005(11)：130-131．[2]梁宏宝，王立勋．压力容器无损检测技术的现状与发展．石油机械，2007，35(2)：54-57．

[3]龚其春，刘成良，王永红，等．新型气体泄漏超声检测系统的研究与设计．液压与气动，2005(3)：75-76．

[4]刘远志，裴润，王玲，等．一种焊缝缺陷自动超声检测系统．焊接学报，2002，23(3)：71-74．

[5]唐月生，伍先达，李锋，等．一种高精度微量气体泄漏检测仪的设计与研究．仪器仪表学报，2002，23(5)：59-62．

[6]耿艳峰，张朝晖．气体长输管线泄漏检测技术．仪器仪表学报，2001(增刊2)：328-330．

[7]王永红．基于小波分析的气体泄漏检测．机械，2005，32(3)：56-59．