多功能超声波检测仪

徐有薇 施鹏程 丁强

摘 要：文章介绍一种超声波多功能检测仪，以超声波检测管道泄漏点、检测电气设备局部放电为研究目标，通过对超声波强度的检测实现对管道泄漏点及绝缘故障点精确定位。该检漏仪采用数字检波设计，探头可重复利用，同时可视化程度较高，便于工业推广使用。文章就其工作原理、硬件设计与调试、发展前景做了简要介绍。

关键词：超声波；检漏装置；噪声干扰

中图分类号：TH89 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2019）02-0060-02

Abstract： This paper introduces a kind of ultrasonic multifunctional detector， which aims at detecting the leakage point of pipelines and the partial discharge of electrical equipment， and realizes the accurate location of leakage point and insulation fault point of pipelines through the detection of ultrasonic intensity. The leak detector adopts digital wave detection design， the probe can be reused， and the degree of visualization is higher， which is convenient for industrial popularization and use. This paper briefly introduces its working principle， hardware design， debugging and development prospect.

Keywords： ultrasonic wave； leak detector； noise interference

引言

目前，负压设备广泛用于真空镀膜，真空除泡等设备，但是，其一旦发生泄露等问题，由于体积庞大、泄漏点隐秘等原因，人力难以搜寻，往往会导致整个系统的报废。传统的检测的方式通常用酒精涂抹法，但是对于大型负压设备并不适用。此外，对于正压设备，一旦发生泄露，其故障点也很难被及时发现，而且墙体内由于导线接触问题引起的串联电弧的故障，由于不能被肉眼直接发现，也很难做到对故障点进行确定，所以基于上述的不足，超声波气体泄漏检测技术采用超声波来对上述故障进行检测，通过特定频率的超声波信号强度的不同，来准备确定泄露点所在的位置。

1 泄漏产生声波原理

当被检测管道或容器存在较大尺寸漏孔时，内部压强大于外部压强导致存在内外压差，当内外压差大到一定程度时，由于漏孔尺寸一般不会很大，所以被检工件容腔内部气体会通过漏孔形成湍流。湍流，由于有较高的雷诺数，Lighthill在1952年提出了湍流形成漩涡进而产生声波的观点，所以漏孔附近的流动空间内也会形成形状和大小不尽相同的涡流，即为可检测到的超声波。通过实验得知，在漏孔附近的超声波频带一般分布在20kHz到100kH。但是对于不同的泄漏点，超声波具有的能量也是不同的，所以对于形状特征相同的泄漏点，可以通过对某一频率点的检测，代替全频谱的测量判断泄漏位置。

本作品就是通过对超声波强度的检测实现对泄漏点的定位。本作品对超声波强度的检测可以分为被动检测模式和主动检测模式。所谓被动模式检测是指待检测容器内外存在较大的压差而存在湍流，这样用本作品就可以直接检测超声波信号。主动模式检测是指待检测容器内外没有压差，在这种情况下，通过在待测容器中放置超声波发射装置，再使用本作品进行检测判断泄漏点位置。

由图1，我们发现，在20kHz（可听声频段）以下，泄漏噪声的曲线远低于环境噪声的曲线；一旦频率大于20kHz，环境噪声则远低于泄漏噪声，且信噪比比较高的点在40kHz附

近，所以可以通过采集40kHz频率点的超声波信号进行气体泄漏检测。

2 检漏实验装置和功能试验结果

具体研究内容包含以下几个方面：（1）信号检测部分电路设计：包括前置放大电路、带通滤波电路和精密检波电路组成，它将接收到的微小超声波信号，通过信号放大电路进行放大并且处理。（2）单片机控制部分设计：单片机对接收到的放大处理后的脉冲信号进行二次滤波处理，通过快速傅里叶变换进行时频转换，从而判断泄漏點或故障点所在位置。（3）定位取样部分设计：包括十字定位激光、摄像头模组及无线通信。当检测到泄漏点时，单片机发出信号，开启十字定位激光，启动摄像头对泄漏点位置拍照，通过蓝牙将图片上传至电脑终端，并选用OLCD屏幕进行显示。

2.1 前置放大电路

在放大电路中，在比较了三极管、运放差分放大和单纯采用运放方法的成品和效果后最终使用了运放进行了两级放大处理。把只用一次放大100倍的信号进行两次处理，每次放大10倍。并且在电路中加入旁路电容，确保放大器信号工作的稳定性。

图2为示波器测量结果：运放在单电源供电的情况下，有效信号的质量较未放大信号放大了100倍，且信号不存在明显失真，符合预期。

2.2 带通滤波电路

我们对信号处理，只需要取中心频率（40kHz）附近的频率，因此，我们采用了有源带通滤波器，不仅仅可以实现带通滤波功能，还可以实现相应的信号增益。

带通滤波后具体参数如下表1所示：

在8位分辨条件下，我们一般要求1次谐波对输出电压的影响不要超过1个位的精度，也就是5/256=0.01953V。假设VH为5V，VL为0V，那么一次谐波的最大值是2*5/Π=3.1V；这就要求我们的RC滤波电路提供至少一20lg（3.1/0.01953）=-44dB的衰减。

2.3 精密检波电路及比较电路

如果单片机对模拟量直接进行处理，可能会造成系统的响应慢，误差率高等问题，且模拟量也比较容易被造成干扰，所以本检漏仪设计了一个检波电路，将前端信号，符合条件的信号转换为脉冲信号进行输出，单片机只需要读取脉冲宽度和频率，然后通过相应算法可以将原先信号还原，对信号进行处理判断，来确定疑似泄漏点。

实际调试过程中，在前段信號处理完毕以后，将信号送入检波和比较单元，将信号转换为单片机容易处理的脉冲波。

2.4 超声波探头

采用了US40-10ST/R超声波传感器。通过示波器检测，探头直接接收到的信号的有效值大约为210MW，中心信号频率大约为40kHz，符合设计预期，信号质量较好，方便后期的信号处理，且波形也较好。

2.5 稳压芯片

在检测仪器部分，考虑到检测仪器的功耗仅有20MA，本项目采用了线性稳压方案，即采用78L09三端集成的稳压管来供电。78L09是实现9V100mA电流的输出，输入电压最高为30V。标称输入电压为12-24V，由于其体积小，可以大大缩小电路的尺寸。

2.6 无线传输模块

本项目利用DL-20zigbee无线透传模块广播通讯模式。DL-20将检测到的数据传输到手持显示端及数据存储箱中。此外，还利用DL-20制作了电子标签，它主要用于标记检测到的泄漏点或故障点，这样便于后期的处理与维修。

3 应用前景

图3为多功能超声波检测仪手持端实物图，可以通过在触摸屏上进行测量模式的切换，目前可以选择的测量模式有如下一些：（1）负压容器检测；（2）常压容器检测；（3）高压容器检测；（4）高压电弧放电检测；（5）机械轴承摩擦检测。

由于超声波信号在不同的环境下频率和信号强度均不同，通过模式的选择可以很大程度上通过软件上的算法来实现多功能的检测，以适应多种环境的检测。

（1）在负压容器的检测上，在可以检测到0.5个大气压的压差环境下的容器泄露，目前负压容器广泛用于真空镀膜，真空除泡设备，在传统检测模式下，都是通过涂抹酒精的方法来进行检测，这种检测方式往往费时费力，但是使用超声波原理进行检测只需要对设备四周进行扫描就可以快速确定泄露点所在的位置。（2）在常压密封容器的检测上，由于常压容器内外没有压力差，我们采取主动发射超声波的模式来进行检测，一旦容器发生泄露，放在容器中的超声波发射头的信号会从容器中泄露出来，通过捕捉泄露信号强度来判断泄露点，此方法可以代替原来传统的加压法检测，大大简化了检测的流程和步骤。（3）对于电弧放电检测，可以实现对墙体内导线的故障电弧的检测，解决了墙体内肉眼不可见电弧放电故障的检测，可以最大程度上预防电气火灾的发生。（4）在机械轴承磨损方面，我们通过捕捉机械摩擦产生的超声波信号，来准确判断轴承是否需要更换，方便了检修人员日常维护和保养。

参考文献：

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[3]刘浩.基于外压压差法高压气密性检测系统研究[M].北京：中国学术期刊电子杂志社，2014：10-12.