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摘 要
随着工业的发展，各种气体包括易燃易爆、有毒气体的种类和应用范围都得到增加，传统的气体泄漏检测方法，如压差法、气泡法等，有其局限性，不仅操作复杂，对技术人员要求较高，而且不具有实时性。迫切需要各种方法简单，准确性可靠的检测方法。本文介绍了一种气体泄漏超声检测系统,在分析小孔气体泄漏产生超声波的原理的基础上,阐述了该检测系统的原理及设计方案。该系统能对各种压力容器的孔隙泄漏所产生的微弱超声信号进行精确检测。该系统利用技术对泄漏所产生的超声波信号进行分析处理和声压级计算,从而实现对泄漏的检测及泄漏量的估算。通过超声波检测，正确地判断和定位产生泄漏位置，对于提高企业的生产效率，节约能源，确保安全具有重大意义。
在通过对超声波性质的研究中，我们发现超声波是一种高频短波，并且它在空气中传播具有很强的方向性。基于此特性，我设计了一套超声波检测电路，该电路包括了模拟电路与数字电路，其中模拟电路包含了信号放大电路和音频处理电路；数字电路由单片机和LCD、键盘等外围设备组成。在对超声波信号的处理的过程中，信号经过放大滤波以后，一路交给单片机处理，并在显示屏上读出信号的强度与流速；另一路通过降频转化为可听声，从而实现检测的目的。
关键词：单片机 ；声压级； 本底噪声； 泄漏超声波
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Along with the industry development, each kind of gas including is flammable explosive, the virulent gas type and the application scope all obtains the increase, the traditional gas divulges the examination method, like presses the method of difference, Air bubble method and so on, has its limitation, not only operates complex, requests to the technical personnel high, moreover does not have timeliness. Urgent need each method is simple, accurate reliable examination method. This article introduced one kind of gas divulges the supersonic examination system, divulges in the analysis eyelet gas has in the ultrasonic wave principle foundation, elaborated this examination system principle and the design proposal. This system can divulge the weak supersonic signal to each kind of pressure vessel hole which produces to carry on the precise examination. This system to divulges the ultrasonic wave signal using the technology which produces to carry on analysis processing and the acoustic pressure level computation, thus realizes to the examination which divulges and divulges quantity estimate. Through the ultrasonic wave examination, correctly the judgement and the localization produces divulges the position, regarding enhances the enterprise the production efficiency, saves the energy, guarantees safely has the great significance.http://www.16sheji8.cn/
In through to the supersonic wave archery target research in, we discovered the ultrasonic wave is one kind of high frequency short wave, and it disseminates in the air has the very strong directivity. Based on this characteristic, I have designed a set of ultrasonic waves examinations electric circuit, this electric circuit has included the analogous circuit and the digital circuit, analogous circuit has contained the signal enlargement electric circuit and the audio frequency processing electric circuit; The digital circuit by auxiliary equipment and so on the monolithic integrated circuit and LCD, keyboard is composed. In to the ultrasonic wave signal processing process in, the signal after enlarges after the filter, a group gives monolithic integrated circuit processing, and on display monitor read signal intensity and speed of flow; Another group through falls the frequency to transform for may listen to the sound, thus realization examination goal.
Keywords：Monolithic integrated circuit; Acoustic pressure level; Background noise; http://www.16sheji8.cn/
Divulges the ultrasonic wave
目 录
引言 ………………………………………………………………………… 1
1 方案的选择与论证 ………………………………………………………1
1.1 方案一 ………………………………………………………………………………1
1.1.1 绝对压力法 …………………………………………………………………………1
1.2 方案二 …………………………………………………………………………2
1.2.1 压差法 ………………………………………………………………………………2
1.3 方案三 ………………………………………………………………………………2
1.3.1 超声波检测法…………………………………………………………………………2
2 气体泄漏检测的设计原理 …………………………………………………2
2.1 气体泄漏产生超声波……………………………………………………………………2
2.2 声压与泄漏量的关系……………………………………………………………………3
3 超声检测电路设计原理与各单元电路的概述 ……………………………4
3.1 电路系统的硬件实现过程………………………………………………………………4
3.2 各单元电路的介绍 ……………………………………………………………………5
3.2.1 超声探头的原理 …………………………………………………………………5
3.2.2 前置放大电路 ………………………………………………………………………6
3.2.3 带通滤波器 ……………………………………………………………………7
3.2.4 精密检波电路 ……………………………………………………………………9
3.2.5 A/D转换电路 ………………………………………………………………………9
3.2.6 单片机与LCD、键盘的连接电路的设计 ……………………………………………10
3.2.7 本振电路 ……………………………………………………………………………14
3.2.8 混频电路 ……………………………………………………………………………15
3.2.9 低通滤波 …………………………………………………………………………15
3.2.10 音频功放电路………………………………………………………………………17
3.2.11 整流滤波电路与稳压电路…………………………………………………………17
4 超声检测的软件设计 …………………………………………………24
5 电路的调试过程 …………………………………………………………25
6 结论 …………………………………………………………………26
谢辞 ………………………………………………………………………27
参考文献 ……………………………………………………………………28
附录 …………………………………………………………………………29
引言
传统的泄漏检测方法是将待测物品充入水或其它介质，通过观察，测量在特定时间内充入介质的减少量(如通过检测液面的降低等)来实现的，这是一种直接的测量方式。基于这种方法又派生出另一种方法，即将待测物品充入一定压力的气体介质(通常为压缩空气)，而后置水中观察，以被测物品周围是否产生气泡作为是否泄漏的标准。http://www.16sheji8.cn/
随着技术的进步及检测方法的改善，所谓“绝对不漏”或“无泄漏”只是一个数量上的概念，这一观念，已被人们所接受。判别一个测量物品漏或者不漏需要一个更为准确的、数量上的标准，特别是对一些需测量微小泄漏的场合。
泄漏检查仪的出现为以上问题提供了一个较好的解决办法，它使得泄漏检测过程更加便捷，测量结果也更为可靠。在采用泄漏检查仪的基础上，再辅以上、下料机构、自动密封装置及电气控制、液压、气动系统等等即可组成一个可用于加工生产线上的泄漏检查设备——试漏机。试漏检查仪的出现使得零部件的泄漏在线检测成为可能，采用这种装置可满足批量生产中对零部件泄漏情况检测的要求，大幅提高产品的品质质量。
本课题主要设计一种气体泄漏检测系统。
1 方案的选择与论证
1.1 方案一
1.1.1 绝对压力法
绝对压力法测量系统如图1-1所示，由气源、空气过滤器、压力表、充气阀、压力传感器等部分组成。测量过程如下：
图1-1 绝对压力法测量原理
充气：充气阀开启，向待测件内充入规定压力的气体；
稳定：充气阀关闭，经过一定时间后使得充入气体达到一个测量所必须的稳定状态。压力传感器将稳定阶段结束(测量阶段开始)前的压力值设定为一个测量的零点；
测量：在规定的测量时间内，检测系统检出压力的变化值ΔP，与设定的压力变化极限值进行比较，从而做出合格或不合格的判定；
排气：测量结束后将测试件内部气体排入大气中。
典型的测量压力-时间之间关系如图1-2所示。
图1-2 测量压力-时间曲线
1.2 方案二
1.2.1 压差法
压差法测量原理见图1-3。压差法测量过程与绝对压力法相似，与绝对压力法不同之处在于压差法采用一个参考件加入测量系统中，用压差传感器记录测量阶段测量件与参考件之间的压力变化值ΔP。
图1-3 压差法测量原理图
压差法与绝对压力法类似，都是通过测量压力变化值间接地测量泄漏率值。
1.3 方案三http://www.16sheji8.cn/
1.3.1 超声波检测法
超声波检测原理是利用超声波匀速传播且可以在金属表面发生部分反射的特性，来进行管道探伤检测，它通过电子装置，发送出超声波的高频（大于20KHz）脉冲，射到管壁上。反射回的超声波，再通过传感器（探头）接收回来，经过信号放大，显示出来波形。由于不同部位处反射到探头上的距离不同，因而超声波返回的时间也不同。检测器的数据处理单元便可通过计算探头接收到的两组反射波的时间差乘以超声波传播的速度，得出管道的实际壁厚。这样，既可按照时间差显示出的波形，根据标定，测量出管壁厚度或缺陷以及腐蚀尺寸等。
由于传统的泄漏检测方法如绝对压力法、压差法、气泡法等,操作复杂并且对技术人员要求较高,而且不具有实时性。目前,工业上广泛利用泄漏产生超声波的原理来进行泄漏检测。利用超声波检测气体泄漏位置,不仅方法简单,而且准确可靠。基于此,本文研究并设计了一种超声波气体泄漏检测系统。
2 气体泄漏检测的设计原理
2.1气体泄漏产生超声波
如果一个容器内充满气体,当其内部压强大于外部压强时,由于内外压差较大,一旦容器有漏孔,气体就会从漏孔冲出。当漏孔尺寸较小且雷诺数较高时,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声波,如图2-1所示。声波振动的频率与漏孔尺寸有关,漏孔较大时人耳可听到漏气声,漏孔很小且声波频率大于20kHz时,人耳就听不到了,但它们能在空气中传播,被称作空载超声波。超声波是高频短波信号,其强度随着离开声源(漏孔)距离的增加而迅速衰减。因此,超声波被认为是一种方向性很强的信号,用此信号判断泄漏位置相当简单。
图2-1 气体泄漏产生超声波
2.2 声压与泄漏量的关系
泄漏超声本质上是湍流和冲击噪声。泄漏驻点压力P与泄漏孔口直径D决定了湍流声的声压级L。著名学者马大猷教授推出如下公式[1]:http://www.16sheji8.cn/
