（测试计量技术及仪器专业论文）压力管道泄漏的超声检测研究.pdf

摘要 天然气因为其热值高，排放污染相比较而言比较少，可以成为煤的代替能源，对于我国 的自然环境也能起到比较好的保护作用。随着西气东输工程的建成投产，从西部地区到东部 地区建成了几千公里的输气管路，输气管路的安全问题则成为了保证天然气正常运输的重要 环节。因此管路泄露时能够在尽量短的时间内完成泄露点探测与定位成为重要的方面。本课 题所涉及的主要目标为当天然气管输气管路发生泄露时，能够实现对埋在土层以下的天然气 管路泄露点精确定位。在方案选择时采用的为被动式超声波检测设备以实现对泄露点的远距 离无损探测。并进行了爆炸性环境中仪表的安全性设计。 本文所涉及的技术主要为研究高背景噪声环境下的由天然气管路泄漏出来的超声信号 的提取方法，采用超声波传感器阵列实现超声信号的采集，在模模拟放大电路采用了以结型 场效应管为放大管的小信号放大电路、l c 选频放大电路及可编程运算放大电路实现信号的 放大。信号的数字处理部分采用新型的d s p 芯片t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 进行信号的数字带通滤波、 频谱分析及相关分析，以实现对于泄漏点的精确定位。为保证获取信号的可靠性，在设计中 采用了4 0 k h z 和2 5 k h z 两种不同的超声波传感器实现信号采集和处理。 关键词：压力管道，泄漏，超声，数字信号处重邑d s p a b s t r a c t w i t ht h e g r e a td e v e l o p m e n to fe c o n o m y , e n e r g yc o n s u m p t i o nb e c o m e sm o r ea n dm o r e i m p o r t a n ti no u rc o u n t r y e n v i r o n m e n tp o l l u t i o ni sf l o wag r e a tp r o b l e ma r o u n d 邺n a u t r a lg a si s ag o o dc h o i c ef o rt h i s b e c a u s eo ft h ed a n g e ro ft h en a t u r a lg a s ，t h es a f e t yo ft h en a t u r a lg a s p i p e l i n ei sv e r yi m p o r t a n lmo r d e rt 0s o l v et h i sp r o b l e mw ep u tf o r w a r da ni d e ao fc o l l e c t m u l t i f r e q u e n c yl e a k a g es i g n a li nu l t r a s o n i cf r e q u e n c yb a n dw h e nt h ep i p e l i n el e a k sn a u t r a lg a s t h ed e v i c ei sd e s i g n e dt ow o r ki ne x p l o s i v ee n v i r o n m e n tw i t h o u ta n yp r o b l e m u l a - a s o n i cd e t e c t i o no fl e a k a g ei sb a s i c a l l yt og e tu s e f u ls m a l ls i g n a li nt h ey a w p ，a n dt h e n a m p l i f yt h es i g n a le f f e c t i v e l y i nt h ea n a l o gc i r c u i td e s i g n , w ef i r s t l ym a k eu s eo fs e n s o ra r r a yt o g e tt h es m a l ls i g n a l a n dw ea l s ol l s et h ej f e ta m p l i f e rc i r c u i tt oa m p l i f yt h es m a l ls i n g a l t h e n w ea s g st h ep r o g r a m a b l ea m p l i f e ri s p p a c i ot oa m p l i f yt h es i g n a la n du s et h e a c t i v ef i l t e rt o d e c r e a s et h ey a w p h i g hs p e e dd s p c h i pi st m s 3 2 0 f 2 8 1 2 ，w h i c ha n a l y s e st h es i g n a li nt i m ea n d f r e q u e n c yd o m a i na n dm a k e st h ef i n a ld e c i s i o r lt h er e a l i z a t i o no fh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ft h e d s ps y s t e mi sc o v e r e di nt h i st h e s i s i no r d e rt og e tw o r t h yr e s u l t ，w eu s et w ok i n d so fs e n s o r st o d ot h ee x p e r i m e n t 。w h i c ha r e4 0 k h zs e n s o ra n d2 5 k h zs e n s o r k e y w o r d s ：u l t r a s o n i c , p r e s s u r ep i p e l i n e ，l e a k a g e ，d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s ，d s p 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：趁至亡日期：塑! ：! ：堕 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：盈童l 导师签名：0 蠡瑾么日 期： 第章绪论 1 1 课题来源 第一章绪论 管道运输是基于管路进行物质运输的一种方式，其与公路、铁路、飞机、及海运并称为 五大运输方式之一，在国民生产生活中起着重要的作用。现有的管道运输有石油运输，天然 气运输。及城市煤气管道。随着国民经济的不断发展及城市化的进行，城市煤气管道也不断 增加同时西气东输工程的建成，使得我国从西部罕东部地区铺设了几千公里的天然气管道。 这使得管道运输在我国国民经济中起着越来越重要的作用。但由于管道一般采用铸铁管进行 运输，而且埋藏在地下，随着时间的推移，其由于受水的腐蚀及地表汽车的碾压，很容易受 到损害而产生裂缝或微孔，造成泄露情况的发生。现在由于煤气管路的泄露造成的事故时有 发生，其主要原因是由于管路老化造成的故障。当管路中气体发生泄露时，现有的测量定位 手段主要为采用煤气或可燃气体报警器来进行泄露测量然后进行 l | 露点的定位。一般情况下 泄露点都是处于地表以下，由于土地的结构不同，土地表面的硬化程度不同，当可燃气体从 泄露点扩散至地表时，其距离泄露点的水平距离也是难以预测的，所以在工程上只能采用先 直接挖开地面逐段进行泄露点的查找这样使工作量很大，而且很难直接找到泄露点。采超 声波泄露检测方法实现管路泄露点的探测可以成为一个比较好的选择方案。首先其属于被动 式检测，对被测量的媒质没有损伤。其次由于其比较精确的定位能力，使得对于煤气泄露点 的查找变得十分方便。可以大大节省劳动强度，实现生产效率的提高。 1 2 本论文的主要工作 本论文的主要创造性工作在于研究天然气压力管道泄露时采用超声波检测方法的可行 性，并进行了仪器设计，针对采用被动式超声测量中所出现的有用信号很小，背景噪声很大， 使得有用信号被湮没在噪声里的情况，采用了超声传感阵列的方法获取有效信号，并采用选 频电路放大电路以实现信号降噪，在后续信号处理中采用了d s p 芯片进行了数字滤波并采 用了频谱分析的方法对超声信号进行了数据分析，取得了比较好的信号处理效果。在本设计 中，针对管道泄露时其所处的超声频率段主要集中在2 0 k h z 一5 0 k t - l z 以内的情况，采用了谐 振领率在4 0 k h z 和2 5 k h z 的窄额超声传感器实现超声信号的采集。对于所得到的超声信号 很微弱的情况，采用了传感器阵列来实现有效信号的提取，采用j f e t 型场效应高阻抗运算 放大器进行信号放大，在后续滤波电路中采用l c 选频电路实现信号的滤波，在数字电路设 计中采用了高速数据处理芯片t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 做为信号的数学运算芯片，在数字信号处理中 采用了数字滤波、频谱分析及相关分析等方法对有效信号的进一步提取进行了有益的探索。 1 3 超声泄露检测仪的应用前景 对于天然气及煤气管道的泄露点检测一直以来都是比较困难的课题，国内进行此类研究 厂家比较少，在我国青岛大连等市的煤气公司在九十年代先后进口了数辆城市煤气检漏车等 设备，但是由于操作复杂及操作不当，使得进v i 的煤气检漏车都不能实现正常工作，且维修 费用也使得企业难以承受。 采用被动式超声波传感器进行管道泄露点的定位，是一种新型的检测方法，可以大节省 对于管道维护的工作量，有着比较好的商业前景。超声波检漏仪也可以做出很多衍生型号， 例如，对于城市管道煤气，其可以做成手持式设备，可以实现对于我国现有的大量老化的煤 气管道的维护，对于郊外的主天然气管道来说可以采用车载式超声检漏仪，在气体检测仪检 测仪到有天然气泄露后可以使用超声检漏仪进行精确定位，可大提升管路的维护效率。 目前国际上采用被动式超声波传感器进行煤气( 天然气) 管道泄露定位技术的厂家并不 多，只有日本的厂家有相似的产品。在本次仪表设计中，我们所进行研究的重点在于在高背 景噪声环境下如何提取到有效的超声波信号并在数字处理芯片中实现信号的进一步处理，减 少仪器的误报率，以及实现产品在实际爆炸性环境下的安全性设计。 东南大学硕士学位论文 2 1 声学原理 第二章方案论述 声学理论是研究媒质中机械振动的产生、传播接收及效应的学科。在本仪表设计所涉及 声学理论方向主要为研究超声信号的传播。当超声声波产生时，其产生的物理过程一般可以 描述为：连续弹性媒质可以看作是由许多彼此紧密相连的质点组成，当弹性媒质是的质点受 到某种扰动时，此质点便产生偏离其平衡的运动，这一运动势必推动与其相邻质点也开始运 动。随后，由于媒质的反弹作用，该质点及相邻质点又相继返回其平衡位置。但因质点运动 的惯性，它们又在相反方向上产生上述过程。如此，媒质中质点相继在各自平衡位置附近往 反运动，便将扰动以波动的形式传播到周围更远的媒质中去，形成声波。当声波在弹性媒质 中传播时，其传播的速度，称之为声速。 为了表征声波振动及传播的特性，人们建立了一系列声学物理量，如声压、声速、声阻 抗、声功率等。借助于它们，我们可以对声学中的声振动特性、声场特性、声传播规律以及 声波的各种效应得到完整的描述。从这些声学的基本定义上说，我们所研究的超声波是其中 的一个小分支，但是由于超声波信号处于声学中的高频段，使得其有特殊的性质，如高频性 质，信号的强度一般比较高，在声传播过程中其衰减速度比较快的特性，可能使其在一些环 境条件下展现出来比较特殊的表现形式或量值。 在超声波传导过程中体现出来的特性一般与声传波通路上的传输媒质的状况与特性有 关，而传输媒质是各种各样的，就性质而言，有气体、液体、固体等，就状态而言有无限大 媒质、有限体积媒质、分层媒质、均匀媒质、非均匀媒质等。这就要对于我们对于现场的实 际情况进行具体的分析，一般情况下天然气管道是埋在土地表层以下，其传输媒质为土层， 而超声仪表处于地面上，超声传感器所直接接触的媒质为空气，使得对于本次设计所涉及的 媒质有两种，为空气和固体媒质。当超声信号在气体中传播时，由于气体没有剪切弹性，只 有体积弹性，因而气体中声波的传播形式只能是纵波。也就是说在声扰动下，气体媒质中的 质点在各自平衡位置附近运动，形成稠密和稀疏依次交替的传递过程。而且质点运动的方向 与声波的传播方向一致。 另外，超声波的物理特性不但与超声的参数有关，特别是随着近年来高频、大功率、高 强度超声波的日益广泛应用，在许爹情况下，线性声学理论已不能完全解释实际现象，包括 以前认为满足小振幅声波假设的典型应用超声工业检测、医学诊断及水下探测等，都出 现了不可忽视的非线性现象。这使得超声测量工作更加复杂。 一般漪况，声波在媒质中传播时，其强度随传播距离的增加会的逐渐减弱。声波的衰减 一般分为以下三种主要类型：吸收衰减、散射衰减和扩散衰减。前两类衰减取决于媒质的特 性，而后一类则由声源特性而引起的。通常在讨论声波与媒质特性的关系时，主要考虑前两 类衰减，但在估计声波传播损失，例如声波作用距离或回波强度时，必须计及这三类衰减因 素。 1 、吸收衰减：其特性比较复杂，涉及媒质的粘滞性、热传导及驰豫过程。分析表明， 当声波频率不太高的时侯，吸收衰减系数大致与频率的平方成正比，当声波频率很高时，此 种关系将不太适合。 2 、散射衰减：声波在一种媒质中传播时，因碰到由另外一种媒质组成的障碍物而向不 同方向产生散射，从而导致声波减弱的现象，称为散射衰减，其与媒质的性质、状况有关， 也与障碍物的性质、形状、尺寸及数目有关。 3 、扩散衰减：这类衰减主要考虑声波传播中因波阵面的面积扩大导致的声强减弱。显 然这仅取决于声源辐射的波形及声束状况，而与媒质的性质无关，在这一总过程中，总的声 能并未变化。 在本次设计中所考虑的主要为前两类的衰减，其中吸收衰减和散射衰减都遵从指数衰减 规律。对沿x 方向传播的平面波，可以由下式表示： i = l o e 一“ 2 ( 2 1 ) 第二章方案论述 式中：a 一衰减系数：其为吸收衰减系数和和散射衰减系数之和。其系数为d b c m r 一传播距离。 可以看出上式中的衰减系数为一个主要的参数，包括吸收衰减和散射衰减。 超声波在各种媒质中的传播问题，实际上是声场问题。当天然气管道发生泄露时，超声 信号从微孔或裂缝中产生，其首先遇到的媒质为土层，其为固体媒质，当超声信号传输到地 表时，由于探测仪表距离地面有一定的距离，所以超声信号传输至地表后所遇到的另一种媒 质为空气，这里就涉及到超声信号在不同媒质界面上就会发生反射、透射及波形转换问题及 散射、干涉和衍射。 超声的散射：声散射是指声波在传播过程中，遇到各种散射体时发生的反射、折射和衍 射的总和。 超声的干涉：当两列以上的声波在同媒质中传播相遇时，在相遇区域内，任一点的振 动是各列波所引起的振动的合成。而在相遇之后，各声波仍保持各自原有的特性不变，继续 没原有传播方向前进，独立进行传播。 超声的衍射：当声波遇到障碍物时，声波在障碍物处形成新的子波源分布，声波产生变 化，这种变化与障碍物的形状、性质及尺寸有关，当障碍物的尺寸比声波长大很多时，声能 大部分反射，在障碍物后形成较大的声影区，当障碍物的尺寸比声波长小很多时，声波基本 上不受影响，继续向前传播，只是声能稍有减弱。当障碍物与声波长有可比性时，则衍射场 成为具有特殊指向性的图形。 下图为超声波通过不同障碍物时产生衍射的示意图。 。季貅 i l lj - 霆 咎必 。声粒嚣 图2 - 1 超声波信号衍射图 当埋在土层以下的天然气管道发生泄露时，产生超声波，空气中的超声波声速一般为速 为3 4 0 米秒。此时! i l ! 露的超声波波长为一个宽频带的声波，其中含有频率为4 0 k h z 的超声 波，波长l 可由下式得出 1 卸 l = v = 二二= 一= 8 5 l o 。3 历( 2 2 ) 4 0 0 0 0 一 可以得到对于4 0 k h z 的超声波，其波长为8 5 毫米，由于土层结构很复杂，上述几种 超声波的传输形式都有可能。 2 2 超声波传感器及管道泄露检漏机理 2 2 1 超声换能器 超声波传感器又称为超声换能器，是指将外界中的超声信号转换成为电信号的传感器。 超声换能器设计及生产技术都比较成熟。现在市场上比较成熟的超声波产生及接收设备一般 有：机械式超声接收器，压电型超声换能器及磁致伸缩型超声换能器和激光超声设备。在本 次实验中所采用的超声换能器为压电型超声换能器。此类超声换能器主要是靠晶体的压电效 应来实现信号的转换。压电效应定义是指当某些电介质如晶体在其适当的方向中作用力时， 内部的电极化状态会发生变化，在电介质的某相对两个表面内会出现与外力成正比的方向相 反的束缚电荷；这种由于外力作使电介质带电的现象叫做压电效应。压电型超声换能器其内 部采用的晶体一般为石英晶体。采用压电晶体材料制做的超声换能器制做简单，成本低，可 制成各种形状，其工作频率一般在2 0 k h o 1 0 0 l ( 1 电之问。由于典型的工业环境中的超声波 3 查童查兰堡主兰竺笙奎 信号在2 0 k 一5 0 k 赫兹之问。采用压电晶体超声换能器比较适用于本次设计。 下图为压电换能器的等效电路： 图2 - 2 压电换能器等效电路 上图为六端网络形式的机电等效电路图，又称为梅森等效电路图。在图中：f 1 和f 2 为 晶体两端面受力。v 表示机电转换的得到的电压值。 换能器在接收工作状态，常与高输入阻抗的放大器相连，可近似认为电端开路。这就需 要在电路设计中对于超声波传感器转换为电压信号的后续转换电路进行匹配设计，以减少电 路设中的匹配损耗。 2 2 2 管道泄露检测机理 对于埋入土层中的天然气管道，当受到外界影响或自身原因发生泄漏时，泄露出来的气 体在管道压力的作用下会从管道内的裂缝处喷出，由于其粘性及惯性的影响，气流在开孔处 形成一个收缩断面，使气体流速增加、压力减小、产生节流效应，在接近管壁处形成旋涡区 及二次流。旋涡区内气体分子产生一定强度的振动波。对于天然气管道来说，当天然气通过 穿孔处时也会产生一定强度的振动波及喷射噪声，管道泄漏孔处产生的振动波以球面波的形 式向地面传播。振动波向地面传播时，会破土壤吸收掉大部分高频能量，而某些低频率振动 波仍然可以通过土层传播到地面上。泄漏孔处的振动波传播到地面上时的振幅及频率同埋 深、传播距离、土壤性质有关，理论定性分析及实验都证明，地面振动信号的强弱主要受传 播距离的影响。因此在地面垂直于泄漏口上方有一最强点，以此点为圆心的同心圆上随直径 的增大，振幅呈负指数规律衰减，由此可以根据检测振动信号强度确定泄漏口的位置。需要 指出的是，空气中的管道泄漏具有相似的传播特性，只是传播介质是空气。 根据对泄漏的基础理论分析并从实验上证明这种泄漏声发射呈现出一种宽带特性，其能 量主要分布在1 5 5 0khz 的频段上，如下图所示： 4 第二章方案论述 麓 缸 t 0 图2 - 3 超声泄露带宽图 如上图所示在1 5 k h z 5 0 i ( h z 可以看出，在这个频率段上携带的 l 漏有效信息是相当丰 富的。这样在对于= l i 露信号进行处理时，我们可以采用超声波波段进行信号处理，可以避开 可听声的范围，使得信号的处理更加容易一些。但即使是在这种情况下，超声换能器所能得 到的超声信号也是极其微弱的。在所查的国内外的文献或资料对于这样强环境噪声下微弱信 号检测的具体实现方案很少提及，本文将在这方面做一个尝试性的探讨。 当埋在土层里的管路发生泄露时，一般情况下泄露点的尺寸都比较小，系统内外的压力 比较大( 内部压力一般为兆帕级) ，这使得从缝隙泄漏出来的气体流速会很大，由此会产生 射流噪声，这种射流噪声可以向空间辐射，产生一个比较宽频的声信号，其声波的频率由十 几k h z 至近一百k h z 之间，得到的声信号的频谱中其中心频率不仅与管道内部压力有关， 也与管路泄露点的尺寸大小也有一定的关系，其公式如下式： t = f l v d( 2 3 ) 式中：f 为射流噪声的中心频率。单位是 k ，v 为射流喷射速度，单位是r n s ，它的大 小正比于系统内外的压力差：d 为泄漏孔的直径，单位是m ，b 为系数，一般取0 2 。例如 v = 2 0 0 m s ，d = lm m ，f = 0 2 x 2 0 0 0 0 0 1 = 4 0 k h z ，即射流噪声中心频率为4 0 k h z 。这表明味着 在定的压差和泄漏孔径条件下，其在中心频率所在点的信号更强，而泄漏引起的信号仍具 有宽带特性，中心频率只是一个相对概念。 2 3 仪器设计方案介绍 仪器设计整体框图如下图所示： 图2 - 4 仪器设计框图 5 东南大学硕士学位论文 对于本仪器的设计所需要解决的问题主要为以下两个方面： 第一：设计合适的超声波信号接收系统对管道泄漏的超声信号进行可靠和稳定的捕捉并 且行选频放大。 第二：采用合理的信号处理方法提高对于压力管道气体泄漏辨识的正确率。 根据上面所提到的两个关键因素，我们进行了不同的处理，由于超声波换能器的指向性 一般为1 2 。左右，其指向角不大，经实验表明，当超声波换能器的指向与超声发射源的方 向不一致时。其能得到超声信号会大幅度下降，并且随着探测距离的增加，超声波换能器所 能提取到的超声信号明显下降，同时匹配电阻的设定也与所能得到的信号强度有比较大的影 响。我们所设计的超声实验电路如下图： 镀妤四 图2 - 5 超声传感器测试电路 上图中所示1 和2 为正弦信号发生器，3 为电压检测，4 为超声波发射单元，5 为超声 波换能器，6 为匹配电阻。 本次实验所采用的元件是中心频率为4 0 k h z 的超声波发射与接收元件，所采用的实验 仪器如下表： 表2 - 1 实验器材表 实验器材名称型号 示波器 泰克t d s 2 0 1 4 任意波型发生器索尼a w g 2 0 2 1 所得数据如下表：超声波发射器输出峰峰值为1 0 v ，超声换能器正对发射器，所得为在 不同距离下超声换能器所得到的电压值： 表2 - 2 超声换能器响应表 距离匹配电阻9 1 0 k 0匹配电阻2 m q匹配电阻6 2 m 0 l c m2 9 6 v3 2 4 v3 8 4 v 2 c m2 4 0 v2 6 4 v2 8 2 v 1 0 c m4 8 0 m v5 2 0 m v8 8 0 m v 8 0 c m7 2 m v1 1 0 m v 1 4 0 m v 其响应曲线如下图所示： 6 第二章方案论述 图2 - 6 超声换能器响应曲线 在实验中发现相对于单个超声换能器而言，采用多支超声换能器串并联的方法可以大大 提高整机对于超声信号的灵敏度。并且当只使用单支换能器时，随着距离的增加在正对着超 声波发射器的方向上超声换能器的效果最好，如果角度稍微有些偏差，得到的超声信号会有 比较明显的降低。采用多支支超声换能器的方案也可以大大改善超声波换能器的指向角问 题，在本仪表设计中采用了超声波传感器阵列的方法来实现了上述目标。 图2 - 6 比较直观的展现出采用不同匹配电阻及在不同距离情况下超声换能器的响应曲 线，可以明显看出采用6 2 m 欧的匹配电阻可以使其响应值有比较大的提高，因此在后面电 路设计中应尽量提高匹配电阻，使得电路从超声换能器中获取的电流尽量少，以获取更好的 超声信号。在电路设计中我们采用了j f e t 型运算放大器2 s k 3 0 4 来实现信号的放大。j f e t 型运算放大器属于压电型放大器。与一般普通放大器相比，其输入阻抗很高，一般在m 欧 级，只需要很小的电压就能够实现信号的放大。 在获取初次放大的信号超声信号后，在后续电路中加入了l c 选频电路，以做为初步的 有用信号的提取以滤除无用的噪声，然后接入可编程运算放大器i s p p a c l 0 进行信号进一步 的放大和低通滤波，将经过初步处理的信号接入d s p 芯片，通过软件的方法进行信号的进 一步处理，并形成有效信号并输出至l c d 显示。 在选用d s p 芯片时，我们首先考虑由于此仪器的主要使用环境为于室外环境，寻找2 2 0 7 交流电源并不太现实，所以整机供电只能采用蓄电池供电，在d s p 芯片选择上首先选择低 功耗芯片，所以首先采用了1 1 公司的低功耗型芯片t m s 3 2 0 f 5 4 1 6 实现进行数字信号的处理 功能。但经实践发现，采用此芯片虽然可以降低d s p 处理芯片的功耗，但对于整机来说所 能达到的贡献率很低，而d s p 5 4 1 6 芯片外接接口比较少，其需要外接芯片进行a d 及i o 控制，所以在进一步的设计中采用了1 1 公司最新的d s p 处理芯片t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 来实现a d 采集后续的数据处理。t m s 3 2 0 f d s p 2 8 1 2 是一种工作频率工作在1 5 0 m h z 的微控制器，其 不但有强大的数学运算能力，而且在其接口也十分丰富，在其内部集成了a d 转换模块、s p i 同步串1 ：3 ，并且有c a n 及两个串行接口使得其不用外接大量的接口芯片就能完成本仪表 所需的功能，其与外接的l c d 显示部分可以直接通过g p i o 口进行连接，使电路设计更加 简便。在d s p 2 8 1 2 芯片内部有1 2 8 k 的f l a s h 空间和1 8 k 的r a m p 空间，可以在一个芯 片内完成所需要的算法及程序存储功能。1 1 公司为此芯片提供了大量的标准函数库，减化 了软件的设计，提高了工作效率。 在信号的软件处理部分，根据在仪器设计目的是对于泄露点的查找，主要目标是对于采 集到的超声信号进行定性分析，并不存在对于泄露点超声信号的定量分析，所以在最初的设 计中采用了低通滤波器进行信号滤波，然后采用计数法进行超声信号的测量，首先确定在被 采样点附近的背景信号的闯值，以此阈值做为门限，当采样进来的超声信号高于设定的阈值 7 东南大学硕士学位论文 时，在一定的时间内进行计数，当无超声泄露的地方，虽然有高于阈值的超声信号被检测到， 但属于白噪声，其在一定时间内的可重复性并不强，所得到的超过闽值的计数值并不多，当 有超声泄露时，我们所能得到的是连续的超声信号，这样我们可在一定时间内得到大量的计 数值，就可以得到我们需要的数值，通过l c d 液晶显示出来结果，在实验室环境中我们得 到了满意的结果，但在室外环境中实际使用时我们发现外部环境条件十分复杂，人声，汽车 声及风吹动树叶的声音都会产生宽频的超声波，频率会覆盖4 0 k h z 及2 5 k h z 范围，这样使 得仪表的阈值及其他参数的设定都比较困难，有必要在算法上对仪表进行进一步的改进。在 改进设计中，我们采用了带通滤波器对信号进行滤波设计，采用了信号的频谱分析及信号的 相关分析对得到的信号进行了进一步的处理，以改进整机的探测效果。 由于超声检漏设备属于工业测试设备，仪表在设计定型后需要满足仪表的国家电磁兼容 标准要求，因此我们在电路设计中进行了大量的电磁兼容性改进设计以使得仪表的电磁兼 容性指标能够满足国家规范的要求。并且由超声泄露检测仪足对天然气管道进行泄露点检 查，当天然气管道发生泄露时，在泄露点周围会有比较高浓度的天然气气体，这样有一点火 花产生时，就会造成不可预计的严重后果，在仪表的后续改进设计中将仪表设计成增安型设 备，以使仪器符合国家防爆电气标准。这些在本篇论文中都有论述。 8 第三章仪表模拟部分电路设计 第三章仪表模拟部分电路设计 3 1 超声换能器电路设计 在电路设计中我们采用了4 0 k h z 和2 5 k h z 的两种超声换能器进行超声波检测工作，这 两种超声换能器的工作指标如下表所示： 表3 - 1 换能器工作指标 类别 4 0 k h z 2 5 k h z 发射声压( 0 d b = 2 1 0 r 4pb e r )1 1 7 ( 最小值)1 1 7 ( 最小值) 接收灵敏度( 0 d b = v ub e r ) 6 6 ( 最小值)6 5 ( 最小值) 静电容量( p f )2 0 ( 】0 1 5 2 0 0 0 3 0 一6 d b 指向角 4 0 。 直径( m m ) 1 6 2 4 在传感器电路设计中我们采用了传感器阵列进行超声信号采集，对于4 0 k h z 的超声换 能器，采用四只超声传感器串联，共计八组，然后这八组已串联的超声波换能器并联接入运 算放大器。下图为四支超声波传感器串联所得到的超声信号表： 超声发射频率4 0 2 k h z ，发射峰峰值i o v 表3 2 换能器阵列响应值 测量距离四支换能器串联( v )单支换能器( 6 2 m ) l o c m1 2 4 v8 8 0 m v 5 0 c m1 8 5 m v 1 5 0 m v 1 0 0 c m 1 4 0 m v 1 0 0 m v 图3 - 1 换能器阵列与单支换能器波形图 与单支超声波传感器相比，采用换能器阵列所得到的信号幅值有明显的提高，并且由于 9 东南大学硕士学位论文 四支超声波传感器所组成的表面积较大，在比较远的距离接收时当超声波发射源与超声波换 能器的方向角有一定的差别时，所能得到的电信号也没有多大的减弱。取得了良好的接收效 果。 图3 - 2 超声换能器阵列图 其中黑色的为4 0 k h z 超声换能器，白色的为2 5 k h z 超声换能器。下图为实际的四支超 声换能器串联电路图： 图3 - 3 换能器阵列电路图 对于2 5 k h z 的传感器，由于体积较大，所以采用了八组传感器并联的连接方式。 由于从对单支传感器获得的匹配电阻情况得知，当匹配电阻越大的情况下得到的超声波 传感器信号就越强，说明此超声波传感器的匹配电阻需要值比较大，因此在后面的放大电路 中尽量采用输入阻抗较大的运算放大器进行信号的放大处理。 3 2 前置放大电路设计 在进行前置信号放大电路设计时前首先要考虑的主要有两点： 第一点：应选用适当的前置放大器进行微弱信号的放大； 第二点：在信号放大过程中不能由于前置放大器本身的问题将噪声引入进来，使得后续 的电路设计更加复杂。 在前置放大电路中我们依据低噪声，高输入阻抗，频率带宽符合设计要求这几点进行了 前置运算放大器的选型及设计工作。并且由于我们采用的超声换能器为压电型超声换能器， 当超声换能器接收到超声信号后，其通过压电转换得到的电信号为电压信号，如果采用普通 的晶体放大管( x 2 极型晶体管) 的话，其为电流输入型放大器，通过流过过基极电流的大小 1 0 第三章仪表模拟部分电路设计 来控制放大倍数，这样对于超能换能器，则需要提供一定的电流输入且其输入阻抗不高， 这种设计存在着一定的缺陷。相对应的场效应管放大器属于电压控制型器件，输入阻抗一般 都达m q 级，采用场效应管做为前置运算放大器的运放电路，具有输入阻抗高、噪声低、 动态范围大和比较低的温度系数等优点，所以比较适合用在微弱信号的前级放大电路。 在本部分电路设计中首先考虑采用的是高输入阻抗的运算放大器，普通的运算放大器如 l m 3 2 4 ，其输入阻抗为1 0 k q 左右，不能满足使用要求，而一些具有高输入阻抗的运算放大 器的响应带宽不能满足使用要求。在电路选型中，我们首先考虑的为高输入阻抗运算放大器 c a 3 1 4 0 做为超声换能器的前置放大器。c a 3 1 4 0 为i n t e r s i l 公司研制的一种高输入阻抗的运 算放大器，放大器的结构为p m o s 型结构，其输入阻抗高达1 5 t o ，带宽为4 5 m h z ，当输 入电流为1 0 p a 就可以使放大器正常工作。是比较理想的高输入阻抗运算放大器。但在实际 电路测试中发现，由于c a 3 1 4 0 的输入阻抗很高，对于印制板布板设计有着比较高的要求。 在印制板布板时，由于印制板材制一般为环氧玻璃布基印制板，当集成电路管脚直接焊接在 e p s f j 板上时管脚输入端两端所焊接至的印制板部分由于材制本身的阻抗就达不到元件本身 阻抗的水平，这斋要在印制板设计时需将运算放大器单独焊接在以聚四氟乙烯板为材制的底 板上，然后再进行信号放大处理，这样不仅增大了印制扳加工的难度，也有可能引入外界空 间噪声，反而会影响有效信号获取的难度。因此我们改进了设计方案。采用其他的合适的放 大器做为前置放大电路的放大芯片。 在电路设计中我们采用了2 s k 3 0 4j f e t 型场效应管做为电路设计中的前置放大器。 2 s k 3 0 4 芯片具有输入阻抗高( 灌入电流为ua 级) 输入带宽宽( 1 0 m h z ) 等特点，体积也 比较小，比较适合于本次设计。 下图为以场效应管做为主放大器的前置运算放大电路： 图3 - 4前置放大电路 上图为交流小信号放大电路原理图，此电路采用自生栅偏压电路，即为在场效管中v c a = 0 时，也有漏电流流过电阻r 6 。以下结合结型场效应管的工作原理和2 s k 3 0 4 的特性曲线详 细介绍对微弱交流小信号进行放大的工作过程。 2 s k 3 0 4 为n 沟道结型场效应管，其工作的基本原理为：在j f e t 工作时，在放大管的 漏极( d 端) 与源极( s ) 间加有一正电压时，使得电子在电场作用下由源极向漏极运动， 东南大学硕士学位论文 形成电流b ) s ，i d s 的大小受到v o s 控制。此时在栅极( g 端) 与源极( s 端) 之间加一负的 偏压( v g s “； i f ( c o n v e r s i o n c o u n t = = 1 2 7 、 f c o n v e r s i o n c o u n t = o ： e l s ec o n v e r s i o n c o u n t + + ； a d c r e g s a d c t r l 2 b i t r s t _ s e q l = l ： ，r e s e ts e q l 第五章数字信号处理部分的软件设计 a d c r e g s a d c s t b i t i n t _ s e q l _ c l r = 1 ： ，c l e a r1 n ts e q ib i t p i e c l r e 笋p i e a c k a l l = p 1 e a c k _ g r o u p l ；i i a c k n o w l e d g ei n t e r r u p tt op i e r e t u r n ； 5 2 2 数字滤波部分设计及实现 实现数字滤波是d s p 芯片所具有的基本功能。在本次设计中所涉及到的数字滤波设计 为对于采集到的4 0 k h z 与2 5 k h z 的超声信号进行带通滤波，以滤除无效信号，提取有效信 号，进一步增强所得数据的信噪比。 与传统的模拟滤波方法相比，采用数字滤波器有比较多的优点：首先它采用软件的方法， 可以省去不少的硬件电路，使得电路的处理变得简单，仪表进行批量生产时，产品的一致性 也可以大大增强，在大规模工业应用中可以大大节省人力及硬件的开支；其次，采用数字滤 波器的设计也可以满足客户的不同的滤波要求，如仅需进行简单的更改就可以实现低通滤 波、高通滤波及带通滤波的设计。 数字滤波器的设计方法主要有两种，分为有限冲激响应滤波器( f i r 滤波器) 及无限冲 击响应滤波器( 1 1 r 滤波器) 两种滤数字滤波器都有各自的优缺点，f i r 滤波器在通带范围 内具有线性相位特性，t 滤波器在阻带中的旁瓣比具有相同数目参数的f i r 滤波器的更低， 在相同的条件下i i r 滤波器需要更少的参数，要求更少的存储量和具有较低的运算复杂性。 在本次设计中采用了f i r 滤波器的设计。 通常，f i r 系统可以采用差分方程描述为 n 一- ! ) ( n ) = 芝：h ( k ) x ( n - k )( 5 1 ) 蜀 设h ( k ) ( k = o ，1 ，2 ，n 1 ) 为滤波器的冲激响应，输入信号为x ( n ) ，则滤波器就是 要实现式5 1 的差分方程。 对式5 1 进行z 变换，整理后可得f l r 滤波器的传递函数为： n - = t 日( z ) = 2 h ( k ) z “ ( 5 2 ) 篇 f i r 系统的实现可以采用三种方法，分别为直接法、级联法、频率取样法。直接法可以 直接从式( 5 1 ) 的非递归差分方程得出，由此可以看出，f i r 滤波器的一般结构如图5 2 所 示。 业丫4 1 击禹 t 挈之半i 赴粤士掣： 从图中可以看出，该结构需要n 1 个存储单元来存储前n 1 个输入数据，对每个输出 点，该结构有n 次乘法及n - 1 次加法运算。上图的结构类似于横向系统，这种直接型结构 也常被称为横向滤波器结构。对于f i r 系统时，满足线性相位时，系统的响应满足对称条件， 即当n 为偶数时，乘法次数可以减少一半，当n 为奇数时，乘法次数可变为( n 1 ) 2 次。 f i r 滤波器的设计方法有窗函数设计法、频率采样设计法及最佳等波纹线性相位法。窗 函数法及频率采样法是比较简单的设计方法。本设计中采用了窗函数法进行带通滤波器的设 计。窗函数设计法的基本思想是要选取某一合适的理想频率特性选择滤波器，然后将它的脉 冲响应截断以得到一个线性相位和因果的f i r 滤波器。因此，这种方法的重点在于选择某种 恰当的窗函数和一种合适的理想滤波器。设所希望得到的滤波器的理想响应为： 东南大学硕士学位论文 胁( 叻= y h d ( n ) e 1 “ ( 5 3 ) n - - 0 其中： 1二 加( n ) = lh d ( 动f 7 “d 缈 ( 5 4 ) z a 二 由此可以建立起胁( n ) 和爿d ( 删) 之间的联系。一般来说由式( 5 3 ) 得到的单位样本响应 加m ) 是时宽无限的，因此为得到长度为n 的f i r 滤波器，需要在n = n 1 上，对u 伽) 做 截尾处理，相当于进行加窗处理。加窗处理一般有矩形窗、h a m m i n g 窗、h a n n i n g 窗和 b l a c k m a n 窗。后面几种窗函数与矩形窗相比具有比较低的旁瓣，使得其平滑作用更大一些， 在实际应用时通过仿真经过实践来实现窗函数的选择。 为了使用户更快更好的实现滤波器的设计，1 1 公司为t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 开发了数字滤波 器库，其中包括低通、高通、带通、带阻数字滤波器，用户只需设定好所需的滤波器的系数 就可以实现数字滤波器的功能。同时1 1 公司也提供了与此相配套的摹于m a t l a b 的程序， 用户可以方便的进行配置，获取参数，通过m a t l a b 仿真可以获取最佳的滤波器设计，然 后将生成的数据直接嵌入到程序中，因此可以大缩短程序的设计时间，减轻了设计难度。 在设计中设定r r 滤波器的阶数为5 0 阶，通带范围为3 0 k h z 5 0 k i - i z ，系统采样率为 6 4 0 0 0 0 1 - i z ，通过m a l 儿a b 仿真获得如下图的通带效果。 _ i 厂、 l | l 8 522 533 h e r t z x 秽 、 、 卜卜牡胁肛厶 卜卜a b、卜r 、卜 、 v 图5 3 带通滤波效果图 通过m a t l a b 仿真可以得到带通滤波器的参数表： 第五章数字信号处理部分的软件设计 # d e f i n ef i r l 6 _ c o e f f 、 1 2 6 0 ，2 6 3 3 9 9 ，1 1 8 0 8 9 0 ，2 6 2 2 6 5 9 ，4 7 1 9 7 8 0 ，7 2 7 5 6 4 4 ，1 0 3 5 5 7 8 9 ，1 3 8 9 4 6 8 0 ，1 7 8 2 6 7 8 0 ，2 2 0 8 6 5 5 5 ，、 2 6 6 0 8 4 6 9 ，3 1 3 9 2 5 2 4 , 3 6 3 0 7 6 5 0 ，4 1 2 8 8 3 1 0 ，4 6 2 6 8 9 7 0 , 5 1 1 1 8 5 5 9 ，5 5 9 0 2 6 1 4 , 6 0 4 9 0 0 6 5 ，6 4 7 4 9 8 4 0 ，6 8 6 8 1 9 4 0 ，、 7 2 1 5 5 2 9 4 ，7 5 2 3 5 4 3 9 ，7 7 8 5 6 8 4 0 ，7 9 8 8 8 4 2 4 ，8 1 3 9 5 7 3 0 ，8 2 2 4 7 6 8 4 图5 - 4 带通滤波器参数表 将由m a t l a b 仿真得到的f i r 滤波器系数嵌入到t i 所提供的数据库中，通过1 1 公司 提供的标准函数f i l t e r _ d r v ，将滤波器所需要的阶数进行配置，然后在它的成员变量i n t p u t 中输入由a d 采集到的待滤波的数据，然后调用成员函数c a l c ，然后可以在其成员变量中得 到滤波后的结果。 5 2 3 频谱分析设计及实现 离散傅里叶变换在实现数字信号处理算法和离散系统的分析、设计中起着重要的作用。 是数字信号处理的重要基础。基于离散傅里叶变换理论的信号的频谱分析较早应用于无损检 测中，但早期d f t 的运算冗长及繁杂，使得在很长的时间内这种技术并没有得到真正的应 用。随着1 9 6 5 年库利和图基首先提出了d f t 运算的快速算法后，才使得情况有了根本的变 化，并随着f f t 算法的不断推广，使得信号的频谱分析得到越来越广