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硕士学位论文管道泄漏信号采集与处理技术研究 摘要 本课题的目的在于开发一套成本较低的管道泄漏检测与定位系统。本文选择 管道泄漏时产生的，在管道中传播的应力波为研究对象，探讨了基于能量统计算 法的信号采集与处理系统的设计，在实验场地上，该系统能够实现管道泄漏的定 位。其具有体积小、重量轻，使用方便的特点，可以进行实时采集和监控。 本文还探讨了基于f p g a 设计可靠的数字滤波器的方法。 在课题将来的发展方向上，本文对d s p 信号采集电路的设计也做了一部分 探索。 关键词：数据采集，信号处理，f p g a ，d s p ，能量统计 硕士学位论文管道泄漏信号采集与处理技术研究 a b s tr a c t t h i st h e s i s si n t e n t i o ni st o d e v e l o pac h e a pp i p e l i n el e a k i n gd e t e c t i n ga n d l o c a t i n gs y s t e m i nt h i sp a p e r , r a y l e i 曲w a v ei ss t u d i e d b a s e do ne n e r g ys t a t i s t i c a r i t h m e t i c ，t h e a u t h o rd i s c u s s e dh o wt o d e s i g n a s i g n a la c q u i s i t i o n a n d s i g n a l p r o c e s s i n gs y s t e m i n o u rf i e l d ，t h i s s y s t e mw o r k sw e l la n dl o c a t e sp o s i t i o n o f l e a k a g ea l o n gt h ep i p e l i n e t h i ss y s t e mh o l d st h e s ec h a r a c t e r ：s m a l l ，e a s yt ou s e t h i st h e s i sa l s od i s c u s s e dh o wt od e s i g naf i l t e rb a s e do nf p g a d s pi st h et r e n do fs i g n a lp r o c e s s i n ga p p l i c a t i o n s ot h ea u t h o ra l s oe x p l o r e d h o wt od e s i g nas i g n a la c q u i s i t i o ns y s t e mb a s e do nd s r k e y w o r d s ：d a t aa c q u i s i t i o n ，s i g n a lp r o c e s s i n g ，f p g a ，d s p , e n e r g ys t a t i s t i c s 。i i 、57 1 5 0 4 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名：三：垒! ! 壹渺牛年7 月o 日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：三鱼! 墨阳乍年7 月佃日 硕士学位论文管道泄漏信号采集与处理技术研究 1 绪论 1 1 课题背景 管道运输与铁路、公路、航空、水运并驾齐驱，同为五大运输工具之一，在运 输液体、气体、浆液等方面具有特殊的优势，世界上主要的管道干线已达2 3 0 多万 公里，并以每年4 万公里速度在增长。在众多管道系统之中，城市供水系统更是极 为庞大的管道网络。随着西部大开发以及城市的进一步发展，供水管道网络的质量 问题必将成为关系民生的大问题“。 人民生活离不开用水，而水资源是从供水公司通过管道输送到用户的。管道在 这个过程之中起着不可或缺的作用。输水管道埋设在地下，一旦泄漏，如果不被发 现，将造成严重的损失。 我国供水管道存在管线长，管龄长( 很大一部分管道已有二十年以上的管龄) 的问题，很多管道遭受到了腐蚀、磨损等自然或人为损坏，管道事故频频发生。据 统计，我国大中城市自来水的损失率大体在2 0 左右，达不到城市供水2 0 0 0 年 技术进步发展规划所规定的目标，同美国的8 以下、日本的1 0 以下、法国的 9 5 以下及德国的4 9 的漏失率相比“。，还存在很大的差距。因此对输水管道的监 测不可忽略。 在r 前，我国广泛使用的管道检测的方法仍然是依靠听音辨漏，这种方法很不 可靠，因为对埋在地下数米的管道，特别是较小的泄漏，人耳是很难分辨的，因而 监测有实时的要求，这对人的要求很高。所以，寻找一种可靠的、不依赖于人的检 测方法迫在眉睫。 1 2 国内外检漏方法介绍 1 2 1 声音辨别泄漏监测 最简单的方法是地表听音“ 4 9j 。国外有采用地面麦克风h 1 监测的方法，由 工人移动地面麦克风来进行漏点定位，其理论依据在于管道泄漏时会产生丝丝声， 这种丝丝声由管道振动引起，传输到地面，虽然它会衰减，仍可以通过高精度的地 面麦克风测得。但是，地表情况复杂，地面麦克风测得的信号往往掺杂了大量的环 境的噪音，所以其可靠性不高。 另一种声音探测的方法是采用声音传感器系统的方法。沿管道每隔一定距离安 硕十学位论文 管道泄漏信号采集与处理技术研究 放一个传感器，每个传感器都实时的监控自己附近一段距离的管道。如果不存在泄 漏，则各个传感器提取的是流体声音、压气机和泵的声音以及外部的如火车汽车等 声源的声音。如果发生了泄漏，泄漏处会产生具有一定频率、幅值的声信号”， 泄漏附近的传感器把这些声信号传给中央监控站，由中央监控站来决定泄漏是否存 在并在必要时向操作者发出警报。其不足之处在于泄漏声音信号特性及管道声信号 特征很大程度取决于管道尺寸。传输特性也取决于管道所处的土质。由于各处的管 道尺寸与土质情况不同，所以针对特定条件的监测系统不能从一种管道移用到另一 种管道e 去。 1 2 2 监测管道泄漏物质 对于特定管道，如气体、油体输送管道，可以利用其输送物质的特点来判断泄 漏，然而采用这种方法，传感器必须同泄漏点足够贴近，所以需要很多传感器，对 于长管道而言，当然费用很高。 国外现在已有采用监测车的方法，使其在管道上方的地表行走，这种方法不是 一种持续监测的方法。因为，在监测车监测到泄漏时，管道泄漏时间可能已经很长。 国外利用泄漏物质特性，也利用了铺设地下缆道的方法。这种缆道铺设在管道 正上方并对泄漏物质敏感。当泄漏发生时，暴露于泄漏的部分缆道的性质会改变， 这种改变为检测站识别。但是，这种管道费用太大，不仅在初装费上，而且维护费 用也很高。尤其是，目前的缆道仅能对石油产品敏感。 1 2 3 振动加速度辨别泄漏定位 我们知道，流体输送管道( 如铁管、塑料管等) 管壁一般都是弹性体，泄漏发 生时，流体受压力作用喷射诱发的应力波在管壁内传播。但是并不是任何频率的波 都可以无条件的传播。只有与管道振型相关的一些频率的波才能传播较远的距离 l o ： j 。当应力波与管道的某种振型发生共振时，出现该频率的优势振动，传播较远。 这些频率的振动信号在正常时是不会产生的。所以，我们可以把判别泄漏与否的问 题转化为捕捉这些特征频率信号，以进行定位分析。 1 2 4 速度传感器辨别泄漏定位 在文献3 9 、4 0 、4 l 、5 0 、5 1 中都提到采用速度传感器的方法实现目标位置判别。 其原理与振动加速度方法相似。但值得注意的是，速度传感器的线性区域在其固有 频率之后，所以要求传感器固有频率低，而加速度传感器的线性区域在其固有频率 堡：兰堂焦堡苎 笪望型塑堡昱墨壅皇些堡垫苎竺塞 之前。这在传感器选型时要加以注意。 1 2 5 输入输出辨别泄漏定位 可以通过监测输水管道的输入与输出的关系变化来进行泄漏分析。为了进行定 位，往往是监测相邻阀门之间的输入输出关系，以把泄漏定位问题缩j j , n 两个相邻 阀门之间。 1 。3 本文主要工作 目前国外已有一些关于管道监测的成熟理论与系统，但是国内外的管道铺设工 艺是有差异的，而且国外的成熟的系统价格昂贵。对于国外的一些已有理论，本文 采取兼容并包的方法，即通过学习国外的研究方法，针对国内环境，从实用出发， 尽量压低成本，探索有自己特色的管道监测系统。 本文详细分析了在管道监测领域有着丰富经验的英国雷迪公司的“m c 7 型数字 漏水噪声相关仪”这一监测系统，结合管道监测课题研究前景，在以下方面作出了 一些成绩： ( 1 ) 提出了以统计的观点来进行管道泄漏检测的方法，并制作出效果良好的 软硬件系统。软件部分结合v i s u a lc 6 0 和m a t l a b6 5 实现，硬件部分使用 a v r 单片机实现。 ( 2 ) 提出厂可以应用于管道监测的数字滤波的方法，并利用可编程逻辑器件 f p g a 实现了数字滤波器的设计。 ( 3 ) 针对今后的发展，在d s p 信号采集上，作出了一些探索。 硕士学位论文管道泄漏信号采集与处理技术研究 2 能量统计算法 2 1 检测方法概述 一个好的检测系统有如下特点：容易使用、可靠性高、稳定、成本低。 针对管道检测的目的，信号处理是最常用的方法，现在国外已经在这方面做了 比较多的工作，但是采用的方法大多是信号的相关处理43 | ，或者频域处理等2 1 4 2 1 。”“。相关处理方法是基于认为泄漏引起的有效信号是互相关联而噪声信号是不相 关的原理。频域处理是对采集到的时域信号作变换得到对应的频域信号，然后判断 是否存在泄漏信号的特征频段。这两种方法的优势在于原理成熟，但是算法复杂， 实现成本相对比较高。 能量统计算法是一种基于时域统计处理的方法，该方法实现的原理图如下： 图2 1能量统计方法原理图 在氏的管线上面，放置三个传感器a ，b 和c ，这三个传感器等间距，现在在 某个时段内通过三个传感器对管道泄漏信号进行采集，如图2 1 。 根据文献3 5 ，流体输送管道( 如铁管、塑料管等) 管壁一般都是弹性体，当泄漏 发生时，管道中的流体会在泄漏处形成多相湍射流，它不仅使流体的正常流动紊乱， 而且与管道相互作用诱发应力波并在管壁内传播。漏点在管道中传播的波可以分为 横波、纵波及面波。管壁的横波和纵波的频率很低，与泄漏不存在直接关系，而管 壁的面波则与泄漏密切相关。管壁的圆环振动随距离震源的距离越远而衰减。利用 该原理结合图2 1 ，我们可以看出，漏点引发的压力波沿管壁传播，由于a 点距离 漏点最近，所以压力波在a 点的衰减也最少，表现出来的泄漏信号也越强，所以可 以判断泄漏发生在a 点附近。 利用该原理，对漏点定位进行分析如下，其中s i g a ，s i g b ，s i g c 分别表示在a ， b 和c 三点采集到的信号，为了表述方便，当s i g a 的强信号比s i g b 多时，我们称 s i g n s i g b ： ( 1 ) 当s i g a s i g b s i g c ，则漏点在a 点的左右两侧，且和b 的距离比a 大； ( 2 ) 当s i g n s i g c ，s i g b s i g c 均成立，对应图2 1 ，则可以判 d 硕上学位论文管道泄漏信号采集与处理技术研究 断漏点发生在b 的左侧，且和a 的距离比b 大； ( 3 )当s i g a s i g b ，s i g a s i g c 均成立， 断漏点发生在b 的右侧，且和c 的距离比b 大； ( 4 )当s i g a s i g b ，s i g a s i g c ，s i g b s i g c 均成立， 断漏点发生在c 的左右两侧，且和b 的距离比c 大。 对应图2 1 ，则可以判 对应图2 1 ，则可以判 从以上的分析可以知道，只要我们得到了s i g a ，s i g b ，s i g c ，通过简单的比较， 就可以判断得出漏点发生的区段。 在长线漏点检测中，我们可以采用上面的方法，多次试验，逐次逼近，范围逐 渐减小，最后得到漏点的确切位置。 需要说明的是，一次监测的时间要长一些。因为管道是埋设在室外，周围环境 复杂，甚至短时间内的噪声或者干扰信号会成为信号的主体，所以短时间的监测不 能准确得到漏点信息。 2 2 能量统计方法概述 以上谈到了本课题采用的能量统计检测方法的原理。从上可知，课题的关键在 于如何得到s i g a ，s i g b 和s i g c 。 最简单的方法就是把传感器的信号完整的采集，然后对他们进行时域分析，但 是采用这样的方法，不足之处在于采集数据量大，数据不直观。比如下文将要提到， 采用1 0 k h z 的传感器，采样频率设定为2 5 k h z ，持续监测1 0 分钟，一次采集的数 据用一个字节存储，则可以计算出需要1 5 0 0 0 0 0 0 字节( 大约1 5 m ) 的存储空间， = i 个传感器的数据存储空间将达到4 5 m 字节。在实际操作之中，这样大的数据量是 不经济的。 为了解决数据量大的问题，需要寻找一种即不减损效果又能够节约存储空间的 方法。这就是能量统计方法。 能量统计方法是一种对信号的时域特性进行统计的方法。通过下文将要分析的 放大电路的设计，我们可以很容易的把输入信号转换为5 v 5 v 的模拟信号，模数 转换后，可以把以上信号取绝对值得到o 5 区间上的数字信号。这样便可对此进行 分类，分类的方法是把o 5 v 信号分为3 2 段，每一段表示的信号量值计算公式是： 气e 0 + ，_ + f 兰v i 0 + - 云8 ( f + 1 ) ( 2 1 ) j zj z 其中，i 代表输入信号幅值的绝对值在式2 1 的范围内，该类信号将被归为第i 类。 该方法本质上是一种映射，即，将所有的信号映射到域值为o 3 1 的线性空间 中。这种映射的好处在于不论采集的时间是多长，在不减损数据分析效果的前提下， 最终的结果数据只有3 2 个，从第三章可以看到，采用本方法，甚至不需要扩充外部 存储，只使用单片机的片内静态存储器即可。 硕士学位论文 管道泄漏信号采集与处理技术研究 根据图2 1 ，本检测系统将包括三个信号采集予系统，各子系统的核心是单片机， 三个采集子系统分别位于图2 1 的a ，b 和c 点，分别采集这三点的信号，在单片 机内部同时进行能量统计算法，其算法核心就是式2 1 ，在第三章中将会提到，算法 和采集是同步的，因为采样频率为2 5 k h z ，即每两次采样的间隔为4 0 1 h s ，而能量统 计算法可以在该间隔内完成。 2 3 需要解决的问题 以上已经说明了本课题所使用的算法，下面围绕这个算法的实现，讨论需要做 得具体工作： ( 1 ) 寻找一种适合于管道监测的传感器。传感器的作用就是把测量对象表征为 电信号，以便于进一步处理。对于本课题重点需要考察传感器的灵敏度和频响范围。 ( 2 ) 制作信号采集与信号处理电路。在该电路之中将同时实现信号采集和能量 统计算法两个主要工作。 ( 3 ) 制作统计结果的计算机接收和显示软件。在上步中得到的统计结果需要 发送到计算机才能为工程人员分析。接收软件将基于v c + + 制作，显示软件将基于 m a t l a b 肯4 作。 - 6 - 硕上学位论文管道泄漏信号采集与处理技术研究 3 管漏监测系统实现 3 1 实验模型的建立 本课题所研究的压力管道是供水管道，为获得实验数据建立了实验模型，该试 验模型建在一块呈长方形的场地上，场地长为5 4 米，宽为9 3 0 米，在其中埋设了 长为4 7 米、管径为2 5 毫米、管壁厚为2 毫米的直管，埋设深度为0 5 米，与当地 供水管道埋设深度相同。 管道埋设情况如下图所示： 4 7 m a 图3 1 买验模型示意图 a 点为水的入i j ，由校内的主供水管道按入，其正常水压为3 4 公斤力；在图 3 ，1 中所示的0 米、2 5 米及4 7 米处，各放置一个阀门井，用来控制管内水的流动及 安放传感器；在图中距a 点6 米、1 8 5 米及3 7 米处，设置了直径为5 毫米的漏点。 除了在三个阀门井处可放置传感器外，还在管道的其它地方预留了放置传感器的位 置，以便能测出当有泄漏发生时不同位置的信号，获得距漏点不同位置处的信号特 征。 3 2 传感器的选择与信号调理模块 3 2 1 传感器介绍 传感器是实现监测的首要环节，是系统的关键部件，一切准确的测量和控制的 前提，都要求有传感器对原始被测信号进行可靠的捕捉。 传感器是将被测的某物理量按照一定的规律转换成与其对应的另一种物理量 的装置。目前我们对传感器一般理解为非电量到电量的转换。比如在本课题中，传 硕士学位论文管道泄漏信号采集与处理技术研究 感器的作用就是把压力波导致的管道的振动转变为电信号。 传感器的输出量y 和输入量x 的函数关系可以表示为 y = f ( x ) ( 3 1 ) 式3 1 称为灵敏度函数 度。即灵敏度表达式为： j ：d y ：4 f ( x ) 出出 3 2 2 传感器的组成 表示传感器的输入输出特性，其微分结果就称为灵敏 ( 3 2 ) 传感器一般由敏感元件、传感元件、测量电路三部分组成，其工作图如下： 图3 2 传感器工作原理图 值得注意的是敏感元件是直接感受被测非电量，但它并不一定就把该非电量对 应的转化为电量。转化为电量的工作是由传感元件实现的。 3 2 3 传感器一般特性 传感器的特性包括静态特性和动态特性”1 。 传感器静态特性是表示传感器在被测非电量各个值处于稳定状态时的输入输出 关系。这种输入输出关系通常不是线性关系，所以传感器的静态特性包括了线性度、 迟滞、重复性、灵敏度、阈值与分辨率、零漂等特性。 传感器动态特性是指传感器的输入随时间变化时，输出的特性。我们都希望传 感器输出量随时问变化的曲线与被测量随同一时间变化的曲线一致或相近。而实际 上往往做不到这一点，这也就构成了传感器丰富的动态特性。 3 2 4 压电式传感器介绍 由于本课题使用的是压电式传感器，所以在这里对该种类型的传感器做一个简 单的介绍。 压电式传感器是一种有源传感器，利用压电材料的压电效应实现能量的转换， 即当压电材料受到外力作用时，其表面将产生电荷，将机械能转变为电能。 壁圭兰竺丝苎 笪望些塑笪量墨墨里竺堡垫查竺壅一一 压电效应：对于某些材料，当沿着一定方向对其施力而使其变形时，内部就产 生极化现象，同时在它的两个表面产生符号相反的电荷，当外力去除后，又重新恢 复为不带电状态。当作用力的方向改变时，电荷的极性随之改变。 需要注意的是压电传感器输出的是电荷，需要外接器件，比如电荷放大器，把 输出的审荷转变为电压，才能作为测量之用。 3 2 5 朗斯公司内装i c 压电加速度传感器 图3 3 传感器外观和尺寸 本课题采用的是朗斯公司的内装i c 压电式加速度传感器l c 0 1 5 2 a ，其性能指 标如下“。： 灵敏度：4 9 9 m v g 量程： 1 0 9 横向灵敏度：3 2 频率范围：0 5 1 0 0 0 0 h z 偏置电压： 9 ，5 v 抗冲击： 2 0 0 0 9 激励电压：1 8 3 0 v d c 对于传感器的选择，要考虑以下几个问题： ( 1 ) 体积和重量。传感器作为被测物体的附加质量，必然会影响被测物的状态。 为了得到准确的测量，要求传感器的质量m 。远小于被测物体传感器安装点的动态质 量m 。对于管道测漏课题而言，由于被测物体是管道，埋设在地下，所以可以认为 传感器的体积和重量都是远远小于管道的。 ( 2 ) 灵敏度。在满足频响和量程要求的条件下，越大越好。这样可阻降低信号 调理器的增益，提高系统的信噪比。关于这一点可以从式3 2 得到解释。 ( 3 ) l c 0 1 系列的传感器必须外部提供电源才能工作。正如压电传感器的特点， 其输出为电荷，所以需要对电荷进行转变以变为电压，正因为这样，该传感器还需 要配备l c 0 2 0 7 调理模块，该调理模块是一个恒流源，典型的输入电压为为2 4 v ， 输出电流为4 m a 。由于输出信号是很微弱的，必须要经放大才能进入第二章所说的 硕士学位论文管道泄漏信号采集与处理技术研究 一5 v 5 v 的信号范围，但是从传感器参数我们知道该传感器的输出有一个偏置电 压为9 5 v ，这样导致输出信号叠加在偏置电压上，不方便对输出电压进行放大处理。 所以l c 0 2 0 7 调理模块还有一个作用就是隔直。l c 0 2 0 7 信号调理模块作用总结如下： 为l c 0 1 系列内装i c 加速度传感器提供1 8 3 0 v 、4 m a 恒流电源： 将l c 0 1 系列内装i c 加速度传感器输出的叠加在直流偏压上的交流被测加速度 信号通过c r 高通隔直输出，隔掉直流偏压，使交流加速度信号输出。 该信号调理模块电原理图如下。： 上v h1 8 3 2 图3 4l c 0 2 0 7 信号调理模块 在图3 4 中，点划线内部为信号调理模块的原理图，模块通过即对传感器提 供恒流源又将加速度信号引出。电容的作用是把加速度信号经隔直以后从、b 输出。 这里要注意一个问题。使用了该调理模块，则该模块的输出电阻将约为2 0 k 欧 姆。这个问题在这里简单的讨论一下，具体的电路在后文会有仔细的叙述。我们知 道对于1 一个电路系统而言，通常的做法是把该系统划分为多个模块，比如在本课题 的管道泄漏监测系统就可以分为：传感器模块、信号调理模块、滤波模块、放大模 块、信写采集模块、信号传输模块等。各个模块之间需要作到匹配，这个匹配的原 则可以简单的叙述为输入阻抗大，输出阻抗小。 子模块要求输入阻抗大的目的是使本模块能尽量的获取前级模块的能量，而输 出阻抗小的目的是使本模块的驱动能力尽量的强。 好，现在来看看这个匹配原则应用在本课题有什么意义。在图3 , 4 中，我们可 以看出，信号调理模块的输出电阻为2 0 k ，这样的电阻值对于示波器输入而言是小 的，所以通过示波器观察信号是正常的，因为它满足匹配原则。但是当信号调理模 块和后面的其他模块一起构成系统时，相对于其他模块，2 0 k 的输出电阻是大电阻， 已经不满足匹配原则，采集后发现信号已经偏置了。 解决的办法是使信号调理模块的输出电阻减小，方法很简单，在输出的v o 和 地端并联一个小电阻即可，本文选定该电阻阻值为1 k ，这样可以使信号调理模块的 输出电阻降到1 k 以下。 硕士学位论文管道泄漏信号采集与处理技术研究 3 3 滤波模块的设计 3 3 1 滤波器设计的目的 对于埋设在室外的管道而言，其周围的环境很复杂，采集到的信号即包括了外 界突发干扰噪声，同时也包括了白噪声。对于这两种嗓声，必须寻找方法来抑制或 尽量的减小。 如前面所述，单次统计的时间尽可能的长，这样做的目的就是为了使短时且突 发的f 扰对采集到的信号的影响相对的减小。 而对于白噪声，我( f i n n 道其遍布全频段，而我们真正关心的是管道泄漏引起的 特征频段，所以假如我们可以把信号采集频段减小，则带外白噪声无疑将被滤除。 这个频段减小的方法就是滤波。这里谈到的是滤波模块的第一个作用，即滤除带外 白噪声，提高信噪比。 下面谈谈滤波模块的第二个作用。 信号处理的本质是j c 寸数字信号的一种转变，而自然界的信号是以连续时间信号 的形式表现的，为了对连续时间信号进行处理，必须有一个采样的过程。获得一个 连续时间信号的数字表示的典型方法是通过周期采样。，这里o n 连续时间信号x 。( t ) 得到的样本序列是按照如下关系构成： x n z 。0 丁) ，o r ) 2 q ( 3 5 ) 频率q 。般称为乃奎斯特频率，而2 f ) 。称为乃奎斯特率。采样频率必须大于乃奎 斯特律。 n y q u i s t 采样定理是信号采集必须遵守的定律，只有这样，式3 3 的逆运算才能 进行，也就是说采样以后的信号才能恢复出原有的连续时间信号。如果不满足 n y q u i s t 采样定理，采集的信号必将出现频谱混叠d o 。 硕士学位论文管道泄漏信号采集与处理技术研究 现在来看看n y q u i s t 采样定理和滤波的关系。在定理描述中，可以看出满足 n y q u i s t 采样定理的信号是带限的，其最高频率分量为q 。，采样频率至少为2 q 。 但是对于自然界的信号，尤其是叠加了无限带宽的白噪声之后，其本身往往不是带 限的，这样就需要使用滤波器，把本来带宽为无限的信号变为带宽为 o ，q 。 的带限信号。这就是滤波器的第二个作用，这种滤波器有一个专有的名字叫做抗混 叠滤波器。 在管道监测系统设计中，把滤波器的两个作用合在一个滤波器中实现。 3 3 2 模拟滤波器思想 模拟滤波器一般借助于电阻、电容、电感实现，仅仅靠这些无源元件实现的滤 波器往往表现为驱动能力不够，所以常用的是有源模拟滤波器，即利用运放器件提 高滤波器的驱动能力。 滤波器的基本类型有低通滤波器( l p f ) ，带通滤波器( b p f ) 和高通滤波器 ( h p f ) 。f 面重点分析低通滤波器。 图3 5 一阶无源低通滤波器 其滤波的机理采用数学表达如下： l 丘：地：! 一l + 月1 + j w r c j w c 设w o = 志， 则丘： ! 所l + 兰 w o 0 ( 3 6 ) ( 3 7 ) ( 3 8 ) 硕士学位论文 管道泄漏信号采集与处理技术研究 从式3 8 可以看出，随着w 即输入信号的频率升高，则鲁下降，所以该系统是 t ， rz 一个低通系统。 工程之中常用的是二阶r c 有源单位增益滤波器，下面作一个简单介绍。 图3 6 二阶有源单位增益滤波器 以下对其滤波特性进行滤波推导： 得到 一屹一一圪 圪 t 一t 一+ t j w c l 7 w c 2 一 j r ， 圪 一 矿 l j w c 2 ( 3 9 ) ( 3 1 0 ) ( 3 1 1 ) 对于不同的滤波要求，可以根据系数表格查得c l 、c 2 、r l 、r 2 四个系数。 对于高通滤波器，仅仅需要把已经设计好的低通滤波器的c 和r 调换就可以， 这里就不详细展开了。 而对于带通和带阻滤波器，常常是由高通滤波器和低通滤波器组合得到，其基 本设计思想和前面的低通滤波器是一致的。 3 3 3 巴特沃斯低通滤波器 巴特沃斯滤波器是利用其幅度响应在通带内最平坦这种性质来定义的。在通带 和阻带内，幅度响应都是单调的，其幅度平方函数有如下形式： l 刚皿) i 2 2 i 南 ( 3 1 2 ) 硕士学位论文管道泄漏信号采集与处理技术研究 巴特沃斯低通滤波器频率响应如图3 7 ，从图中可以分析得出阶数n 越大，则 衮减效果越好。 图3 7巴特沃斯低通滤波器 该图形是采用m a t l a b 软件绘制，关键代码如下： n u m i ，d e n l = b u t t e r ( 2 ，o 6 ) ； 【h 1 ，w l 】= f r e q z ( n u m l ，d e n l ) ； n u m 2 ，d e n 2 _ b u t t e r ( 4 ，0 6 ) ； h 2 ，w 2 = f r e q z ( n u m 2 ，d e n 2 ) ； h u m 3 ，d e n 3 b u t t e r ( 8 ，o ，6 ) ； h 3 ，w 3 - f r e q z ( n u m 3 ，d e n 3 ) ； p l o t ( w l ，a b s ( h 1 ) ，r - ，w 2 ，a b s ( h 2 ) ，k 一，w 3 ，a b s ( h 3 ) ，“b ) ： l e g e n d ( n = 2 ，n ；4 ，n = 8 ) ； y l a b e l ( 幅值) ； x l a b e l ( 频率) ； 本文使用了巴特沃斯滤波器来实现3 3 1 节提到的滤波性能。 m a x i m 公司的m a x 2 9 1 为8 阶巴特沃斯低通滤波器，其截止角频率可以在 0 1 h z 2 5 k h z 选择，通过输入时钟频率来确定该角频率，当然也可以通过在时钟 输入端放置一个电容来实现。本文使用的是电容方式，电容的确定方法如下： f ( k h z ) 2 面1 0 丽s ( 3 1 3 ) 该滤波器外围接法如下 硕士学位论文管道泄漏信g - 采集与处理技术研究 图3 8m a x 2 9 l 外围电路图 3 。3 4 针对本课题的滤波器实现 以上阐述了滤波器的一般原理和本课题将要采用的巴特沃斯滤波器的一般特 性，下面将就管道泄漏特点来设计并实现滤波器。 首先我们要确定管道泄漏的特征频段。在图3 1 所示的实验场地上，我们采用 了j o v 采集卡对信号进行采集，该采集卡的采样频率可以高达4 0 m h z ，由于我们 选用的传感器频带是1 0 k h z ，所以设定采样频率为2 0 k h z 。由于目前只是要寻找 管道泄漏信号的特征频段，所以在实验场地上，只需要作两组实验，一次是采集水 流正常流动的信号，一次是采集泄漏( 2 5 米处阀门处打开漏点，在距离a 点6 米处 采集信号) 的信号。 由于此次实验是为了寻找信号频域特征，所以对所采集到的信号进行傅里叶变 换是最好的方法。但是我们知道管道信号是一个随机信号，其本身的傅里叶变换不 存在，所以只能用它的各种统计平均量来表征它。其中自相关函数最能完整的表征 随机信号的特定统计平均量。而一个随机信号的功率谱密度正是自相关函数的傅里 叶变换，所以我们可以用功率谱密度来表征信号的统计平均谱特性。即要在统计意 义下描述一个随机信号，就需要估计它的功率谱密度( p o w e rs p e c t r a i d e n s i t y , p s d ) 吵 p s d 有多种估计方法，常用方法分为两大类：经典( 线性) 方法和现代( 非线 性) 方法“1 。 经典方法包括： ( 1 ) b t 法，由观测数据估计自相关序列，然后计算傅里叶变换( 间接法) ： ( 2 ) 周期图法，直接求序列傅里叶变换的模的平方( 直接法) 。 现代方法包括： 塑主兰垡堡苎 一 笪望堂塑笪兰墨塞兰丝堡垫查塑茎 ( 1 ) 参数模型法，常用的有a r 模型、最大熵法、最小熵法和线性预测法： ( 2 ) 最大似然法； ( 3 )自适应法； ( 4 ) r o b u s t 法： ( 5 ) 高阶谱估计法。 本文采用的是经典方法中的分段平均周期图法。周期图法就是直接将离散信号 x ( n ) 进行傅里叶变换来求取功率谱估计，即 s ( t ) = 寺i _ d f 丁 x ( h ) r 2k = o ，l ，一1 ( 3 1 4 ) 由于d f t x ( n ) 的周期为n ，因而求得的功率谱估计也是以n 为周期的，这种方 法称为周期图法。周期图法的好处在于它与序列的频谱有对应关系，可以采用f f t 算法来快速计算。而分段平均周期图法则是改进的周期图法。该方法将信号序列 x ( 月) ，0 h n l ，分为互不重叠的m 个小段，每小段有k 个采样值，则 mk=n( 3 1 5 ) 对每小段信号序列进行功率谱估计，然后求出它们的平均值作为整个序列x ( n ) 的功 率谱估计。随着m 增大，平均周期图的方差趋于零，因此它是功率谱的渐近一致估 计。 以下是对管道不发生泄漏和发生泄漏两种情况信号的p s d 分析。 图3 9 管道无泄漏和有泄漏的p s d 分析图 图3 9 中，上图表示管道水流正常流动时的信号的p s d ，下图表示发生泄漏时 硕士学位论文管道泄漏信号采集与处理技术研蜜 信号的p s d ( 2 5 米处阀门处打开漏点， 通过图3 9 ，我竹 可以很明显的看出 该频段是发生泄漏的管道的本质频段。 在距离a 点6 米处采集信号) 。 漏点信号频段主要在4 0 0 0 7 0 0 0 h z 频段 通过这一次实验，对管道监测系统的设计提供了很重要的两个线索， 管道泄漏信号的频段在1 0 k h z 之内，所以我们采用1 0 k h z 频段的传感器是可 以把管漏的特征信号提取的。也就是说l c 0 1 5 2 a 传感器是适合于管道监测的。 用于抗混叠滤波的滤波器的截止频率应该设置在t o k h z 。 根据截止频率为1 0 k h z 的要求，同时参考式3 1 3 ，我们现在可以确定m a x 2 9 1 的滤波参数电容，考虑到留有一定的余量，所以选择滤波参数电容的电容值为2 0 p f 。 电路图如图3 1 0 ： 该滤波器同时实现了我们前面提到的两个功能： 抑制带外白噪声 抗混叠滤波 l 18矾 c l ki n r _ l 2 7 i 。 i v 。0 、 v + i 。 6 i i 。 3 o p o 如q 旷i 1 45o u t o p i no u t 图3 1 0 基于m a x 2 9 1 的滤波器实现 3 4 放大模块的实现 3 4 1 仪用放大器介绍 传感器获得的管道泄漏信号是极其微弱的信号，根据能量统计算法的要求，需 要把该微弱信号映射到 一5 v ，+ 5 v 范围内，这就要求采用放大模块。 传感器信号的放大电路般采用运放来实现，因为运放具有阻抗高、增益大的 特点。比较常用的有反相放大、同相放大、差动放大等几种经典放大电路。但是当 传感器与这些经典的运放组合时存在以下问题： 传感器输出阻抗一般不为0 ，会产生比较大的失调和漂移。因为传感器的输出相 对于后级电路而言可以看作电源，我们希望传感器的内阻越小越好： 硕士学位论文管道泄漏信号采集与处理技术研究 对于非理想放大器，同时满足以下三个条件是不可能的：增益平衡、输入阻抗 平衡、偏流平衡。 传感器存在引线电阻和输出噪声，通常这会产生比较大的共模误差，普通运放 的共模抑制比不够高； 极端情况下，传感器的输出电压甚至可能大于运放的供电电压，这将导致电路 烧坏。举一个最简单的例子，传感器输出的两端，一端电压为1 0 v ，另一端电 压为1 0 1 v ，当直接接到用5 v 供电的运放的两个输入端，假如在输入输出之间 没有电流隔离的情况下，将直接导致放大器烧坏。 基于以上考虑，本文在放大模块的设计中，采用了仪用放大器。下面就仪用放 大器的特点作个简要的描述。 仪用放大器( i a ) 又称为数采放大器、数据放大器、测量放大器，专用于测量 两个输入端之间的电位差，并以设定的增益进行放大。其输入电阻高达1 0 9 欧姆， 共模抑制比达1 0 6 分贝。根据这些特性，来看看仪用放大器是如何解决以上提到的 普通放大器存在的问题的。 首先，由于i a 的极高的输入电阻，所以传感器的输出阻抗可以忽略。第二， 由于i a 的对称结构，可以实现增益平衡、输入阻抗平衡和偏流平衡。第三，【a 的 共模抑制比很高，可以解决共模误差的问题。第四，由于i a 测量的是两个输入端 之间的电位差，而不是直接测量两个输入端，所以即使两个输入端电压很高也不会 烧坏放大电路。 下面是i a 的原理图： 图3 1 1 仪用放大器的原理图 一1 8 一 硕士学位论文管道泄漏信号采集与处理技术研究 从图3 1 1 可以看出，i a 的第一级为同相放大器，其特点是输入阻抗大，输出 阻抗小，第二级为差动放大器，其特点是形成对称结构，以实现高的共模抑制比。 下面对i a 的放大效果进行数学推导： 吃- ( 1 + 彘儿 - ( 1 + 彘崃 第一级放大倍数： 匕二丘：1 + 旦( 3 1 6 ) + 一k 。一 r g 2 第二级放大倍数： l r 3 ( 3 1 7 ) 圪一 r 2 所以i a 放大倍数为： 爿。= 一瓮 面2 r 1 j ( 3 1 8 ) 在使用仪用放大器的过程中，需要注意几个问题： r g 应该尽量靠近第一级的两个运放，否则将引入导线电阻。若由于环境局限不 得不离的远一些，则应使用双绞线： v o u t 可能离放大器比较远，导致衰减。则当v o u t 离放大器比较远的时候，敏感 端s 就不能再接到w ，而应该接到v o u t 端； 参考端k 是用来调节v o u t 的电位的，比如k 不是接地而是接5 v 电位，则 v o u t = g o u t + 5 ，从而实现抬高输出电压的目的，若要降低输出电压，方法也是类 似的。 3 4 2 放大电路的实现 前面仔细分析了仪用放大器的特性，从中我们可以发现仪用放大器特别适合于 高精度的应用。本文设计的放大模块正是使用仪用放大器。 a d 6 2 0 是一种低功耗、高精度仪用放大器，它只需外接一个电阻，即可设置各 种增益( 1 1 0 0 0 ) ，a d 6 2 0 与分离元件组成的仪用放大器( 三运放结构) 相比具有 体积小、功耗低、精度高等优点。 a d 6 2 0 的主要特点有“： 功耗低：l3 m a ( 最大耗散电流) 电源电压范围宽：2 3 v 1 8 v 性能优于三运放结构的仪用放大器 硕士学位论文管道泄漏信号采集与处理技术研究 优良的直流特性 输入失调电压低：1 2 5 u v ( 最大失调) 输入失调电压漂移小：l u v 。c ( 最大失调) 输入偏置电流低：2 o n a ( 最大偏置电流) 共模抑制比高：9 3 d b ( 当g = 1 0 时) 噪声电压低 频带宽：1 2 0 k h z ( 当g = 1 0 0 时1 建立时间短( 达到0 0 1 时仅1 5 u s ) 优良的交流特性 a d 6 2 0 的引脚图如下： a d 6 2 0 内部原理图如下： r g n * i n - v s r g + v t o u t p u t r e f 图3 1 2a d 6 2 0 引脚图 0 u t p u t r e f _ v s 图3 1 3a d 6 2 0 内部原理图 a d 6 2 0 的内部原理图如图3 1 3 所示，从图中可以看出，它是根据三运放仪用放 大器改进的单芯片型仪用放大器。单片结构形式和激光晶片修整技术允许电路元件 硕士学位论文管道泄漏信号采集与处理技术研究 紧密匹配和统调，从而保证了该芯片具有良好的电气性能。为了达到高精度，三极 管0 1 和q 2 提供了一个差分对双极性输入，通过q l a 1 一r l 环路和q 2 一a 2 一r 2 环路 反馈，使q 1 和q 2 的集电极电流恒定，并使输入电压加到外接增益设置电阻r g 上 面，此时差分增益为： g ：r 1 + r 2 + 1 ( 3 1 9 ) 胄g 从式3 1 9 中可以得到增益g 和外接增益设置电阻r g 的关系。 需要注意的是在图3 1 3 中r 3 和r 4 的作用是提高a d 6 2 0 的输入过载能力。 本文设计的放大模块如下： 3 5 信号采集模块设计 a d 6 2 0 三 图3 1 4 放大模块设计 在本模块设计中，本文采用的是利用单片机作为主控者，操作专用且成熟的信 号采集芯片实现信号采集。所以在本部分首先对单片机和信号采集芯片作一个简单 介绍，然后分析如何实现该模块。 3 5 1 单片机简介 单片机就是在一块硅片上集成了c p u ( e p 央处理器) ，存储器( r a m 、r o m 、 e p r o m 、f l a s h 等) 和各种输入输出接口( 定时器、计数器、并行i o 口、串行口、 a d c 以及脉冲调制器p w m 等) ，这样的一块芯片具有一台计算机的功能，因此被 称为单片微型计算机“。 本模块的设计采用的单片机是a t m e l 公司的a t 9 0 s 8 5 3 5 单片机，其特点如下： 采用r i s c 结构。r i s c 单片机不是简单的把指令系统进行简化，而是通过简化指 令的途径使单片机的结构更加合理，以减少指令的执行周期数，从而提高运算 速度。其特点是：指令数量少( a v r 系列单片机仅1 1 8 条指令，且大多数为单指 令周期) ：指令长度比较固定，指令格式种类少，所以译码也相对简单；拥有优 颁士学位论文管道泄漏信号采集与处理技术研究 化的编译器。 寄存器多。拥有3 2 个8 位通用寄存器( r o r 3 1 ) ，从而可以用于存放中间数据 和优化对操作数的访问，提高了处理器的性能。例如寄存器中某一数据需要写 回存储器保存，而稍后又需要从存储器中再把该数据读出。如果寄存器数量众 多，则可以把该数据保留在寄存器中，下次就直接从寄存器中读取而无需访存， 从而加快了程序的执行速度“。 速度快。由于大多数指令只需要1 个时钟周期，所以当工作在8 m h z 时具有 8 m i p s 的性能。 拥有8 k 字节的在线可编程f l a s h ，5 1 2 字节的s r a m 两个定时器计数器 全双工的u a r t ，可以和计算机串口相接口 其工作电压为4 o v 6 o v a t 9 0 s 8 5 3 5 的结构图如图3 1 5 。 d n 7 图3 1 5a t 9 0 s 8 5 3 5 结构方框图 硕上学位论文管道泄漏信号采集与处埋技术研究 a v r 核将3 2 个通用寄存器和丰富的指令集联结在一起。所有的通用寄存器都与 a l u 直接相连，允许在一个时钟周期内执行单条指令同时访问两个独立的寄存器。 正是这种结构提高了效率，使a v r 得到了比普通c i s c 单片机高将近1 0 倍的性能。 a v r 单片机有4 个双