【《泄漏超声检测系统的泄漏检测试验及结果分析案例》4500字】

泄漏超声检测系统的泄漏检测试验及结果分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u23232泄漏超声检测系统的泄漏检测试验及结果分析案例 184741.1聚音器性能测试 1313521.2泄漏检测系统实验平台搭建 2184461.3实验数据采集与分析 3300621.3.1确定压力和检测距离 43401.3.2确定孔径和检测距离 6241251.3.3确定压力和泄漏孔径 9203881.4泄漏超声信号特征提取与识别 111.1聚音器性能测试根据聚音器的设计尺寸和仿真结果，定做高为140.9mm，大端直径为50mm，小端直径为13.5mm，厚度为2mm的钢材料锥形管，作为声放大设备。如图4-1为聚音器实物图。图4-1聚音器实物图Fig4-1therealpictureofthepolymer为了检测聚音器对声压的放大效果，搭建临时试验系统，声源由EM282超声发射器提供，该仪器可以发射频率为40kHz2kHz的正弦超声信号，用来模拟泄漏声源，经聚音器及调理电路后，使用Pico示波器对超声信号显示，聚音器性能测试系统如图4-2所示：计算机计算机调理电路与采集系统传感器聚音器声源图4-2聚音器性能测试系统Fig.4-2PolymerPerformanceTestSystem图4-3中的（a）,（b）分别为无聚音器和有聚音器对应的声波波形。（a）无聚音器信号波形图（b）有聚音器信号波形图图4-3有无聚音器信号幅值对比图Fig.4-3.Amplitude-valuecomparisonofsignalswithorwithoutamuffler从图4-3可知，（a）中信号声压为0.86V，（b）中信号声压为2.4V。经过聚音器后，超声信号幅值被放大2.79倍，符合设计要求。1.2泄漏检测系统实验平台搭建为了对压力容器泄漏检测系统功能进行检验和对微小泄漏孔径的定量检测，设计模拟真实压力容器泄漏实验平台，并结合泄漏过程中的物理因素的影响对泄漏信号进行研究。声源部分主要由气源、压力容器、输气管、调压阀、计量级压力表和泄漏孔组成。气源通过输气管结合调压阀给压力容器供气，计量级压力表可以动态的显示容器中的压力。根据本课题的研究对象与要求，定做一个罐体作为压力容器，可储存气体。容器有四个孔，分别用来装压力表、输气口和泄漏孔。压力容器实物图如图4-4所示，空压机物图如下图4-5所示：图4-4压力容器 图4-5空压机Fig.4-4Pressurevessel Fig.4-5Aircompressor实验系统平台由空压机、储气罐、聚音器、信号调理电路、信号采集系统和上位机组成。空压机结合调压阀通过输气管将压力容器通入空气，由于容器外面为标准大气压，容器内外形成非常大的气压差。整个测试系统实验平台工作过程就是：由于容器内外压力差的作用下，在泄漏孔附近产生一定频率的超声波，微小的超声信号经聚音器后，声压幅值被放大，通过信号调理电路对超声信号进行放大、滤波等，数据采集系统可以完成对泄漏超声数据的采集存储工作，采集完成的信号可以在LabVIEW上位机中显示，分析以及进一步的通过编写算法，完成对信号特征提取与对泄漏孔径的识别。压力容器泄漏检测实验平台实物图如图4-6所示：图4-6压力容器泄漏检测实验平台实物图Fig.4-6Physicaldiagramofpressurevesselleakdetectionexperimentalplatform1.3实验数据采集与分析在气体泄漏过程中，泄漏孔径、气压、检测距离、检测系统内部噪声等因素对泄漏信号都有非常大的影响。为了更好的研究泄漏超声信号的影响因素，论文将采用控制变量法，即控制孔径、气压，检测距离三个变量中的两个变量，研究另外一个变量对泄漏超声信号的影响。分别对以下三种实验条件的泄漏超声信号进行分析：（1）确定孔径和检测距离，研究不同压力下泄漏超声信号变化；（2）确定压力和检测距离，研究不同孔径下泄漏超声信号变化；（3）确定孔径和压力，研究不同检测距离下泄漏超声变化。1.3.1确定压力和检测距离在图4-6中，在空压机和储气罐之间连接调压阀，用来调节储气罐中的气压，调压阀和泄漏孔的共同作用使得储气罐内部处于恒压环境。通过调节，将储气罐内的压力调节为40kPa。聚音器中心和漏孔对中，固定超声接收传感器位置与泄漏孔距离为240mm，打开气源并通过泄漏孔产生超声信号。泄漏超声信号通过压电超声传感器，经信号调理电路的放大、滤波及采集系统后上传到上位机进行处理分析。分别采集0.3mm~1.0mm漏孔对应的数据，对其进行分析，图4-7为无泄漏时系统本底噪声的时域波形和频谱图，从图中可以看到，无泄漏时系统本底噪声幅度较小，可以忽略。（1）本底噪声时域图 （2）本底噪声频域图图4-7无泄漏时系统本底噪声时域和频域波形图Figure4-7Waveformsintimedomainandfrequencydomainofsystembackgroundnoisewithoutleakage图4-8分别给出了直径为0.3mm、0.5mm、1.0mm的3种典型漏孔对应的泄漏信号波形及频谱图：（a）0.3mm孔径对应的时域波形图 （b）0.3mm孔径对应的频谱图（c）0.5mm孔径对应的时域波形图 （d）0.5mm孔径对应的频谱图（e）1.0mm孔径对应的时域波形图 （f）1.0mm孔径对应的频谱图图4-840kHz压电传感器接收到信号波形图Fig.4-8Waveformofthesignalreceivedbythe40kHzpiezoelectricsensor图4-8中，（a），(c)，(e)为0.3mm~1.0mm泄漏孔径所产生超声波信号时域图，从各个孔径所对应信号的时域波形可以看出，在超声传感器与泄漏孔测试距离不变的情况下，当泄漏孔的直径逐渐增大时，压力容器泄漏超声的最大幅值逐渐增大，当泄漏孔为0.3mm时，信号幅值约为0.02V，孔径为0.5mm时，信号幅值约为0.07V，孔径为1.0mm时，信号幅值约为0.5V。（b），(d)，(f)为0.3mm~1.0mm信号频域图，从频域可以看出，信号的中心频率为40kHz，验证了滤波器电路的有效性，且在40kHz频点的频谱幅值也随孔径的增大而增大。对于非平稳、非线性信号的处理，有效值是衡量泄漏超声信号能量大小的一个重要指标，因此在信号处理问题中，有效值计算是常用的数据处理手段[54]。一般采用时域方法计算有效值，即根据定义计算有效值总量，计算公式为： （1.1）式（1.1）中，RMS表示有效值总量，T为样本信号长度，在本文中T取8000点，为信号电压值。分别计算连续采集五组数据的有效值，并求取最大值，取其分贝值计算如下： （1.2）式（1.2）中，表示各个孔径信号有效值最大值，表示无泄漏时本底噪声的有效值最大值，Gp1为各个孔径泄漏超声信号有效值最大值的分贝表示，计算得到信号最大值和孔径之间的关系为：图4-9孔径-有效值最大值变化图Fig.4-9Variationdiagramofaperture-maximumeffectivevalue 从图4-9可以看出，在0.3mm~1.0mm范围内，随着孔径的增大，泄漏信号的有效值也增大，孔径在0.3mm~0.8mm内，信号有效值最大值与泄漏孔径呈明显线性变化趋势，变化斜率较大，孔径大于0.8mm后，信号有效值最大值缓慢增加，变化斜率较小。1.3.2确定孔径和检测距离设置超声接收传感器位置与泄漏孔距离为500mm，装配孔径为1.0mm的泄漏孔，分别采集容器压力范围在0~60kPa下时泄漏孔所产生的超声波信号。如图4-10为不同压力下泄漏超声信号：（1）5kPa压力下信号时域波形 （2）5kPa压力下信号频域图（3）40kPa压力下信号时域波形 （4）40kPa压力下信号频域图（5）60kPa压力下信号时域波形 （6）60kPa压力下信号频域图图4-10不同压力下泄漏信号时域和频域图Figure4-10Timedomainandfrequencydomaindiagramsofleakagesignalunderdifferentpressures如图4-10分别为5kPa、40kPa和60kPa压力下信号信号时域和频域图。（1）、（3）、（5）分别为时域波形图，（2）、（4）、（6）分别为信号频谱图。从图4-10中可以看出，当检测距离不变的情况下，容器压力增大时，信号幅值也增大。容器压力为5kPa时，泄漏超声信号幅值约为0.02V；容器压力为40kPa时，信号幅值约为0.17V；当压力为60kPa时，信号幅值增大到0.38V。同上述方法，分别对每个压力点提取五组数据，计算五组数据的有效值，并求取最大值，取最大值的分贝值： （1.3）式（1.3）中，表示各个压力点信号有效值最大值，表示压力为零时系统噪声的有效值最大值，Gp2为各个压力点泄漏超声信号有效值最大值的分贝表示，计算得到信号最大值和容器压力之间的关系为： 图4-11容器压力-有效值最大值变化图Fig4-11ContainerPressure-MaximumValueChangeChartofEffectiveValues 如图4-11为信号有效值最大值与容器压力之间的关系图，结合4-10和4-11可以得出：在泄漏孔径确定的情况下，容器压力增大，泄漏超声信号有效值也随之增大。容器压力在0~35kPa时，信号有效值最大值与容器压力呈线性关系，变化斜率较大，增加较快；35kPa~60kPa之间，信号有效值最大值随压力增大变化趋于缓慢。1.3.3确定压力和泄漏孔径 为了对压力容器泄漏超声检测系统的有效范围进行测试，将测试装置固定在移动导轨上，移动测试装置，调整传感器与泄漏源之间的距离，通过各采集点的波形研究传感器与泄漏声源的距离对泄漏检测的影响。检测装置检测装置声源导轨图4-12检测距离变化测试示意图Fig4-12Detectiondistancechangetestschematic 如图4-12为检测距离变化测试示意图，在实验中，以0.7mm的泄漏孔为例，通过调压阀将压力容器内部压力调整为40kPa，检测装置与泄漏源位置对中，并设置初始距离为200mm，不断移动检测装置，增大两者之间的水平距离，导轨上有数字刻度，用来记录距离。如图4-13为选取的三个测试点的信号波形图：（a）200mm处信号波形时域图 （b）200mm处信号频域图（c）800mm处信号波形时域图 （d）800mm处信号频域图（e）1400mm处信号波形时域图 （f）1400mm处信号频域图图4-13检测距离变化测试波形图Figure4-13Detectiondistancechangetestwaveformchart在图4-13所示，（a）,（c）,（e）分别为200mm、800mm、1400mm测试距离下泄漏信号时域波形，（b）、（d）、（f）为对应的频域图。从图中得出，在传感器距离泄漏源200mm时，泄漏信号幅值为0.9V；距离为800mm处，测得泄漏信号幅值为0.28V；在距离泄漏源1400mm处，测得泄漏信号幅值为0.15V。同样求取信号有效值最大值，取最大值的分贝值： （1.4）式（1.4）中，表示不同测试距离下信号有效值最大值，表示系统本底噪声的有效值最大值，Gp3为各个测试点处泄漏超声信号有效值最大值的分贝表示，计算得到信号最大值与检测距离之间的关系为：图4-14 检测距离-有效值最大值关系图Fig.4-14Relationdiagrambetweendetectiondistanceandmaximumeffectivevalue图4-14为泄漏超声信号有效值最大值与检测距离之间的关系，从图中可以看出，当传感器与泄漏源距离在200mm~1500mm内，随着检测距离的增大，有效值最大值下降趋势较陡，说明在距泄漏源1500mm内，泄漏声波的衰减较为严重，主要是由于泄漏声波产生后，在空气中传播时由于声波波阵面的面积扩大产生扩散衰减，使得泄漏声能下降。而在1500mm~4500mm区间，泄漏声波的有效值最大值下降趋势趋于缓慢。另外从图4-13的曲线中可以看出，在4500mm测试距离处，泄漏超声信号有效值最大值趋于零，此时的信号有效值大小接近系统本底噪声值，说明在距离泄漏源4500mm处，检测系统无法接收到有用信号，即对于0.7mm泄漏孔，系统的有效检测范围为4500mm。1.4泄漏超声信号特征提取与识别 由前面实验可知，影响泄漏声波的测量因素主要有三个，容器内外压力差、泄露孔径和测试距离。在一定范围内，压力容器内外压力差越大，泄漏声能越大；泄漏声波的能量与孔径大小有关，且孔径越大，声波能量越大，孔径和泄漏声信号有效值最大值之间有较好的线性关系；由于受扩散衰减和吸收衰减的影响，泄漏声波在空气中传播时，声波能量会随距离的增大逐渐减弱。经过大量的实验数据分析，要实现对压力容器具体泄露孔径的测量，需要采取控制变量法，将固定测试距离和容器内外压力差。本文根据实验规律和泄漏检测实际要求，利用