【《泄漏超声检测系统设计的案例分析》8100字】

泄漏超声检测系统设计的案例分析目录TOC\o"1-3"\h\u623泄漏超声检测系统设计的案例分析 1326041.1系统整体系统设计方案 140741.2泄漏超声检测的硬件系统搭建 2262881.2.1超声波传感器的选择 2117081.2.2信号调理电路 321651.2.3采集系统 7294111.3泄漏超声检测软件系统设计 9259161.1.1泄漏超声检测软件整体方案 9217501.1.2USB驱动程序安装 10241661.1.3上位机软件程序设计 11290401.1.4孔径表征算法的实现 17160501.4 小结 201.1系统整体系统设计方案图3-1泄漏超声检测系统结构图Fig.3-1Structurediagramofleakageultrasonicdetectionsystem泄漏超声检测系统工作过程为：压力容器如果发生泄漏并产生一定频率的超声波，聚音器可以放大微小泄漏超声声压，在聚音器的小端处放置传感器，便于对超声信号接收。换能器的主要作用是将力学振动信号转换为电信号；阻抗匹配电路是完成信号源和压电换能器之间的阻抗匹配，提高换能器的输出效率[48];带通滤波电路的作用主要滤除干扰信号，减少噪声和其他频率的泄漏超声对检测结果的影响；放大电路是将泄漏超声信号放大，方便后续对信号特征值提取，提高系统检测灵敏度；数字采集电路将滤波放大后的模拟信号通过A/D转换为数字信号，由USB上传至计算机，计算机通过上位机完成对泄漏信号的处理和泄漏孔径识别。1.2泄漏超声检测的硬件系统搭建1.2.1超声波传感器的选择超声传感器是一种将声信号转换成其它能量信号的传感器，又称超声换能器，是将超声信号转换成电信号的装置。在实际的工程问题中，经常用到的传感器有两种，分别为压电超声换能器和电磁超声换能器。（1）电磁超声换能器是一种在导电金属中利用电动力学法产生超声波的装置，但由于泄漏超声检测系统检测是通过以空气为波导，而非导电金属，所以本系统选用压电式超声换能器作为超声波传感器。（2）压电换能器分为正压电效应和逆压电效应，如图4-2为超声换能器的压电效应和逆压电效应示意图，当外力以一定方向作用于单晶材料时，单晶材料会产生应力和形变。形变的方向和施加力的方向一致，应力形变会使单晶材料的两侧极性聚集很多电极性相反的电荷，从而在材料中形成电压[49]。逆压电效应是材料在外电场力的作用下产生一定的形变，且单晶材料应力形变的大小取决于外电场电压的大小[50]。图3-2压电效应和逆压电效应示意图Fig.3-2Schematicdiagramofpiezoelectricandinversepiezoelectriceffects压电超声换能器是由压电效应原理制作的，当超声换能器作为接收超声信号的传感器时，由于超声也是机械力的一种，此时的压电换能器就因受力发生变形从而产生极化电场，且电压值与力的大小有关，通过电压值即可表示超声信号幅值；当超声换能器作为超声声源时，其工作原理是由于在换能器上加载的变化的电压，使得压电晶体产生变化的形变，从而产生声波。在本系统传感器的选型方面，我们针对泄漏检测系统的检测要求，选出一种比较适合用于接收泄漏超声信号的传感器。目前大多数压电式超声传感器中心频率以40kHz为主[51]，在本系统中拟采用的超声波传感器型号为NU40C16R-1，此传感器尺寸较小、质量轻便、灵敏度高，比较适合用于泄漏检测。该传感器还具有以下一些性能：（1）传感器标称频率：为401kHz；接收灵敏度：-70dB/min；静态电容：2500pf20%；方向角：；（5）检测范围：0.3-15m；（6）分辨率：10mm；而且此传感器在一般环境中本底噪声较低，可以增加系统灵敏度。如图4-3为压电超声传感器实物图：图3-3压电超声传感器实物图Fig.3-3Physicalpictureofpiezoelectricultrasonicsensor1.2.2信号调理电路（1）阻抗匹配电路在超声无损检测中，超声换能器是经常用到的超声检测设备，换能器与电路之间的阻抗匹配是很关键的部分。如果阻抗匹配没有达到要求，换能器接收到的信号能量损失较大，换能效率降低，而且有可能因信号的反射使得换能器损坏[48]。采用高输入阻抗可解决传感器和电路的阻抗匹配问题。所以在本部分电路设计中，需要考虑采用高输入阻抗的运算放大器完成阻抗匹配。在放大器的选型方面，尽量选择阻抗相对较高的运算放大器，在论文中使用LM310，该运算放大器具有较高的输入阻抗和非常低的噪声，如图3-4为阻抗匹配电路：图3-4阻抗匹配电路 Figure3-4impedancematchingcircuit由LM310和几个电阻组成的高输入电压跟随器，在调节高阻抗源的压电传感器中效果明显，将阻抗匹配电路置于压电传感器后，可解决传感器与电路之间的阻抗匹配问题。(2)带通滤波器电路 压力容器泄漏产生的超声信号频率成分多、范围广，但本系统只针对40kHz的信号进行分析，采用硬件电路实现信号带通滤波的处理的方法。信号经过带通滤波电路，到达采集系统，使得采集到的泄漏超声信号即频率为40kHz信号。使用硬件电路滤波可以准确的提取40kHz信号，简化泄漏检测算法，提高泄漏超声检测系统的响应速度。如图3-5为无限增益带通滤波器，电路的实际运用中，通常令，无限增益带通滤波器的传递函数为：（1.1） 无线增益多路负反馈带通滤波器的参数计算公式为：中心频率的增益为，电路品质因数，中心频率为，该电路带宽。图3-5无限增益多路反馈滤波器电路Figure3-5infinitegainmultiplefeedbackfiltercircuit由经验可知，无限增益带通滤波器的电容值与中心频率有关，如表3-1所示。表3-1电容取值Table3-1Valuesofcapacitance中心频率电容100Hz（10-0.1）uF（100-1000）Hz（0.1-0.01）uF（1-10）kHz（0.01-0.001）uF（10-100）kHz（1000-100）pF100kHz（100-10）pF基于以上理论，为了使滤波网络选择性好，信号的通频带要求越窄，本文采用四阶带通滤波器，具有较好的选择性、陡峭的过渡带和较高的Q值，可满足设计要求。选用NE5532作为放大器，NE5532是一种低噪声、高性能的双运算放大器集成电路，其信号带宽可达10MHz、具有电源电压范围大、噪声性能好等优点。本系统中设计的无限增益多路反馈滤波器如图3-6所示：图3-6四阶无限增益多路反馈滤波器Fig3-6.Fourth-orderinfinitegainmultiplefeedbackfilter（3）可调增益放大电路在压力容器的泄漏超声检测过程中，由于压力过小，或者是测试距离远，系统难以检测和接收到有用信号，需要将微小信号放大后再进行检测，所以需要设计超声信号放大电路[52]，如图3-7为可调增益的放大电路：图3-7可调增益的放大电路Figure3-7.Amplifiercircuitwithadjustablegain 由于泄漏孔的超声信号十分微弱，而且超声信号在介质中传播时的衰减的很迅速，一级放大电路有时候不能满足测试要求，所以后续电路需要增加放大电路来增大放大倍数，而在提高放大倍数的同时，系统噪声也会放大，影响检测精度，所以放大电路需要分几步精心设计，来实现对泄漏超声信号的放大。最终设计的泄漏信号调理电路如图3-8所示：图3-8泄漏超声信号调理电路Figure3-8Leakageultrasonicsignalconditioningcircuit在图3-8的信号调理电路中，P1为压电传感器，用于接收泄漏产生的超声波并转换为电压信号，采用高输入阻抗电压跟随器LM310可解决传感器和电路的阻抗匹配问题，经过一级放大和二级放大将未滤波泄漏信号放大，从V1将放大后的信号送到无限增益带通滤波器，完成40kHz超声信号的筛选，再经过可调增益放大路放大信号，实现泄漏超声信号的调理。如图4-9为压力容器泄漏超声检测系统信号调理电路实物图。图3-9泄漏超声信号调理电路实物图Fig.3-9Physicaldiagramofleakageultrasonicsignalconditioningcircuit1.2.3采集系统 数据采集（DAQ，DataAcQuisition）,是指对传感器或者测量电路输入的模拟信号AD转化、数据存储等一系列过程，最终的数字信号可以上传至上位机中完成对信号的分析和处理等工作。本文数据采集系统主要实现对信号采集存储，其结构如图4-10所示。选用AD9432和EP4CE22E22C8N实现信号高速采集并经USB上传至上位机中进行信号处理和分析。FPFPGAFPGAUSB模块电源模块信号调理A/D模块FIFO图3-10数据采集系统结构图Fig.3-10Dataacquisitionsystemstructurediagram（1）A/D采集电路设计采集到的模拟信号转换为数字信号是通过A/D来实现的，为了快速的采集处理超声信号，本文采用AD9432对信号Ａ/D转换，AD9432的模拟输入范围为2Vp-p，模拟输入带宽为500MHz，采样精度达12位，模数转换速率高达105MSPS。AD9432不需要外部电路结构。在工作时只需要一个5.0V电源和一个105MHz的时钟源，如图1.11所示为芯片的功能框图。图3-11AD9432的功能框图Figure3-11FunctionblockdiagramofAD9432A/D前端处理电路设计为了获得更高的信噪比，因此A/D输入端需要差分输入。由于超声信号转换成的电信号，经过滤波器输出的是单端信号。因此在A/D采集之前需要选用一款超低噪声的差分放大滤波器转为差分信号。本文选用的是LT公司生产的型号为LT6600芯片。单端/差分转换电路由差分运算放大器LT6600-10和基准电压源REF3030构成。LT6600-10是一款超低噪声差分放大及抗混叠滤波器芯片。低噪声的全差分放大器将单端信号转换为差分信号，10MHz的低通滤波器用来滤除高频的噪声。REF3030输出3V的正电压，额定工业温度范围为-40℃~125℃。AD9432芯片要求模拟信号的共模电压为3V，基准电压源REF3030为LT6600-10的VOCM引脚提供精准且稳定的3V直流电压，对LT6600-10的输出信号的共模电压设置。LT6600-10的差分增益为内部电阻/外部电阻，内部反馈电阻为402Ω，为了将增益设置为1，选用402Ω电阻的外部电阻。差分输入正端VIN+接0.1uF去耦电容和402Ω电阻输入泄漏超声信号，差分输入负端VIN-通过0.1uF去耦电容和402Ω电阻接地。图3-12A/D前端处理电路Figure3-12A/Dfront-endprocessingcircuit1.3泄漏超声检测软件系统设计压力容器泄漏超声检测软件部分是结合泄漏超声检测硬件系统功能和实际检测需求以LabVIEW软件作为开发平台完成的。泄漏超声检测软件是一款包括系统参数设置、泄漏超声信号波形显示，信号频谱、有效值实时显示，数据存储和泄漏孔径显示等功能的交互性界面。大多数传统的开发环境都是基于文本语言来生成代码的。LabVIEW是一种NI公司开发的虚拟仪器软件，是可以通过图形控件实现对界面的设计[53]。LabVIEW开发软件是通过拖动相应的控件组成程序结构和设置一些参数来实现所需的功能。LabVIEW软件维护相对简单方便。NI还开发了各种特殊工具包，可与LabVIEW结合使用，以实现不同技术领域的需求。LabVIEW程序设计具有开放性和可扩展性，良好的跨平台可移植性等优点使其在工程应用领域中得到了应用，软件开发的范围越来越广泛。1.1.1泄漏超声检测软件整体方案本课题开发的泄漏超声检测实验应用软件主要实现的功能是对泄漏超声信号进行采集和利用波形图显示和数据存储程序。数据处理是将采集到的泄漏超声信号进行特征值提取，设计孔径识别算法，计算出当前泄漏孔径值。数据存储是将采集到的泄漏超声信号存储于计算机中，用来研究和处理。根据泄漏超声检测具体实验需求，本论文开发的泄漏超声检测软件应用包括三个主应用，分别为单点测试界面、标定实验界面和连续采集界面，泄漏超声检测系统工作流程如图3-13所示：图3-13泄漏超声检测系统工作流程图Fig.3-13Flowchartofleakageultrasonicdetectionsystem1.1.2USB驱动程序安装硬件系统采集的超声信号通过USB2.0接口技术上传到计算机，计算机接收数据需要对USB设备操作。USB2.0接口技术作为硬件系统与软件系统的媒介，USB设备与硬件系统的通信通过USB固件程序实现，而USB设备与软件系统的通信通过NI-VISA的驱动程序实现。使用美国国家仪器开发公司开发的高级API接口NI-VISA，只需采用NI-VISA开发USB的驱动设备，LabVIEW对USB设备操作，则可以与硬件设备进行通信。计算机识别外接硬件设备需要获取产品识别码PID和供应商识别码VID，而硬件设备驱动程序的安装文件INF中就包含了产品识别码和供应商识别码，因此USB的识别需要先获取INF文件。USB驱动安装步骤为：安装NI-VISA，利用NI-VISADriverWizard(驱动安装向导)生成INF文件，打开驱动安装向导，硬件总线选择为USB设备，选择硬件设备的供应商识别码VID和产品识别码PID。供应商识别码VID和产品识别码的获取方法如下图3-14所示：图3-14供应商识别码和产品识别码获取方法图Figure3-14SupplierIDandProductIDObtainingMethodDiagram 当计算机系统检测到已连接硬件设备后，在设备管理器中可以查看PID和VID的信息，并且生成INF文件。将生成的文件放到计算机系统INF文件夹内，安装INF文件，完成驱动的安装。1.1.3上位机软件程序设计（一）单点测试界面 单点测试机界面的作用是检测程序是否能正确运行，即泄漏超声信号是否能完整的显示在界面中。因此，在单点测试界面中，只包含I/O口的选择，数据采集控制按钮，数据波形显示界面、采集停止按钮功能。点击“采集”按钮可以开始采集泄漏超声信号，点击“停止按钮”停止采集，波形图中可以设置采样点的数目。单点测试界面如图4-15所示：图3-15压力容器泄漏超声检测系统单点测试界面Fig.3-15Singlepointtestinterfaceofpressurevesselleakageultrasonicdetectionsystem单点测试后台程序的总体结构由“事件结构”和“while循环结构”构成。在该程序中，软件的初始化是由“VISA资源名称”控件完成的，通过“VISA打开”控件打开端口。当1ms内无事件发生则进入事件超时结构，开始采样过程。单点测试的后台程序如图3-16所示：图3-16单点测试的后台程序Fig.3-16Thebackgroundforasinglepointtest单点采样过程包括以下步骤：（1）软件初始化设置：系统启动后，LabVIEW通过程序查找已连接的硬件设备，选择硬件设备I/O端口名称，然后需要正确选择I/O端口，完成软件的初始化，否则系统将无法正常工作。硬件设备I/O端口是通过“VISA打开”函数配置，通过“VISA资源名称”连接到设备I/O端口，VISA资源和上位机的数据通道被建立起来。VISA打开函数如图3-17所示：图3-17VISA打开函数Fig.3-17Visaopenfunction（2）控制命令：泄漏检测软件界面可以通过下发指令来实现对硬件系统的控制，如“采集”命令就是上位机通过USB将采集启动命令下传至硬件系统，硬件系统接收到命令后开始采集信号。控制命令是通过“VISAUSB控制输出”函数来控制，可以设置从主机至设备的请求命令，请求类型为0x40，请求命令为0xA1。“VISAUSB控制输出”函数如图4-18所示：图3-18“VISAUSB”控制输出函数Fig.3-18"VISAUSB"controloutputfunction（3）数据波形显示：硬件系统收集的数据通过USB总线传输到检漏软件，并在界面中以波形形式显示。数据的读取使用“VISA读取”函数，读取泄漏超声信号。“VISA读取”函数如图3-19所示：图3-19“VISA读取”控件Fig.3-19"VisaRead"control在设置USBBulk-In属性节点时，将USB的端点设置为端点6，采样数据通过VISA读取函数读入缓冲区。由于采集到的泄漏超声信号是12Bit的二进制数据，最高位为符号位。在硬件系统中，芯片的采样结果为-2048至2047，采样范围为2V，由于有3V的偏置电压，-2048至2047表示的电压范围为2V至4V。在上位机波形图中正常显示，需要将12Bit数据转换为信号幅值，数据转换程序如图3-20所示：图3-20数据转换程序图Fig.3-20Dataconversionprogramdiagram利用for循环提取字节数组中的元素，将数组元素按照低八位和高八位索引出来，然后进行数组拼接，表示为一个数据。通过程序判断符号位的正负，将判断结果作为条件语句，若符号为正，则程序执行条件结构真分支；若符号位为负，则程序执行条件结构假分支，-2048至2047的数据换算为2至4的换算公式为： （1.2）在式（1.2）中，为泄漏超声数据，“3”为共模信号幅值。（二）标定实验界面 标定实验界面是用于对泄漏超声信号进行孔径的标定，标定实验界面如图3-21所示：图3-21标定实验界面Fig.3-21Interfaceofcalibrationexperiment 本论文要完成对泄漏孔径的测量，需要对泄漏孔产生的超声信号进行信号处理，首先要将泄漏超声信号存储于计算机硬盘中，并提取泄漏超声信号特征值，作为泄漏孔表征的依据。标定实验界面的程序如图3-22所示：图3-22标定实验程序图Figure3-22calibrationexperimentprogramdiagram标定实验包括以下步骤：（1）泄漏孔确定：从键盘写入当前标定泄漏孔的孔径值（2）数据存储：超声波泄漏检测软件将不同泄漏孔超声波信号作为二进制文件保存在计算机硬盘中。为了保证信号处理结果的准确性，本系统实现点击一次采集按钮，计算机将对泄漏超声信号连续启动五次采集、存储过程。数据存储程序如图3-23所示：图3-23泄漏超声信号数据读取与显示程序Figure3-23Leakageultrasonicsignaldatareadinganddisplayprogram（三）连续采集界面连续采集界面完成了对压力容器泄漏孔径的测量，在此界面中，包括泄漏超声信号的动态获取，并且动态的计算出泄漏超声信号的有效值和用于频谱分析的频谱图、信号的中心频率、频谱的谱峰值，最后根据上述信号特征值，编写特征提取算法及孔径识别算法，完成泄漏孔径的测量。连续采集界面如图3-24所示：图3-24连续采集界面Figure3-24ContinuousCollectionInterface 连续采集界面中包括发送启动采集命令、读取泄漏超声信号、信号波形的显示、数据的存储等过程。其中发送启动采集命令、读取泄漏超声信号、波形的显示与单点测试程序相同，数据的存储与标定实验中相同，不同的是连续采集中包含特征值提取算法以及孔径识别算法等程序。连续采集界面程序图如图3-25所示：图3-25连续采集界面程序图Figure3-25ContinuousCollectionInterfaceProgramDiagram连续采集界面主要是完成数据处理及孔径表征，计算其频谱，中心频率，有效值等数据。如图3-26为连续采集界面主要功能介绍：（a）信号波形图(b)信号有效值（c）信号频谱图（d）谱峰值变化图图3-26连续采集界面主要的功能Fig.3-26Mainfunctionsofthecontinuouscollectioninterface1.1.4孔径表征算法的实现压力容器泄漏孔识别是本系统最终要完成的任务，也是整个系统中最关键的部分。泄漏孔径识别的研究主要内容分为两部分，即特征提取与孔径识别。特征提取和孔径识别主要指泄漏超声检测系统通过提取信号中的有用信息，与泄漏孔径建立数学模型，达到准确表征孔径的目的。而信号特征提取是压力容器泄漏超声检测的关键步骤，该过程通过分析、处理所采集的泄漏信号，以便提取可以表征泄漏孔的特征值。对于泄漏超声信号来说，非平稳性，非线性和强噪声（例如系统噪声和电动机运行噪声）是影响信号特征提取的三个主要因素。因此，消除这些因素对泄漏信号特征提取的影响是泄漏孔检测中较为困难的部分，它直接关系到压力容器泄漏超声波检测在孔径测量中的精度。互相关算法具有很好的去噪功能，可以提高系统的抗干扰性。本文首先将顺序采集的两组信号进行互相关运算，然后用其有效值表示互相关信号的能量，两个信号之间的互相关函数可表示为：（1.3）式1.3中为当前时刻采集系统采集到的泄漏超声信号，为经过时间差为后采集到的泄漏超声信号。为两信号进行互相关后的值。在程序中，先将两信号进行中值滤波，然后进行互相关运算并求计算后的有效值。算法的实现是在MathScript中完成的，MathScript的语法、函数和matlab非常相似，易于上手，在编程前需要安装MathScript工具包。安装MathScript工具包并使用MathScript节点进行编程以实现泄漏检测算法。对泄漏的超声波进行信号处理。程序实现的过程为：首先是去除信号直流分量，然后利用中值滤波去除信号中的奇异点，完成信号预处理，最后将两信号进行互相关运算。信号互相关运算的Mathscript节点算法子VI如图3-28所示：图3-27互相关算法子VIFig.3-27crosscorrelationmethodVI泄漏孔径的识别实质上就是一种状态的识别，就是依据特征向量在特征空间中的位置对状态进行分类。泄漏孔径的识别使用相似度计算算法，其识别原理是利用在同一测试环境下，同一孔径的泄漏孔所产生的超声信号特征参数值相差最小，比对被测超声信号特征值与原数据库中标准值之间的相似度，通过相似度大小完成泄漏孔的分类与判别。泄漏孔径识别算法结构如图3-28所示：图3-28泄漏超声检测算法结构图Fig.3-28StructureofUltrasonicDetectionAlgorithmforLeakage在本系统中使用欧式距离值表示被测试泄漏信号的特征参数值与原系统数据库中参数值之间的相似度，也就是利用实验数据与数据库数据的欧氏距离值作为分类依据，区分孔径值，完成泄漏孔径的识别。泄漏孔径识别算法具体实现步骤为：步骤一：通过顺序采集五组泄漏超声信号并两两作互相关运算，计算其互相关信号的有效值，通过组合称为一个特征参