基于单片机的气体泄漏超声波检测系统的设计Word格式文档下载.doc

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5.1　防焊 20

5.2　文字 20

5.3　加工 21

5.4　成型 22

第六章 品质管理分析 24

6.1　工艺审查和准备 24

6.2　基材的准备 25

6.3　数控钻孔 25

结　束　语 26

致　　谢 28

参考文献 29

31

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

第一章引言

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。

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。

1.1方案的选择与论证

1.1.1方案一

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

1.1.2方案二

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。

1.1.3方案三

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。

第二章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]:

（2.1）式中,L为垂直方向距离喷口1m处的声压级（单位:

dB）;

D为喷口直径（单位:

mm）;

D0＝1mm;

P0为环境大气绝对压力;

P为泄漏孔驻压。

由此可知,在与泄漏孔的距离一定时,泄漏超声的声压级是随泄漏孔尺寸和系统压力的变化而变化的。

泄漏产生的超声波频带比较宽,一般在20kHz到100kHz之间。

在不同的频率点,超声波的能量是不同的。

实际上,它的频谱峰值也是随泄漏孔的尺寸和压力的变化而变化的。

比如:

在一定的泄漏孔径和压力下,如果泄漏超声波的频谱峰值是在38kHz点,那么加大孔径以后它的频谱峰值可能出现在36kHz点;

如果孔径不变,加大系统内外压差,频谱峰值可能出现在43kHz点。

但是在同一频率点,对于形状相同的泄漏孔,泄漏所产生的超声波的声强随泄漏量的增大而增大。

另外,如果泄漏量恒定,即泄漏面积一定,则泄漏孔的形状越接近于圆形,声压越高。

当泄漏孔的雷诺数用式

（2）表示时,在40kHz点声压与雷诺数之间的关系如图2-2所示。

图2-2声压级与雷诺数的关系

（2.2）

式中,ρ为气体密度;

μ为粘度;

V为流速;

D为力学平均直径。

由图2-2可知,如果能检测出泄漏孔附近在某一个频率点的声强,则可以推算出该泄漏孔的雷诺数。

对于该泄漏孔,由于它的力学平均直径是确定的,所以这时雷诺数与气体泄漏量成正比关系。

但是对于不同的泄漏孔,并不知道它的力学平均直径,因此光知道雷诺数还不能求出泄漏量。

在工业上,对于管道气体,由于有源源不断的气体补给,管道里面的气压一般都是恒定值。

而对于工业容器,由于小孔泄漏的泄漏量非常微弱,容器当中的压力变化非常缓慢,所以可以认为在一段时期内是恒定值。

当系统内外压力一定时，对于不同的泄漏孔，它的泄漏流速都是一定的，可以用公式（2.3）来表示:

（2.3）

式中,V为气体流速;

p为管内压力;

T1为绝对温度;

σ＝P0/P;

R为气体常数;

K=,对于空气,k=1.4,则K=2.646。

当雷诺数、气体流速知道以后,就可以反求出该泄漏孔力学平均直径D,即可得出泄漏量。

通过以上分析得出:

只要能检测出距离泄漏点一定距离的超声波在某一个频率点的强度,再给出泄漏系统内外压力,就可以估算出气体泄漏量。

第三章超声检测电路设计原理与各单元电路的概述

3.1电路系统的硬件实现过程

小孔气体泄漏所发出的超声波强度是极其微弱的,而且在工业场合,环境噪声是相当大的。

所以要检测出在恶劣环境下的气体泄漏所发出的超声,必须对系统信号放大部分进行精心的设计。

在本系统中只检测40kHz点的泄漏超声波的强度,原因是通过实验得出,在40kHz点的泄漏超声波能量都是比较大的,而且泄漏声和本底噪声能量差值也最大（如图3-1所示）。

这样选择可以增加系统灵敏度。

图3-1本底噪声与泄漏声声压图

系统原理如图3-2所示。

系统分为模拟和数字两部分,模拟部分包括信号放大电路和音频处理电路等。

信号放大电路由前置放大电路、带通滤波电路和二次放大电路组成。

音频处理电路由本振电路、混频器、功率驱动电路组成。

数字部分主要由单片机和LCD、RAM、键盘等外围设备组成。

传感器信号经过放大滤波以后,一路交由单片机处理,另一路通过降频转化为可听声。

下面分别介绍各部分原理

放大

电路

超声

探头

前置

带通

滤波

精密

检波

A/D

LCD

键盘

单片机

稳压电源

混频器

本振

功率

驱动

耳机

图3-2系统原理图

3.2各单元电路的介绍

3.2.1单元电路的初级阶段

1.超声探头的原理

超声探头也称为超声波传感器，超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。

超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。

超声波探头主要由压电晶片组成，既可以发射超声波，也可以接收超声波。

小功率超声探头多作探测作用。

它有许多不同的结构，可分直探头（纵波）、斜探头（横波）、表面波探头（表面波）、兰姆波探头（兰姆波）、双探头（一个探头反射、一个探头接收）等。

超声探头的核心是其塑料外套或者金属外套中的一块压电晶片。

构成晶片的材料可以有许多种。

晶片的大小，如直径和厚度也各不相同，因此每个探头的性能是不同的，我们使用前必须预先了解它的性能。

超声波传感器的主要性能指标包括：

（1）工作频率。

工作频率就是压电晶片的共振频率。

当加到它两端的交流电压的频率和晶片的共振频率相等时，输出的能量最大，灵敏度也最高。

（2）工作温度。

由于