气体泄漏超声检测系统的研究与设计

2.1 信号放大电路
　　图5所示为模拟电路的信号放大部分。
　　前置放大电路选用AD公司的专用高精度仪器三运放AD620。AD620是由三个精密运放集成的差分专用仪器运放,它具有低偏移、高增益(信号可直接放大到1000倍)、高共模拟制比的特点,特别适用于放大传感器信号。由于传感器接收到的大量的低频噪声(如50Hz的工频噪声)强度远大于它所接收到的超声信号,所以在传感器与AD620之间必须接一个无源高通滤波器。这样虽然增加了传感器的功耗,但是在后面可以通过增大放大倍数来弥补。第二级是一个有源带通滤波电路。在这一级可以滤掉前面滤波器没有滤掉的大部分背景噪声和由器件或电路产生的噪声。这里选择的通带为38kHz～42kHz。第二级和第三级运放都采用AD公司的OP777,它是一个超精密的低噪声运放,具有极低的电压和电流偏移以及很高的增益稳定性。第三级是一个一般的同相放大电路。经过第三级放大以后,信号范围为-3.3V～+3.3V,再经过如图所示的两个20kΩ的电阻,并接上+3.3V的偏置电压,就可以使输入到DSP的AD采样信号变为0～3.3V。
　　虽然选用的器件是低噪声的,但是对于检测极其微弱的泄漏超声信号来说,还是不能忽略器件本身的噪声。在信号进入DSP以后再一次对其进行数字滤波,滤掉由前面器件和电路产生的直流电压偏置和噪声。这样可以得到足够高精度的泄漏超声波信号。

2.2 音频处理电路设计
　　设计音频处理电路的目的是能够比较方便地判断哪里有泄漏的产生。人耳的听觉范围大约在1kHz到20kHz之间。因此检测到的超声信号必须通过降频才能为人耳所听到。降频的原理是利用差分信号的乘法特性:

　
　　然后在Uo后接上低通滤波器,则可得差频信号。如选用本振电路的频率为37kHz,那么得到的差频信号为3kHz,可为人耳听到。音频处理电路的原理图如图6所示。
2.3 DSP
　　DSP的主要功能是负责A/D转换、对A/D转换后的信号进行分析处理、对LCD及电源进行管理。这里采用TMS320LF2407A。DSP芯片是一种具有特殊结构的微处理器。芯片内部采用程序和数据分开的哈佛结构,具有专门的硬件乘法器,广泛采用流水线操作,并提供特殊的DSP指令,可以快速地实现各种数字信号处理算法。TMS320LF240X是德州仪器(TI)公司推出的基于C2×LP16位的定点低功耗的数字信号处理器系列,2407A型处理器是此系列中的最新产品。40M指令/秒(40MIPS)的处理速度可以提供远远超过传统的16位微控制器和微处理器的性能。它的内置10位模/数转换电路可以使电路得以简化。
2.4 LCD显示部分设计
　　LCD的作用是显示泄漏孔的声强和估算的泄漏值以及由键盘输入的数据。这里选用内藏三星公司的KS0713显示控制芯片的LCD显示模块。它有128×64的点阵。其供电电压只需3.3V。KS0713芯片速度相当快,内部晶振频率可达2MHz,很适合使用高速CPU芯片的场合。这里采用DSP的数字I/O口来控制LCD模块,如图7所示。

2.5 键盘电路设计
　　键盘的作用是输入泄漏系统的内外压力值和选择不同的气体常数。在估算气体泄漏量时,需要知道气体的流速,由公式(3)可知,泄漏气体的流速可以通过气体内外的压力和气体常数等换算出来,这些数值是通过键盘输入进去的。这里采用一维键盘,用DSP的四个数字I/O口来接收键盘输入,采用软件的方法消除键盘的抖动。本系统设计了四个按键:“功能” 键、“+”键、“-”键和“确定”键。功能键用于循环选择容器内气压、容器外气压和气体常数的设置等。每按一次功能键,在上述三个功能间切换一次。键盘接口电路如图8所示。
3 系统软件部分设计
　　因为系统要完成测量泄漏超声的声压级、估算泄漏量以及完成显示功能,所以软件主要由信号采集子程序、滤波子程序、FFT变换程序、泄漏估算子程序、LCD显示子程序、键盘服务子程序等组成。限于篇幅,在此只列出程序设计的总体思路,如图9所示。本文所介绍的超声波泄漏检测系统具有精度高、体积小、便于携带和具有很好的人机交互界面等特点。该系统还利用DSP等技术实现了对泄漏量的估算。
参考文献
1 袁易全,黄建人. 高灵敏超声检漏仪的研究,东南大学学报,1989
2 李建藩.气压传动系统动力学.广州:华南理工大学出版社,1991
3 李 进,陈会仓,程 斌等.气体泄漏超声波检测装置. 工业仪表与自动化装置,1996(5)
4于亚非.用超声波传感器检测气体泄漏.仪器与未来,1992(8)
5 李光海,王 勇,刘时风.基于声发射技术的管道泄漏检测系统.自动化仪表,2002;23(5):20～23