多功能超聲波檢測(cè)儀

徐有薇 施鵬程 丁強(qiáng)

摘 要：文章介紹一種超聲波多功能檢測(cè)儀，以超聲波檢測(cè)管道泄漏點(diǎn)、檢測(cè)電氣設(shè)備局部放電為研究目標(biāo)，通過對(duì)超聲波強(qiáng)度的檢測(cè)實(shí)現(xiàn)對(duì)管道泄漏點(diǎn)及絕緣故障點(diǎn)精確定位。該檢漏儀采用數(shù)字檢波設(shè)計(jì)，探頭可重復(fù)利用，同時(shí)可視化程度較高，便于工業(yè)推廣使用。文章就其工作原理、硬件設(shè)計(jì)與調(diào)試、發(fā)展前景做了簡(jiǎn)要介紹。

關(guān)鍵詞：超聲波；檢漏裝置；噪聲干擾

中圖分類號(hào)：TH89 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2019）02-0060-02

Abstract： This paper introduces a kind of ultrasonic multifunctional detector， which aims at detecting the leakage point of pipelines and the partial discharge of electrical equipment， and realizes the accurate location of leakage point and insulation fault point of pipelines through the detection of ultrasonic intensity. The leak detector adopts digital wave detection design， the probe can be reused， and the degree of visualization is higher， which is convenient for industrial popularization and use. This paper briefly introduces its working principle， hardware design， debugging and development prospect.

Keywords： ultrasonic wave； leak detector； noise interference

引言

目前，負(fù)壓設(shè)備廣泛用于真空鍍膜，真空除泡等設(shè)備，但是，其一旦發(fā)生泄露等問題，由于體積龐大、泄漏點(diǎn)隱秘等原因，人力難以搜尋，往往會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的報(bào)廢。傳統(tǒng)的檢測(cè)的方式通常用酒精涂抹法，但是對(duì)于大型負(fù)壓設(shè)備并不適用。此外，對(duì)于正壓設(shè)備，一旦發(fā)生泄露，其故障點(diǎn)也很難被及時(shí)發(fā)現(xiàn)，而且墻體內(nèi)由于導(dǎo)線接觸問題引起的串聯(lián)電弧的故障，由于不能被肉眼直接發(fā)現(xiàn)，也很難做到對(duì)故障點(diǎn)進(jìn)行確定，所以基于上述的不足，超聲波氣體泄漏檢測(cè)技術(shù)采用超聲波來對(duì)上述故障進(jìn)行檢測(cè)，通過特定頻率的超聲波信號(hào)強(qiáng)度的不同，來準(zhǔn)備確定泄露點(diǎn)所在的位置。

1 泄漏產(chǎn)生聲波原理

當(dāng)被檢測(cè)管道或容器存在較大尺寸漏孔時(shí)，內(nèi)部壓強(qiáng)大于外部壓強(qiáng)導(dǎo)致存在內(nèi)外壓差，當(dāng)內(nèi)外壓差大到一定程度時(shí)，由于漏孔尺寸一般不會(huì)很大，所以被檢工件容腔內(nèi)部氣體會(huì)通過漏孔形成湍流。湍流，由于有較高的雷諾數(shù)，Lighthill在1952年提出了湍流形成漩渦進(jìn)而產(chǎn)生聲波的觀點(diǎn)，所以漏孔附近的流動(dòng)空間內(nèi)也會(huì)形成形狀和大小不盡相同的渦流，即為可檢測(cè)到的超聲波。通過實(shí)驗(yàn)得知，在漏孔附近的超聲波頻帶一般分布在20kHz到100kH。但是對(duì)于不同的泄漏點(diǎn)，超聲波具有的能量也是不同的，所以對(duì)于形狀特征相同的泄漏點(diǎn)，可以通過對(duì)某一頻率點(diǎn)的檢測(cè)，代替全頻譜的測(cè)量判斷泄漏位置。

本作品就是通過對(duì)超聲波強(qiáng)度的檢測(cè)實(shí)現(xiàn)對(duì)泄漏點(diǎn)的定位。本作品對(duì)超聲波強(qiáng)度的檢測(cè)可以分為被動(dòng)檢測(cè)模式和主動(dòng)檢測(cè)模式。所謂被動(dòng)模式檢測(cè)是指待檢測(cè)容器內(nèi)外存在較大的壓差而存在湍流，這樣用本作品就可以直接檢測(cè)超聲波信號(hào)。主動(dòng)模式檢測(cè)是指待檢測(cè)容器內(nèi)外沒有壓差，在這種情況下，通過在待測(cè)容器中放置超聲波發(fā)射裝置，再使用本作品進(jìn)行檢測(cè)判斷泄漏點(diǎn)位置。

由圖1，我們發(fā)現(xiàn)，在20kHz（可聽聲頻段）以下，泄漏噪聲的曲線遠(yuǎn)低于環(huán)境噪聲的曲線；一旦頻率大于20kHz，環(huán)境噪聲則遠(yuǎn)低于泄漏噪聲，且信噪比比較高的點(diǎn)在40kHz附

近，所以可以通過采集40kHz頻率點(diǎn)的超聲波信號(hào)進(jìn)行氣體泄漏檢測(cè)。

2 檢漏實(shí)驗(yàn)裝置和功能試驗(yàn)結(jié)果

具體研究?jī)?nèi)容包含以下幾個(gè)方面：（1）信號(hào)檢測(cè)部分電路設(shè)計(jì)：包括前置放大電路、帶通濾波電路和精密檢波電路組成，它將接收到的微小超聲波信號(hào)，通過信號(hào)放大電路進(jìn)行放大并且處理。（2）單片機(jī)控制部分設(shè)計(jì)：?jiǎn)纹瑱C(jī)對(duì)接收到的放大處理后的脈沖信號(hào)進(jìn)行二次濾波處理，通過快速傅里葉變換進(jìn)行時(shí)頻轉(zhuǎn)換，從而判斷泄漏點(diǎn)或故障點(diǎn)所在位置。（3）定位取樣部分設(shè)計(jì)：包括十字定位激光、攝像頭模組及無線通信。當(dāng)檢測(cè)到泄漏點(diǎn)時(shí)，單片機(jī)發(fā)出信號(hào)，開啟十字定位激光，啟動(dòng)攝像頭對(duì)泄漏點(diǎn)位置拍照，通過藍(lán)牙將圖片上傳至電腦終端，并選用OLCD屏幕進(jìn)行顯示。

2.1 前置放大電路

在放大電路中，在比較了三極管、運(yùn)放差分放大和單純采用運(yùn)放方法的成品和效果后最終使用了運(yùn)放進(jìn)行了兩級(jí)放大處理。把只用一次放大100倍的信號(hào)進(jìn)行兩次處理，每次放大10倍。并且在電路中加入旁路電容，確保放大器信號(hào)工作的穩(wěn)定性。

圖2為示波器測(cè)量結(jié)果：運(yùn)放在單電源供電的情況下，有效信號(hào)的質(zhì)量較未放大信號(hào)放大了100倍，且信號(hào)不存在明顯失真，符合預(yù)期。

2.2 帶通濾波電路

我們對(duì)信號(hào)處理，只需要取中心頻率（40kHz）附近的頻率，因此，我們采用了有源帶通濾波器，不僅僅可以實(shí)現(xiàn)帶通濾波功能，還可以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的信號(hào)增益。

帶通濾波后具體參數(shù)如下表1所示：

在8位分辨條件下，我們一般要求1次諧波對(duì)輸出電壓的影響不要超過1個(gè)位的精度，也就是5/256=0.01953V。假設(shè)VH為5V，VL為0V，那么一次諧波的最大值是2*5/Π=3.1V；這就要求我們的RC濾波電路提供至少一20lg（3.1/0.01953）=-44dB的衰減。

2.3 精密檢波電路及比較電路

如果單片機(jī)對(duì)模擬量直接進(jìn)行處理，可能會(huì)造成系統(tǒng)的響應(yīng)慢，誤差率高等問題，且模擬量也比較容易被造成干擾，所以本檢漏儀設(shè)計(jì)了一個(gè)檢波電路，將前端信號(hào)，符合條件的信號(hào)轉(zhuǎn)換為脈沖信號(hào)進(jìn)行輸出，單片機(jī)只需要讀取脈沖寬度和頻率，然后通過相應(yīng)算法可以將原先信號(hào)還原，對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理判斷，來確定疑似泄漏點(diǎn)。

實(shí)際調(diào)試過程中，在前段信號(hào)處理完畢以后，將信號(hào)送入檢波和比較單元，將信號(hào)轉(zhuǎn)換為單片機(jī)容易處理的脈沖波。

2.4 超聲波探頭

采用了US40-10ST/R超聲波傳感器。通過示波器檢測(cè)，探頭直接接收到的信號(hào)的有效值大約為210MW，中心信號(hào)頻率大約為40kHz，符合設(shè)計(jì)預(yù)期，信號(hào)質(zhì)量較好，方便后期的信號(hào)處理，且波形也較好。

2.5 穩(wěn)壓芯片

在檢測(cè)儀器部分，考慮到檢測(cè)儀器的功耗僅有20MA，本項(xiàng)目采用了線性穩(wěn)壓方案，即采用78L09三端集成的穩(wěn)壓管來供電。78L09是實(shí)現(xiàn)9V100mA電流的輸出，輸入電壓最高為30V。標(biāo)稱輸入電壓為12-24V，由于其體積小，可以大大縮小電路的尺寸。

2.6 無線傳輸模塊

本項(xiàng)目利用DL-20zigbee無線透?jìng)髂K廣播通訊模式。DL-20將檢測(cè)到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)绞殖诛@示端及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)箱中。此外，還利用DL-20制作了電子標(biāo)簽，它主要用于標(biāo)記檢測(cè)到的泄漏點(diǎn)或故障點(diǎn)，這樣便于后期的處理與維修。

3 應(yīng)用前景

圖3為多功能超聲波檢測(cè)儀手持端實(shí)物圖，可以通過在觸摸屏上進(jìn)行測(cè)量模式的切換，目前可以選擇的測(cè)量模式有如下一些：（1）負(fù)壓容器檢測(cè)；（2）常壓容器檢測(cè)；（3）高壓容器檢測(cè)；（4）高壓電弧放電檢測(cè)；（5）機(jī)械軸承摩擦檢測(cè)。

由于超聲波信號(hào)在不同的環(huán)境下頻率和信號(hào)強(qiáng)度均不同，通過模式的選擇可以很大程度上通過軟件上的算法來實(shí)現(xiàn)多功能的檢測(cè)，以適應(yīng)多種環(huán)境的檢測(cè)。

（1）在負(fù)壓容器的檢測(cè)上，在可以檢測(cè)到0.5個(gè)大氣壓的壓差環(huán)境下的容器泄露，目前負(fù)壓容器廣泛用于真空鍍膜，真空除泡設(shè)備，在傳統(tǒng)檢測(cè)模式下，都是通過涂抹酒精的方法來進(jìn)行檢測(cè)，這種檢測(cè)方式往往費(fèi)時(shí)費(fèi)力，但是使用超聲波原理進(jìn)行檢測(cè)只需要對(duì)設(shè)備四周進(jìn)行掃描就可以快速確定泄露點(diǎn)所在的位置。（2）在常壓密封容器的檢測(cè)上，由于常壓容器內(nèi)外沒有壓力差，我們采取主動(dòng)發(fā)射超聲波的模式來進(jìn)行檢測(cè)，一旦容器發(fā)生泄露，放在容器中的超聲波發(fā)射頭的信號(hào)會(huì)從容器中泄露出來，通過捕捉泄露信號(hào)強(qiáng)度來判斷泄露點(diǎn)，此方法可以代替原來傳統(tǒng)的加壓法檢測(cè)，大大簡(jiǎn)化了檢測(cè)的流程和步驟。（3）對(duì)于電弧放電檢測(cè)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)墻體內(nèi)導(dǎo)線的故障電弧的檢測(cè)，解決了墻體內(nèi)肉眼不可見電弧放電故障的檢測(cè)，可以最大程度上預(yù)防電氣火災(zāi)的發(fā)生。（4）在機(jī)械軸承磨損方面，我們通過捕捉機(jī)械摩擦產(chǎn)生的超聲波信號(hào)，來準(zhǔn)確判斷軸承是否需要更換，方便了檢修人員日常維護(hù)和保養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)：

[1]王濤，王東穎，范偉.氣體泄漏檢測(cè)新方法的研究進(jìn)展[J].液壓與氣動(dòng)，2015（10）：2-5.

[2]周健成.超聲波檢測(cè)技術(shù)在設(shè)備故障診斷中的應(yīng)用[J].設(shè)備管理與維修，2011（7）：48-50.

[3]劉浩.基于外壓壓差法高壓氣密性檢測(cè)系統(tǒng)研究[M].北京：中國(guó)學(xué)術(shù)期刊電子雜志社，2014：10-12.