便携式超声泄漏检测系统的设计

刘泽军，王浩全

（中北大学信息与通信工程学院，山西太原，030051）

0 引言

工业生产存在气体泄漏，不仅导致能源浪费，甚至会引发严重事故。传统气体泄漏检测方法较多，有气泡检漏，压力变化检漏，卤素检漏，渗透和化学示踪物检漏[1]。这些方法对操作人员要求较高，操作困难，成本较高，甚至会污染待检测物质。气体泄漏会在泄漏点形成气体湍流，产生超声波，超声波的频谱主要分布在40kHz[2]，本文利用这一原理来进行泄漏检测，并且检测过程中不会与被测物质接触，不会受被测物质的影响，因此具有较强的适应性[3]，这些特点使得超声泄漏检测在众多泄漏场合得到广泛应用。因此本文设计了一种超声泄漏检测系统，通过信号调理电路，AD采集以及快速傅里叶变换方式，实现超声泄漏检测的功能，同时该硬件系统功耗低，操作简单，并且能够实时把检测结果在TFTLCD屏上显示。

1 总体设计方案

超声泄漏检测系统分为个4个模块，分别为信号调理模块，TFTLCD显示模块，微处理器控制模块，电源模块。信号调理模块主要负责对信号进行放大、滤波处理，把微伏信号转换为处理器可以接收的信号；TFTLCD显示模块主要负责显示超声信号的频谱图，及频率等基本信息；微处理器模块主要负责进行信号的处理，如模拟信号的数字化，快速傅里叶变换等，电源模块主要负责给微处理器、放大电路等模块供电。

由于现在嵌入式微处理器的处理速度越来越快，为超声信号在STM32F103ZET6微处理器上进行频谱分析提供了理论依据。其基本原理是：先将超声信号经过信号调理电路进行放大，滤波处理，滤波后的超声信号经STM32F103ZET6的AD转换功能实现模拟信号的数字化，然后在处理器上对数字化后的信号进行FFT变换，最后将变换后的结果在液晶屏上显示，系统总体框图如图1所示。

图1 系统总体框图

2 硬件电路的设计

2.1 固定增益放大电路

气体泄漏产生的超声信号十分微弱，超声波探头接收到的超声信号转换为电信号约在Vμ级。放大器选用AD8422组成，它是一款高精度、低功耗、低噪声的轨到轨仪表放大器。固定增益放大电路如图2所示，其中第一级、第二级放大增益均为40dB，总增益为80dB。为防止输入信号过高，在第一级放大电路前增加了限幅保护电路，通过D1，D2使得输入信号的范围保持在-0.7V到+0.7V之间。

图2 固定增益放大电路

2.2 带通滤波器的设计

在放大超声信号的同时，其他噪声也会随之放大，直接用STM32进行采集会影响测量的准确度。为了提高电路的信噪比，在第二级放大电路与第三级放大电路之间添加有源带通滤波器，可以有效滤除噪声干扰。有源带通滤波器的中心频率为 40kHz，带宽为 5kHz，增益为 1V/V（0dB），为了减小波纹并得到平坦的带宽，选择滤波器的响应类型为4阶巴特沃斯带通滤波器，其原理图如图3所示。

图3 带通滤波器电路图

2.3 可变增益放大电路

由于在不同检测环境下，其超声信号的强度有所不同，通过可变增益放大电路可以使本系统适应不同的环境。其工作原理是通过调节电位器R5调节放大电路增益，原理图如图4所示。

图4 可变增益放大电路

2.4 单片机系统设计

本系统采用STM32F103ZET6作为主控芯片，主要负责信号的采集，分析运算和LCD的驱动等功能，该芯片内部集成了多种功能，如ADC，DMA，定时器，FSMC等。

信号采集的工作流程：主控芯片STM32F103ZET6通过ADC1_IN11采集放大滤波后的超声信号，然后将采集到的数据进行一系列的分析处理。STM32F103ZET6有3个精度为12位的ADC，每个ADC最多拥有16个外部通道，各通道的A/D转换可单次，连续，扫描或间断模式执行。在ADC时钟为14MHz时，其最大转换速率为1MHz，为保证结果的准确度，一般ADC时钟不超过14Mhz。ADC即可独立使用，也可采用双重模式。根据采集需求，系统采用独立模式单通道采集，且ADC时钟为12MHz。

STM32芯片的I/O口可输入的电压范围为0～3.3V，放大电路的输出电压为-5V～+5V，不能直接使用单片机进行采集，因此，利用R1、R2、R3把-5V～+5V的电压信号转换为0V～3.3V的电压信号，转换公式如下：

式中，VIN为输入信号，VOUT为输出信号，R1、R2、R3为电阻阻值。输入信号与输出信号的关系式为。

系统采用3.5寸TFTLCD模块进行显示，其分辨率为320×480，该模块每个像素上都设置有一个薄膜晶体管，可以有效克服信号干扰，使图像质量得到大幅提高，模块采用16位的80并口与STM32的FSMC接口进行连接，即相当于STM32把TFTLCD当成SRAM进行控制，与传统的读写时序控制相比，即省去了频繁配置，又满足了读写速度的要求。电路原理图如图5所示。

图5 主控芯片电路图

3 软件系统设计

系统的软件主要包括：ADC采集功能，快速傅里叶变换功能，TFTLCD显示功能三部分，其流程图如图6所示。

图6 程序流程图

首先，利用定时器3触发ADC1采集超声信号，并将采集到的信号利用DMA快速传输到内存中，最大限度的节省了数据传输对CPU的使用，方便对数据进行分析和处理。泄漏气体的噪声频谱在39-41kHz频带之间分布较为集中，根据奈奎斯特采样定理，可设置定时器触发时间确定采样频率为200kHz。

图7 泄漏信号频谱图

为了方便确定泄漏孔的泄漏位置及泄漏情况，需要对采集到的数据进行FFT分析处理，便于直接实时查看采集的信号频率及强度。STM32可进行基4频率抽取的快速傅里叶变换，采样点数有256点和1024点，为了提高精度，本文采用采样点数为1024点的基4频率抽取快速傅里叶变换，并且与基2频率抽取的快速傅里叶变换相比，基4频率抽取快速傅里叶变换效率更高，运算速度更快，可更快的在显示屏上实时显示。

4 实验测试

为了测试便携式超声泄漏检测系统的检漏能力，使用该系统对不同孔径的漏孔进行多次检测。使用空气压缩机给待测容器中注入空气，待容器内部气压达到80kPa时，用便携式超声波泄漏检测系统在距漏孔1.5m处进行检测，当系统界面显示的信号频率在39kHz～41kHz范围内时，说明检测到泄漏信号，并且探头所指方向为漏孔所在的位置，图为对不同漏孔检测频谱信号。

实验结果表明，容器内外压差呈断崖式下降时，超声泄漏检测系统能够有效的检测到待测容器的漏孔位置，通过对比不同孔径的泄漏情况可知，泄漏孔径越大，其检测到的信号越强。

5 结语

系统主要实现了超声信号的放大、滤波、采集、频谱显示的功能。经过多次实验测试验证该系统具有良好的实时性、稳定性，并且在使用过程中操作简单，携带方便，为进一步提取泄漏孔的特征提供了参考依据。