一種適用于高壓氣體管道的次聲傳感器

摘 要：在此，介紹了一種寬頻帶的次聲傳感器，該型氣體型次聲傳感器有如下特點：頻帶寬，從0.5～300 Hz的范圍，覆蓋了幾乎次聲頻帶的全部和部分可聽聲頻段；頻響較好，在設計頻段內的曲線平直；輸出電壓大，可達400 mV/Pa，與A/D轉換設備一起使用可方便地實現數據的采集；高靈敏度，可接收下限達0.05 Pa的聲壓；通過調節電路中的信號耦合部分的可調電阻，可達到較高的一致性；采用隔艙密封和浸漆設計，從而達到零漂小，能長期有效地工作；所用換能元件的質量較小，振動靈敏度趨近于零，對振動不敏感；通過在管道上布設陣列，使用特定的算法可有效檢測氣體管道上的泄漏發生。

關鍵詞：寬頻帶； 氣體型次聲傳感器； 氣體管道； 振動靈敏度

中圖分類號：TN91134 文獻標識碼：A 文章編號：1004373X（2012）22011903

本文介紹一種寬頻帶的次聲傳感器，可用于高壓氣體管道的泄漏檢測。次聲傳感器是可把聲能轉換成電能的裝置，是次聲［1］研究中的必要設備，也是精確的信號采集、特征分析和聲波源定位的基礎。目前常用的傳感器有以下幾種：電容感應型［24］、光纖型［5］、振動感應型［6］。本文介紹的CASI2012氣體管道測漏傳感器是一種電容式的傳感器，這種傳感器體積較小、靈敏度高、頻響曲線較為平直、對振動不敏感，與數字化儀配合使用可快速實現數據的A/D轉換，使用方便。

1 傳感器原理及電路結構

1.1 基本原理

CASI2012型傳感器如圖1所示，使用電容感應的換能方式，頻率響應為勁度控制，即感應膜片彈性的倒數。在勁度控制的系統中，第一共振頻率以下可以有較平直的響應，所以下限頻率可以很低，接近于零，涵蓋了次聲頻段的大部分（0.5～20 Hz），這個特點使得電容型換能器件非常適合應用于次聲傳感器研制。

圖1 CASI2012型傳感器由于換能元件的膜片非常輕薄，所以傳感器的靈敏度可以達到很高的水平，同時使得傳感器僅對聲波敏感，而對各種振動不敏感。在一般的設計中，傳感器自身的物理振動可能會對聲學測量帶來極大地干擾，所以減小傳感器對振動的靈敏度是有著非常現實的意義的，這將極大的提升傳感器的性能。CASI2012型傳感器所用的換能器件如圖2所示，它將次聲波引起的敏感膜振動導致的電容量變化轉變成電信號輸出。

傳感器設計應考慮兩個因素［78］：一是待測聲壓的等級，因為實際測試時得到的是傳聲器的輸出電壓，然后根據靈敏度求得聲壓；二是測試頻段內的頻率響應曲線應盡量平直，頻率響應曲線平直可避免對每個頻率點作輸入聲壓與輸出電壓的校準，使數據測量和計算更為簡便。

圖2 CASI2012型傳感器所用的換能器件1.2 電路結構

為了獲得傳感器電容量的緩慢變化信號，進行了信號調理電路的設計，如圖3所示。在換能器件上加載高頻正弦信號，載波信號產生電路由LF253N及相應外圍電路組成，采用調幅原理，電橋的一個橋臂為傳感器電容，當傳感器接收次聲信號時，電橋失衡產生相應變動的調幅波，調幅波進入偏置電路，消除輸出信號的零漂，消除了零漂的調幅波經過解調器解調后，再經過放大、帶通濾波電路以及電壓跟隨器電路，就得到了低頻頻段的電壓信號。

圖3 CASI2012型傳感器的信號調理電路駐極體傳聲器是一個置于傳感器連接器和傳感器調理電路之間的一個敏感頭，是傳感器的信號感應部位。駐極體傳聲器振膜與極板之間的電容量比較小，一般為幾十pF，因而這個電信號輸出阻抗很高，信號幅度很弱。因此不能將駐極體傳聲器的輸出直接與音頻放大器相接。而場效應晶體管具有輸入阻抗極高、噪聲系數低的特點，因此一般接入一只輸入阻抗極高的結型場效應管用來放大駐極體電容產生的電壓信號，同時以比較低的阻抗在源極S或者漏極G輸出信號，實現阻抗變換。前置放大器一方面是對電容傳聲器頭輸出的信號進行預放大，另一方面是是將電容頭的高輸出阻抗轉換為低阻抗輸出。

微型前置放大器的電路主要包括三個部分，第一部分是場效應管組成的阻抗變換電路，第二部分是放大濾波電路，第三部分是射隨電路。微型前置放大器的原理如圖4所示。

2 傳感器性能指標

2.1 靈敏度

電容式次聲傳感器的換能器件的輸出并不與膜片的振幅A成正比，而是與膜片的平均位移成某種比例。設電容的極間距為L，平均位移為λ，在低頻（ω（1）

Zm=πr2Z+8πτ－jω－jω4πr2σm3+1jωCm

（2） 將式（2）代入式（1）中，化簡后得：λ=726Pω201σm

（3） 次聲傳感器靈敏度表達式為：S=λL=726PLω201σm

（4） 可見靈敏度S與聲壓P成正比，與極間距L、第一共振頻率ω01的平方以及膜片面密度σm成反比。由式（4）看出，儀器的靈敏度取決于極間距和膜片的聲順。空腔聲順在容積一定時是不變的，所以膜片聲順是決定性因素。圓形膜片聲順與膜片直徑、面密度及張力有關。在直徑、材料和厚度固定的條件下，為使同一批次聲傳感器有相同的靈敏度，只需調節每個膜片的張力使其第一共振頻率f01一致即可。

圖4 微型前置放大器原理框圖電容次聲傳感器的實際靈敏度可以在實驗室條件下通過次聲校準裝置直接測量，若是在現場條件可以采用便攜式校準器直接校準。因為傳感器在頻帶內的曲線較平直，所以只需測量在聲壓級為94 dB（1 Pa）時頻帶內的某個頻率點即可。

2.2 頻率響應

次聲傳感器的第一共振頻率在膜片最低撐平張力時，已遠高于系統的上限頻率300 Hz。因此對于次聲傳感器而言，頻帶的上限截至頻率很好控制，一般無需過多考慮。需要控制的是其下限截至頻率：flow=1T=1RCs

（5）式中：T為下限截至頻率的周期；R為腔體均壓孔的聲阻；Cs為腔體聲順。

CASI2012型傳感器的3 dB帶寬保持在0.8～300 Hz，而這正處在氣體管道泄漏所產生的低頻信號范圍內，經測量其頻響曲線如圖5所示。

2.3 動態范圍

動態范圍的上限由極間距決定，平行板電容器的基本關系式為C=S4πD，式中S為極板面積，D為極間距。ΔC/C可視為次聲傳感器的靈敏度，在小信號情況下有ΔC/C=λD+（λ/D）2+…，只要滿足λD≤110，即可認為膜片振動是小振幅，系統為線性系統，此時傳感器的畸變遠低于3%。動態范圍的下限取決于整個系統的噪聲，包括換能器件本身以及放大電路。通常換能器件自身的噪聲要遠遠小于電路噪聲，所以一般動態范圍的下限由放大電路的電噪聲決定。

圖5 CASI2012型傳感器頻率響應曲線2.4 零漂

在實際工作中，環境溫度變化較大，因而傳感器很容易產生零點漂移。電容式傳感器是一種勁度控制儀器，其勁度控制由兩部分組成：感應器件的膜片緊張度和封閉腔室的彈性。前者通過采用特定的正確材料即可保證在使用壽命內維持穩定狀態，后者則受外界溫度的影響很大，較難解決。

由氣體定律PV=RT可知，溫度變化必然導致腔內壓力發生變化，感應器件的勁度隨之改變，從而引起零點漂移。要想減小這種溫度變化造成的不利影響，需盡可能地減少外界環境與密閉腔體的溫度交換，CASI2012型次聲傳感器對其中的換能器件實施了絕熱處理，利用一種不易導熱的玻璃纖維制成的材料將換能器件包裹，進而極大地降低了能量交換。相比于未做該處理的情形，經處理后的傳感器在耐久性試驗中表現優異，而且還進一步降低了振動對次聲測量的影響。

3 傳感器性能測試

為驗證CASI2012型次聲傳感器的設計性能，在中科院聲學所的香山強聲實驗室的壓力艙內，對傳感器進行測試［9］。 在輸入振動頻率為10 Hz次聲波的密封艙內，94 dB聲壓級的情況下，CASI2012型次聲傳感器準確測得了該頻率點的次聲信號，且有著極高的信噪比，如圖6所示。

圖6 10 Hz次聲環境下傳感器的測量結果4 結 語

該設計在后期的信號處理電路中加入了一種可調電容的設計，使得次聲傳感器成為一種工作起點可相互校準的傳感器，提高了一致性和測量精度；采用特種絕熱材料處理的方法成功地保障了換能器件腔內的溫度相對恒定，進而改善了次聲傳感器的零漂問題。

參 考 文 獻

［1］ 馬大猷.現代聲學理論基礎［M］.北京：科學出版社，2004.

［2］ 李潁伯.電容式微小氣壓計［J］.大氣科學，1981（3）：4547.

［3］ 謝金來.大氣核爆炸次聲檢測系統［J］.核電子學與探測技術，1997（6）：327331.

［4］ 謝金來.高靈敏度寬頻帶電容次聲傳感器［J］.核電子學與探測技術，2003（5）：428432.

［5］ WIDNERSCHNIDRIG R. Development of an optical fiber infrasound sensor （OFIS） ＼[C＼]// Infrasound Workshop. Passau， Germany： ＼[s.n.＼]， 2000： 1118.

［6］ Anon. A microbarograph ＼[J＼]. J. Sci. Instrum.， 1962， 39： 420425.

［7］ 陳克安，曾向陽，李海英.聲學測量［M］.北京：科學出版社，2005.

［8］ 中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.聲學 聲壓法測定噪聲源功率級現場比較法［S］.北京：中國標準出版社，2008.

［9］ FANTOZZI M， CHIRICO G D. Leak inspection on water pipelines by acoustic emission with crosscorrelation method ＼[C＼]// Proceedings of Annual Conference on American Water Works Association， Engineering and Operations. San Antonio， Texas， USA： ＼[s.n.＼]， 1993： 609721.

作者簡介： 鄭國鋒 男，1986年出生，河南洛陽人，碩士研究生。主要從事石油天然氣管道泄漏監測系統的研究工作。