多功能超聲波檢測儀

徐有薇 施鵬程 丁強

摘 要：文章介紹一種超聲波多功能檢測儀，以超聲波檢測管道泄漏點、檢測電氣設備局部放電為研究目標，通過對超聲波強度的檢測實現對管道泄漏點及絕緣故障點精確定位。該檢漏儀采用數字檢波設計，探頭可重復利用，同時可視化程度較高，便于工業推廣使用。文章就其工作原理、硬件設計與調試、發展前景做了簡要介紹。

關鍵詞：超聲波；檢漏裝置；噪聲干擾

中圖分類號：TH89 文獻標志碼：A 文章編號：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，負壓設備廣泛用于真空鍍膜，真空除泡等設備，但是，其一旦發生泄露等問題，由于體積龐大、泄漏點隱秘等原因，人力難以搜尋，往往會導致整個系統的報廢。傳統的檢測的方式通常用酒精涂抹法，但是對于大型負壓設備并不適用。此外，對于正壓設備，一旦發生泄露，其故障點也很難被及時發現，而且墻體內由于導線接觸問題引起的串聯電弧的故障，由于不能被肉眼直接發現，也很難做到對故障點進行確定，所以基于上述的不足，超聲波氣體泄漏檢測技術采用超聲波來對上述故障進行檢測，通過特定頻率的超聲波信號強度的不同，來準備確定泄露點所在的位置。

1 泄漏產生聲波原理

當被檢測管道或容器存在較大尺寸漏孔時，內部壓強大于外部壓強導致存在內外壓差，當內外壓差大到一定程度時，由于漏孔尺寸一般不會很大，所以被檢工件容腔內部氣體會通過漏孔形成湍流。湍流，由于有較高的雷諾數，Lighthill在1952年提出了湍流形成漩渦進而產生聲波的觀點，所以漏孔附近的流動空間內也會形成形狀和大小不盡相同的渦流，即為可檢測到的超聲波。通過實驗得知，在漏孔附近的超聲波頻帶一般分布在20kHz到100kH。但是對于不同的泄漏點，超聲波具有的能量也是不同的，所以對于形狀特征相同的泄漏點，可以通過對某一頻率點的檢測，代替全頻譜的測量判斷泄漏位置。

本作品就是通過對超聲波強度的檢測實現對泄漏點的定位。本作品對超聲波強度的檢測可以分為被動檢測模式和主動檢測模式。所謂被動模式檢測是指待檢測容器內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超聲波信號。主動模式檢測是指待檢測容器內外沒有壓差，在這種情況下，通過在待測容器中放置超聲波發射裝置，再使用本作品進行檢測判斷泄漏點位置。

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

近，所以可以通過采集40kHz頻率點的超聲波信號進行氣體泄漏檢測。

2 檢漏實驗裝置和功能試驗結果

具體研究內容包含以下幾個方面：（1）信號檢測部分電路設計：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，通過信號放大電路進行放大并且處理。（2）單片機控制部分設計：單片機對接收到的放大處理后的脈沖信號進行二次濾波處理，通過快速傅里葉變換進行時頻轉換，從而判斷泄漏點或故障點所在位置。（3）定位取樣部分設計：包括十字定位激光、攝像頭模組及無線通信。當檢測到泄漏點時，單片機發出信號，開啟十字定位激光，啟動攝像頭對泄漏點位置拍照，通過藍牙將圖片上傳至電腦終端，并選用OLCD屏幕進行顯示。

2.1 前置放大電路

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

圖2為示波器測量結果：運放在單電源供電的情況下，有效信號的質量較未放大信號放大了100倍，且信號不存在明顯失真，符合預期。

2.2 帶通濾波電路

我們對信號處理，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，不僅僅可以實現帶通濾波功能，還可以實現相應的信號增益。

帶通濾波后具體參數如下表1所示：

在8位分辨條件下，我們一般要求1次諧波對輸出電壓的影響不要超過1個位的精度，也就是5/256=0.01953V。假設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

如果單片機對模擬量直接進行處理，可能會造成系統的響應慢，誤差率高等問題，且模擬量也比較容易被造成干擾，所以本檢漏儀設計了一個檢波電路，將前端信號，符合條件的信號轉換為脈沖信號進行輸出，單片機只需要讀取脈沖寬度和頻率，然后通過相應算法可以將原先信號還原，對信號進行處理判斷，來確定疑似泄漏點。

實際調試過程中，在前段信號處理完畢以后，將信號送入檢波和比較單元，將信號轉換為單片機容易處理的脈沖波。

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，探頭直接接收到的信號的有效值大約為210MW，中心信號頻率大約為40kHz，符合設計預期，信號質量較好，方便后期的信號處理，且波形也較好。

2.5 穩壓芯片

在檢測儀器部分，考慮到檢測儀器的功耗僅有20MA，本項目采用了線性穩壓方案，即采用78L09三端集成的穩壓管來供電。78L09是實現9V100mA電流的輸出，輸入電壓最高為30V。標稱輸入電壓為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

本項目利用DL-20zigbee無線透傳模塊廣播通訊模式。DL-20將檢測到的數據傳輸到手持顯示端及數據存儲箱中。此外，還利用DL-20制作了電子標簽，它主要用于標記檢測到的泄漏點或故障點，這樣便于后期的處理與維修。

3 應用前景

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

由于超聲波信號在不同的環境下頻率和信號強度均不同，通過模式的選擇可以很大程度上通過軟件上的算法來實現多功能的檢測，以適應多種環境的檢測。

（1）在負壓容器的檢測上，在可以檢測到0.5個大氣壓的壓差環境下的容器泄露，目前負壓容器廣泛用于真空鍍膜，真空除泡設備，在傳統檢測模式下，都是通過涂抹酒精的方法來進行檢測，這種檢測方式往往費時費力，但是使用超聲波原理進行檢測只需要對設備四周進行掃描就可以快速確定泄露點所在的位置。（2）在常壓密封容器的檢測上，由于常壓容器內外沒有壓力差，我們采取主動發射超聲波的模式來進行檢測，一旦容器發生泄露，放在容器中的超聲波發射頭的信號會從容器中泄露出來，通過捕捉泄露信號強度來判斷泄露點，此方法可以代替原來傳統的加壓法檢測，大大簡化了檢測的流程和步驟。（3）對于電弧放電檢測，可以實現對墻體內導線的故障電弧的檢測，解決了墻體內肉眼不可見電弧放電故障的檢測，可以最大程度上預防電氣火災的發生。（4）在機械軸承磨損方面，我們通過捕捉機械摩擦產生的超聲波信號，來準確判斷軸承是否需要更換，方便了檢修人員日常維護和保養。

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