便攜式超聲泄漏檢測系統的設計

劉澤軍，王浩全

（中北大學信息與通信工程學院，山西太原，030051）

0 引言

工業生產存在氣體泄漏，不僅導致能源浪費，甚至會引發嚴重事故。傳統氣體泄漏檢測方法較多，有氣泡檢漏，壓力變化檢漏，鹵素檢漏，滲透和化學示蹤物檢漏[1]。這些方法對操作人員要求較高，操作困難，成本較高，甚至會污染待檢測物質。氣體泄漏會在泄漏點形成氣體湍流，產生超聲波，超聲波的頻譜主要分布在40kHz[2]，本文利用這一原理來進行泄漏檢測，并且檢測過程中不會與被測物質接觸，不會受被測物質的影響，因此具有較強的適應性[3]，這些特點使得超聲泄漏檢測在眾多泄漏場合得到廣泛應用。因此本文設計了一種超聲泄漏檢測系統，通過信號調理電路，AD采集以及快速傅里葉變換方式，實現超聲泄漏檢測的功能，同時該硬件系統功耗低，操作簡單，并且能夠實時把檢測結果在TFTLCD屏上顯示。

1 總體設計方案

超聲泄漏檢測系統分為個4個模塊，分別為信號調理模塊，TFTLCD顯示模塊，微處理器控制模塊，電源模塊。信號調理模塊主要負責對信號進行放大、濾波處理，把微伏信號轉換為處理器可以接收的信號；TFTLCD顯示模塊主要負責顯示超聲信號的頻譜圖，及頻率等基本信息；微處理器模塊主要負責進行信號的處理，如模擬信號的數字化，快速傅里葉變換等，電源模塊主要負責給微處理器、放大電路等模塊供電。

由于現在嵌入式微處理器的處理速度越來越快，為超聲信號在STM32F103ZET6微處理器上進行頻譜分析提供了理論依據。其基本原理是：先將超聲信號經過信號調理電路進行放大，濾波處理，濾波后的超聲信號經STM32F103ZET6的AD轉換功能實現模擬信號的數字化，然后在處理器上對數字化后的信號進行FFT變換，最后將變換后的結果在液晶屏上顯示，系統總體框圖如圖1所示。

圖1 系統總體框圖

2 硬件電路的設計

2.1 固定增益放大電路

氣體泄漏產生的超聲信號十分微弱，超聲波探頭接收到的超聲信號轉換為電信號約在Vμ級。放大器選用AD8422組成，它是一款高精度、低功耗、低噪聲的軌到軌儀表放大器。固定增益放大電路如圖2所示，其中第一級、第二級放大增益均為40dB，總增益為80dB。為防止輸入信號過高，在第一級放大電路前增加了限幅保護電路，通過D1，D2使得輸入信號的范圍保持在-0.7V到+0.7V之間。

圖2 固定增益放大電路

2.2 帶通濾波器的設計

在放大超聲信號的同時，其他噪聲也會隨之放大，直接用STM32進行采集會影響測量的準確度。為了提高電路的信噪比，在第二級放大電路與第三級放大電路之間添加有源帶通濾波器，可以有效濾除噪聲干擾。有源帶通濾波器的中心頻率為 40kHz，帶寬為 5kHz，增益為 1V/V（0dB），為了減小波紋并得到平坦的帶寬，選擇濾波器的響應類型為4階巴特沃斯帶通濾波器，其原理圖如圖3所示。

圖3 帶通濾波器電路圖

2.3 可變增益放大電路

由于在不同檢測環境下，其超聲信號的強度有所不同，通過可變增益放大電路可以使本系統適應不同的環境。其工作原理是通過調節電位器R5調節放大電路增益，原理圖如圖4所示。

圖4 可變增益放大電路

2.4 單片機系統設計

本系統采用STM32F103ZET6作為主控芯片，主要負責信號的采集，分析運算和LCD的驅動等功能，該芯片內部集成了多種功能，如ADC，DMA，定時器，FSMC等。

信號采集的工作流程：主控芯片STM32F103ZET6通過ADC1_IN11采集放大濾波后的超聲信號，然后將采集到的數據進行一系列的分析處理。STM32F103ZET6有3個精度為12位的ADC，每個ADC最多擁有16個外部通道，各通道的A/D轉換可單次，連續，掃描或間斷模式執行。在ADC時鐘為14MHz時，其最大轉換速率為1MHz，為保證結果的準確度，一般ADC時鐘不超過14Mhz。ADC即可獨立使用，也可采用雙重模式。根據采集需求，系統采用獨立模式單通道采集，且ADC時鐘為12MHz。

STM32芯片的I/O口可輸入的電壓范圍為0～3.3V，放大電路的輸出電壓為-5V～+5V，不能直接使用單片機進行采集，因此，利用R1、R2、R3把-5V～+5V的電壓信號轉換為0V～3.3V的電壓信號，轉換公式如下：

式中，VIN為輸入信號，VOUT為輸出信號，R1、R2、R3為電阻阻值。輸入信號與輸出信號的關系式為。

系統采用3.5寸TFTLCD模塊進行顯示，其分辨率為320×480，該模塊每個像素上都設置有一個薄膜晶體管，可以有效克服信號干擾，使圖像質量得到大幅提高，模塊采用16位的80并口與STM32的FSMC接口進行連接，即相當于STM32把TFTLCD當成SRAM進行控制，與傳統的讀寫時序控制相比，即省去了頻繁配置，又滿足了讀寫速度的要求。電路原理圖如圖5所示。

圖5 主控芯片電路圖

3 軟件系統設計

系統的軟件主要包括：ADC采集功能，快速傅里葉變換功能，TFTLCD顯示功能三部分，其流程圖如圖6所示。

圖6 程序流程圖

首先，利用定時器3觸發ADC1采集超聲信號，并將采集到的信號利用DMA快速傳輸到內存中，最大限度的節省了數據傳輸對CPU的使用，方便對數據進行分析和處理。泄漏氣體的噪聲頻譜在39-41kHz頻帶之間分布較為集中，根據奈奎斯特采樣定理，可設置定時器觸發時間確定采樣頻率為200kHz。

圖7 泄漏信號頻譜圖

為了方便確定泄漏孔的泄漏位置及泄漏情況，需要對采集到的數據進行FFT分析處理，便于直接實時查看采集的信號頻率及強度。STM32可進行基4頻率抽取的快速傅里葉變換，采樣點數有256點和1024點，為了提高精度，本文采用采樣點數為1024點的基4頻率抽取快速傅里葉變換，并且與基2頻率抽取的快速傅里葉變換相比，基4頻率抽取快速傅里葉變換效率更高，運算速度更快，可更快的在顯示屏上實時顯示。

4 實驗測試

為了測試便攜式超聲泄漏檢測系統的檢漏能力，使用該系統對不同孔徑的漏孔進行多次檢測。使用空氣壓縮機給待測容器中注入空氣，待容器內部氣壓達到80kPa時，用便攜式超聲波泄漏檢測系統在距漏孔1.5m處進行檢測，當系統界面顯示的信號頻率在39kHz～41kHz范圍內時，說明檢測到泄漏信號，并且探頭所指方向為漏孔所在的位置，圖為對不同漏孔檢測頻譜信號。

實驗結果表明，容器內外壓差呈斷崖式下降時，超聲泄漏檢測系統能夠有效的檢測到待測容器的漏孔位置，通過對比不同孔徑的泄漏情況可知，泄漏孔徑越大，其檢測到的信號越強。

5 結語

系統主要實現了超聲信號的放大、濾波、采集、頻譜顯示的功能。經過多次實驗測試驗證該系統具有良好的實時性、穩定性，并且在使用過程中操作簡單，攜帶方便，為進一步提取泄漏孔的特征提供了參考依據。