氣體泄漏超聲檢測系統(tǒng)的研究與設計
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2 系統(tǒng)硬件實現(xiàn)
小孔氣體泄漏所發(fā)出的超聲波強度是極其微弱的,而且在工業(yè)場合,環(huán)境噪聲是相當大的。所以要檢測出在惡劣環(huán)境下的氣體泄漏所發(fā)出的超聲,必須對系統(tǒng)信號放大部分進行精心的設計。在本系統(tǒng)中只檢測40kHz點的泄漏超聲波的強度,原因是通過實驗得出,在40kHz點的泄漏超聲波能量都是比較大的,而且泄漏聲和本底噪聲能量差值也最大(如圖3所示)。這樣選擇可以增加系統(tǒng)靈敏度。
系統(tǒng)原理如圖4所示。系統(tǒng)分為模擬和數(shù)字兩部分,模擬部分包括信號放大電路和音頻處理電路等。信號放大電路由前置放大電路、帶通濾波電路和二次放大電路組成。音頻處理電路由本振電路、混頻器、功率驅(qū)動電路組成。數(shù)字部分主要由DSP和LCD、RAM、鍵盤等外圍設備組成。傳感器信號經(jīng)過放大濾波以后,一路交由DSP處理,另一路通過降頻轉(zhuǎn)化為可聽聲。下面分別介紹各部分原理。
2.1 信號放大電路
圖5所示為模擬電路的信號放大部分。
前置放大電路選用AD公司的專用高精度儀器三運放AD620。AD620是由三個精密運放集成的差分專用儀器運放,它具有低偏移、高增益(信號可直接放大到1000倍)、高共模擬制比的特點,特別適用于放大傳感器信號。由于傳感器接收到的大量的低頻噪聲(如50Hz的工頻噪聲)強度遠大于它所接收到的超聲信號,所以在傳感器與AD620之間必須接一個無源高通濾波器。這樣雖然增加了傳感器的功耗,但是在后面可以通過增大放大倍數(shù)來彌補。第二級是一個有源帶通濾波電路。在這一級可以濾掉前面濾波器沒有濾掉的大部分背景噪聲和由器件或電路產(chǎn)生的噪聲。這里選擇的通帶為38kHz～42kHz。第二級和第三級運放都采用AD公司的OP777,它是一個超精密的低噪聲運放,具有極低的電壓和電流偏移以及很高的增益穩(wěn)定性。第三級是一個一般的同相放大電路。經(jīng)過第三級放大以后,信號范圍為-3.3V～+3.3V,再經(jīng)過如圖所示的兩個20kΩ的電阻,并接上+3.3V的偏置電壓,就可以使輸入到DSP的AD采樣信號變?yōu)?～3.3V。
雖然選用的器件是低噪聲的,但是對于檢測極其微弱的泄漏超聲信號來說,還是不能忽略器件本身的噪聲。在信號進入DSP以后再一次對其進行數(shù)字濾波,濾掉由前面器件和電路產(chǎn)生的直流電壓偏置和噪聲。這樣可以得到足夠高精度的泄漏超聲波信號。
2.2 音頻處理電路設計
設計音頻處理電路的目的是能夠比較方便地判斷哪里有泄漏的產(chǎn)生。人耳的聽覺范圍大約在1kHz到20kHz之間。因此檢測到的超聲信號必須通過降頻才能為人耳所聽到。降頻的原理是利用差分信號的乘法特性:
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