一种基于多传感器的超声波气密性检测系统的制作方法
专利名称:一种基于多传感器的超声波气密性检测系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种基于多传感器的超声波气密性检测系统，包括设置在容器内的多个超声波发射机和依次连接的换能器组、信号调理电路、主处理器和信号输出模块；换能器组包括多个换能器；信号调理电路，包括依次连接的仪表运放电路、二级放大与压控滤波电路、电平转换电路以及AD输入保护电路；主处理器，包括集成在主处理器中的AD采集模块和DA输出模块，AD输入保护电路的输出端与AD采集模块相连；信号输出模块与DA输出模块的输出端相连。本实用新型检测精度高，对微弱泄漏信号的检测能力强，且本系统具有体积小、方便携带、灵敏度高、稳定性好，可以在容器充气工作条件完成检测。
【专利说明】
一种基于多传感器的超声波气密性检测系统
技术领域
[0001]本实用新型涉及仪器检测领域，尤其涉及一种基于多传感器的超声波气密性检测系统。
【背景技术】
[0002]在日常生活中和工业生产中，压力容器随处可见，有用于压缩气体存储的气罐气缸，还有用于气体传输的管道。压缩气体储存在压力容器内在运输的过程中，由于一些不可避免的因素，如磨损、腐蚀人为或自然的损坏，泄漏事故经常发生。气体泄漏将会产生物料和能量损失、引发事故灾害、环境污染和设备性能降低的危害。如果能够在设备投入运行使用之前及时发现泄漏，准确定位泄漏点，估计出泄漏量的大小，就能够有效减轻或避免泄漏事故造成的危害。目前市面上所见的各种检漏仪器功能都比较简单，只能探测到较大泄漏是否存在，不能检测到微弱泄漏，和泄漏点的定位。
[0003]利用流体泄漏时产生声波的频率特性进行分析是流体泄漏检测的一个新的领域。当容器发生泄漏时，泄漏点小内外压差较大时会形成湍流射流，在泄漏点附近形成无数个大小不一的漩涡，漩涡会不断产生和破裂从而产生声音。泄漏产生的声音频率范围很宽一般在2?200kHz间，但不同工况例如内外压力和泄漏孔大小的不同，泄漏产生声波的中心频率均不同。则可利用不同泄漏状态下信号频谱峰值不同的特点来进行。
[0004]德国学者R.1sermann和H.S iebert经过多年的合作研究，在理论结合实践的基础上提出了一种创新性方法:将输入输出的流量信号和压力信号经过进行互相关然后做相应的处理进行泄漏检测。英国壳牌石油公司的Xue JunZhang在1992年提出了一种基于流体管道统计量的泄漏法。该方法的具体步骤是统计管道输入输出口的流体压力和流量的统计参数，然后通过计算判断出管道泄漏的概率。上世纪80年代以来，我国在气体泄漏检测的领域取得了一些进展，包括一些科研人员在互相关法和应力波法的软件检测方面也进行了较为深入的研究，近几年在泄漏系统仿真方面也开始逐渐快速发展起来。目前国内已有较多种类的泄漏检测仪面市，例如声发射。但目前的各种检测设备在进行泄漏检测的时不能保证其可靠性，而且一些泄漏检测设备的应用面较窄，设备性价比低，同时多为特定工况不能得到普遍的广泛应用。超声波无损检测具有非接触，反应速度快设备便携，可实现实时在线测量，及其适应能力强的优点。我国对超声波领域的研究也取得了一定的进展，将其运用到气体泄漏检测领域将是必然选择。
[0005]本实用新型应用的超声波气体泄漏检测技术，属于超声波无损检测技术应用之一，继承了超声波无损检测的优点。超声波无损检测与其它常规技术相比，它具有被测对象范围广、检测适用性高、检测灵敏度高、性价比高、速度快、设备使用方便携带对便于现场检测、并对人体无害的优点。超声无损检测在进几十年来迅猛发展并取得了广泛的应用，几乎已经应用到了所有的工业部门。尤其适宜检测各类管道、阀门部件内部产生的裂痕，还能检测船舱、飞机、航天器、汽车座舱、冰箱、冷库、储油罐、密闭容腔的密封程度，这样便有效的提高了各个部件的使用安全性，在很大程度上确保了人员的生命和财产安全。可见泄漏检测对于提高企业的生产效率，节约能源，确保工作人员的人身安全都具有非常重大的意义。【实用新型内容】
[0006]本实用新型要解决的技术问题在于针对现有技术中单个传感器定位检测精度低的缺陷，提供一种结合多个传感器，可在容器充气工作条件完成检测且灵敏度高、稳定性高的基于多传感器的超声波气密性检测系统。
[0007]本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是:
[0008]本实用新型提供一种基于多传感器的超声波气密性检测系统，包括设置在容器内的多个超声波发射机，其特征在于，该系统还包括依次连接的换能器组、信号调理电路、主处理器和信号输出模块；
[0009]所述换能器组包括多个换能器；
[0010]所述信号调理电路，包括依次连接的仪表运放电路、二级放大与压控滤波电路、电平转换电路以及AD输入保护电路，仪表运放电路的输入端与换能器组相连，仪表运放电路的输出端与二级放大与压控滤波电路的输入端相连，二级放大与压控滤波电路的输出端与电平转换电路的输入端相连，电平转换电路的输出端与AD输入保护电路的输入端相连；
[0011]所述主处理器，包括集成在主处理器中的AD采集模块和DA输出模块，AD输入保护电路的输出端与AD采集模块相连；
[0012]所述信号输出模块与DA输出模块的输出端相连。
[0013]进一步地，本实用新型的所述仪表运放电路的外配置电阻为0.5K?1K的线性电位器。
[0014]进一步地，本实用新型的所述二级放大与压控滤波电路和电平转换电路均采用高频低零点漂移放大器。
[0015]进一步地，本实用新型的所述AD输入保护电路在输出端反馈电阻上设置有稳压二极管。
[0016]进一步地，本实用新型的该系统还包括电源模块，电源模块采用锂电池串联供电。
[0017]进一步地，本实用新型的所述换能器组包括至少3个换能器。
[0018]进一步地，本实用新型的所述信号输出模块的输出端还连接有信息终端。
[0019]本实用新型产生的有益效果是:本实用新型的基于多传感器的超声波气密性检测系统，通过二级放大电路，能够将换能器组检测到的微弱泄漏状况进行放大，检测效果更好，反应更灵敏;通过压控滤波电路，能够避免环境中的微弱电磁干扰和高频噪声，提高了检测的精确度;组处理器内设置有独立AD，满足高频采样的需求，且每路AD都可进行DMA，提高了利用效率，避免数据丢失;另外，本系统具有体积小、方便携带、灵敏度高、稳定性好、能够有效的提高了气密部件的使用安全性，可以在容器充气工作条件完成检测，在很大程度上确保了人员的生命和财产安全。
【附图说明】
[0020]下面将结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明，附图中:
[0021]图1是本实用新型实施例的基于多传感器的超声波气密性检测系统的总体框架图；
[0022]图2是本实用新型实施例的基于多传感器的超声波气密性检测系统的信号调理电路框图；
[0023]图3是本实用新型实施例的基于多传感器的超声波气密性检测系统的前置差分放大电路图；
[0024]图4是本实用新型实施例的基于多传感器的超声波气密性检测系统的二阶有源带通滤波电路图；
[0025]图5是本实用新型实施例的基于多传感器的超声波气密性检测系统的电平转换电路图；
[0026]图6是本实用新型实施例的基于多传感器的超声波气密性检测系统的AD输入保护电路图；
[0027]图7(a)是本实用新型实施例的基于多传感器的超声波气密性检测系统的信号输出驱动电路图(a);
[0028]图7(b)是本实用新型实施例的基于多传感器的超声波气密性检测系统的信号输出驱动电路图(b);
[0029]图8是本实用新型实施例的基于多传感器的超声波气密性检测系统的激光驱动电路图。
【具体实施方式】
[0030]为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
[0031]如图1和图2所示，本实用新型实施例的基于多传感器的超声波气密性检测系统，包括设置在容器内的多个超声波发射机，该系统还包括依次连接的换能器组、信号调理电路、主处理器和信号输出模块；
[0032]换能器组包括多个换能器;为了达到检测精度的要求，应至少设置3个换能器；
[0033]信号调理电路，包括依次连接的仪表运放电路、二级放大与压控滤波电路、电平转换电路以及AD输入保护电路，仪表运放电路的输入端与换能器组相连，仪表运放电路的输出端与二级放大与压控滤波电路的输入端相连，二级放大与压控滤波电路的输出端与电平转换电路的输入端相连，电平转换电路的输出端与AD输入保护电路的输入端相连；
[0034]主处理器，包括集成在主处理器中的AD采集模块和DA输出模块，AD输入保护电路的输出端与AD采集模块相连；
[0035]信号输出模块与DA输出模块的输出端相连。
[0036]超声波气体微弱泄漏产生的超声波声压很小，例如在内外压差为30kPa泄漏孔有效孔径为0.1mm，距泄漏点为1cm处的声压仅为200yPa。换能器虽然灵敏度很高，但是用于微弱泄漏检测还需要配上放大电路，放大倍数约为1000倍。换能器虽然是中心频率为40kHz，但是信号微弱容易混入环境中的电磁干扰高频噪声，和一些其他运放温漂等低频噪声，所以除了放大以外还需要加入滤波电路。
[0037]前置放大电路采用AD公司的仪表运放AD620，其采用差分输入、输入阻抗高、偏置电流小且只需要一个电阻就能调整运放的放大倍数。差分输入能有效的抑制产生的共模干扰，提高电路信噪比。AD620的增益带宽积为12000，信号频率为40kHz放大倍数能够达到300倍，小于1000，所以需要加入第二级放大。但是因为需要加入滤波电路所以第二级可以做成有源带通滤波电路，既满足了放大倍数的要求也成功的进行了滤波，节省电路面积。
[0038]因为仪器应用的环境不同，所以环境中超声波的本底噪声也不一样，需要根据不同环境设置检测的灵敏度。所以第一级放大设置成放大倍数在5?100线性可调，即将AD620运放外配置电阻换成0.5K?1K线性电
[0039]电源模块采用双3.7V锂离子电池串联供电，模块首先将7.4V电压降为5V，然后将5V变为正负5V为大多数运放供电，再将5V变为3.3V为单片机供电，全部转换都选用线性电源，电源模块采用金升阳电源模块A0505S-1W将5V电压转换为±5V，电平转换采用的是反向求和的方式，为单片机系统供电的5?3.3V电压采用线性稳压芯片AMS1117-3.3V完成。
[0040]信号输出模块包括3种信号输出模式:开关式、模拟式和数字式，开关量信号是当信号的强度大于设定阈值的时候输出为高，反之为低。除了利用GP1进行开关量输出之外，仪器上还设置了泄漏指示灯，和定位激光，其中定位激光采用ULN2003型芯片作为激光驱动电路。
[0041]如图2所示，在本发明的另一个具体实施例中，信号调理电路的前置放大电路采用AD公司的仪表运放AD620，其采用差分输入、输入阻抗高、偏置电流小且只需要一个电阻就能调整运放的放大倍数。差分输入能有效的抑制产生的共模干扰，提高电路信噪比。AD620的增益带宽积为12000，信号频率为40kHz放大倍数能够达到300倍，小于1000，所以需要加入第二级放大。但是因为需要加入滤波电路所以第二级可以做成有源带通滤波电路，即满足了放大倍数的要求也成功的进行了滤波，节省了电路面积;滤波电路的高频截止频率为42kHz、低频截止频率为38kHz，调整阻抗将中心放大倍数设置为20倍，则放大电路能实现100到2000的变放大倍数放大。电平转换电路将正负信号调整为O到3.3V之间的信号，只需加法电路即可。在调理电路的第三级电平变换部分，输出端反馈电阻上加稳压二极管D6，把输出电压稳定在3.3V以内，D7肖特基二极管RB400D和R38可以有效的去除输出信号的负电压。瞬态抑制二极管TZM5226B可以再次稳定输出电压到3.3V，R16和C18构成低通滤波电路滤除低频噪声信号。以上电路实现了输出到AD端的电压限制在O到3.3V之内，对AD起到了有效的保护。
[0042]如图3所示，为前置差分放大电路图，调整阻抗将中心放大倍数设置为20倍，则放大电路能实现100到2000的变放大倍数放大。
[0043]如图4所示，为二阶有源带通滤波电路图，滤波电路的高频截止频率为42kHz、低频截止频率为38kHz。
[0044]如图5所示，为电平转换电路图，电平转换电路将正负信号调整为O到3.3V之间的信号，只需加法电路即可。在调理电路的第三级电平变换部分，输出端反馈电阻上加稳压二极管D6，把输出电压稳定在3.3V以内，D7肖特基二极管RB400D和R38可以有效的去除输出信号的负电压。
[0045 ]如图6所示，为AD输入保护电路图，瞬态抑制二极管TZM52 26B可以再次稳定输出电压到3.3V，R16和C18构成低通滤波电路滤除低频噪声信号。以上电路实现了输出到AD端的电压限制在O到3.3V之内，对AD起到了有效的保护。
[0046]如图7(a)和图7(b)所示，为信号输出驱动电路图，所述信号输出模块为了便于仪器的使用设置了三种信号输出模式:开关式、模拟式、数字式。开关量信号是当信号的强度大于设定阈值的时候输出为高，反之为低。除了利用GP1进行开关量输出之外，仪器上还设置了泄漏指示灯，和定位激光，激光需要的电流达到50mA。模拟式信号输出通过STM32F407的内部12位DA输出O到3.3V，在经过运放将信号调理到O?5V。数字式信号输出通过STM32F407的内部TTL电平的串口输出信号强度，每秒10字节，每个字节O?255线性代表着信号0.01?&?3?&的声压，111电平串口通过祖乂3232将信号转换为1?232电平更加适用于工业现场。整个信号输出模块用一个DB9接头封装在一起，简洁稳定。
[0047]主处理器选用了 ARM公司的Cortex-M4构架的STM32F407主处理器，STM32F407VG内部具有三路独立的AD，最高采集速率达到2.4MSPS满足系统需求，同时此芯片内部每路AD都可以进行DMA，提高CPU利用效率，并且避免在此次数据没有读取之前被写入造成数据丢失，在本系统中，因为需要三路通道同时采集，且采集通道不需要经常变换所以选用规则同时模式。
[0048]信号输出模块为了便于仪器的使用设置了三种信号输出模式:开关式、模拟式、数字式。开关量信号是当信号的强度大于设定阈值的时候输出为高，反之为低。除了利用GP1进行开关量输出之外，仪器上还设置了泄漏指示灯，和定位激光，激光需要的电流达到50mA，由于I/O 口无法驱动，所以给激光发射设置了驱动电路如图8所示。模拟式信号输出通过STM32F407的内部12位DA输出O到3.3V，在经过运放将信号调理到O?5V。数字式信号输出通过STM32F407的内部TTL电平的串口输出信号强度，每秒10字节，每个字节O?255线性代表着信号0.01?&?3?&的声压，1'11电平串口通过1^乂3232将信号转换为RS232电平更加适用于工业现场。整个信号输出模块用一个DB9接头封装在一起，简洁稳定。
[0049]应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本实用新型所附权利要求的保护范围。
【主权项】
1.一种基于多传感器的超声波气密性检测系统，包括设置在容器内的多个超声波发射机，其特征在于，该系统还包括依次连接的换能器组、信号调理电路、主处理器和信号输出模块； 所述换能器组包括多个换能器； 所述信号调理电路，包括依次连接的仪表运放电路、二级放大与压控滤波电路、电平转换电路以及AD输入保护电路，仪表运放电路的输入端与换能器组相连，仪表运放电路的输出端与二级放大与压控滤波电路的输入端相连，二级放大与压控滤波电路的输出端与电平转换电路的输入端相连，电平转换电路的输出端与AD输入保护电路的输入端相连； 所述主处理器，包括集成在主处理器中的AD采集模块和DA输出模块，AD输入保护电路的输出端与AD采集模块相连； 所述信号输出模块与DA输出模块的输出端相连。2.根据权利要求1所述的基于多传感器的超声波气密性检测系统，其特征在于，所述仪表运放电路的外配置电阻为0.5K?1K的线性电位器。3.根据权利要求1所述的基于多传感器的超声波气密性检测系统，其特征在于，所述二级放大与压控滤波电路和电平转换电路均采用高频低零点漂移放大器。4.根据权利要求1所述的基于多传感器的超声波气密性检测系统，其特征在于，所述AD输入保护电路在输出端反馈电阻上设置有稳压二极管。5.根据权利要求1所述的基于多传感器的超声波气密性检测系统，其特征在于，该系统还包括电源模块，电源模块采用锂电池串联供电。6.根据权利要求1所述的基于多传感器的超声波气密性检测系统，其特征在于，所述换能器组包括至少3个换能器。7.根据权利要求1所述的基于多传感器的超声波气密性检测系统，其特征在于，所述信号输出模块的输出端还连接有信息终端。
【文档编号】G01M3/24GK205719438SQ201620385075
【公开日】2016年11月23日
【申请日】2016年4月29日
【发明人】杨毅, 刘华宜, 余建华, 王涛, 陈伟, 熊桂芳, 许俊巧, 邵璐
【申请人】国家电网公司, 武汉电力职业技术学院
【专利摘要】本实用新型公开了一种基于多传感器的超声波气密性检测系统，包括设置在容器内的多个超声波发射机和依次连接的换能器组、信号调理电路、主处理器和信号输出模块；换能器组包括多个换能器；信号调理电路，包括依次连接的仪表运放电路、二级放大与压控滤波电路、电平转换电路以及AD输入保护电路；主处理器，包括集成在主处理器中的AD采集模块和DA输出模块，AD输入保护电路的输出端与AD采集模块相连；信号输出模块与DA输出模块的输出端相连。本实用新型检测精度高，对微弱泄漏信号的检测能力强，且本系统具有体积小、方便携带、灵敏度高、稳定性好，可以在容器充气工作条件完成检测。
【专利说明】
一种基于多传感器的超声波气密性检测系统
技术领域
[0001]本实用新型涉及仪器检测领域，尤其涉及一种基于多传感器的超声波气密性检测系统。
【背景技术】
[0002]在日常生活中和工业生产中，压力容器随处可见，有用于压缩气体存储的气罐气缸，还有用于气体传输的管道。压缩气体储存在压力容器内在运输的过程中，由于一些不可避免的因素，如磨损、腐蚀人为或自然的损坏，泄漏事故经常发生。气体泄漏将会产生物料和能量损失、引发事故灾害、环境污染和设备性能降低的危害。如果能够在设备投入运行使用之前及时发现泄漏，准确定位泄漏点，估计出泄漏量的大小，就能够有效减轻或避免泄漏事故造成的危害。目前市面上所见的各种检漏仪器功能都比较简单，只能探测到较大泄漏是否存在，不能检测到微弱泄漏，和泄漏点的定位。
[0003]利用流体泄漏时产生声波的频率特性进行分析是流体泄漏检测的一个新的领域。当容器发生泄漏时，泄漏点小内外压差较大时会形成湍流射流，在泄漏点附近形成无数个大小不一的漩涡，漩涡会不断产生和破裂从而产生声音。泄漏产生的声音频率范围很宽一般在2?200kHz间，但不同工况例如内外压力和泄漏孔大小的不同，泄漏产生声波的中心频率均不同。则可利用不同泄漏状态下信号频谱峰值不同的特点来进行。
[0004]德国学者R.1sermann和H.S iebert经过多年的合作研究，在理论结合实践的基础上提出了一种创新性方法:将输入输出的流量信号和压力信号经过进行互相关然后做相应的处理进行泄漏检测。英国壳牌石油公司的Xue JunZhang在1992年提出了一种基于流体管道统计量的泄漏法。该方法的具体步骤是统计管道输入输出口的流体压力和流量的统计参数，然后通过计算判断出管道泄漏的概率。上世纪80年代以来，我国在气体泄漏检测的领域取得了一些进展，包括一些科研人员在互相关法和应力波法的软件检测方面也进行了较为深入的研究，近几年在泄漏系统仿真方面也开始逐渐快速发展起来。目前国内已有较多种类的泄漏检测仪面市，例如声发射。但目前的各种检测设备在进行泄漏检测的时不能保证其可靠性，而且一些泄漏检测设备的应用面较窄，设备性价比低，同时多为特定工况不能得到普遍的广泛应用。超声波无损检测具有非接触，反应速度快设备便携，可实现实时在线测量，及其适应能力强的优点。我国对超声波领域的研究也取得了一定的进展，将其运用到气体泄漏检测领域将是必然选择。
[0005]本实用新型应用的超声波气体泄漏检测技术，属于超声波无损检测技术应用之一，继承了超声波无损检测的优点。超声波无损检测与其它常规技术相比，它具有被测对象范围广、检测适用性高、检测灵敏度高、性价比高、速度快、设备使用方便携带对便于现场检测、并对人体无害的优点。超声无损检测在进几十年来迅猛发展并取得了广泛的应用，几乎已经应用到了所有的工业部门。尤其适宜检测各类管道、阀门部件内部产生的裂痕，还能检测船舱、飞机、航天器、汽车座舱、冰箱、冷库、储油罐、密闭容腔的密封程度，这样便有效的提高了各个部件的使用安全性，在很大程度上确保了人员的生命和财产安全。可见泄漏检测对于提高企业的生产效率，节约能源，确保工作人员的人身安全都具有非常重大的意义。【实用新型内容】
[0006]本实用新型要解决的技术问题在于针对现有技术中单个传感器定位检测精度低的缺陷，提供一种结合多个传感器，可在容器充气工作条件完成检测且灵敏度高、稳定性高的基于多传感器的超声波气密性检测系统。
[0007]本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是:
[0008]本实用新型提供一种基于多传感器的超声波气密性检测系统，包括设置在容器内的多个超声波发射机，其特征在于，该系统还包括依次连接的换能器组、信号调理电路、主处理器和信号输出模块；
[0009]所述换能器组包括多个换能器；
[0010]所述信号调理电路，包括依次连接的仪表运放电路、二级放大与压控滤波电路、电平转换电路以及AD输入保护电路，仪表运放电路的输入端与换能器组相连，仪表运放电路的输出端与二级放大与压控滤波电路的输入端相连，二级放大与压控滤波电路的输出端与电平转换电路的输入端相连，电平转换电路的输出端与AD输入保护电路的输入端相连；
[0011]所述主处理器，包括集成在主处理器中的AD采集模块和DA输出模块，AD输入保护电路的输出端与AD采集模块相连；
[0012]所述信号输出模块与DA输出模块的输出端相连。
[0013]进一步地，本实用新型的所述仪表运放电路的外配置电阻为0.5K?1K的线性电位器。
[0014]进一步地，本实用新型的所述二级放大与压控滤波电路和电平转换电路均采用高频低零点漂移放大器。
[0015]进一步地，本实用新型的所述AD输入保护电路在输出端反馈电阻上设置有稳压二极管。
[0016]进一步地，本实用新型的该系统还包括电源模块，电源模块采用锂电池串联供电。
[0017]进一步地，本实用新型的所述换能器组包括至少3个换能器。
[0018]进一步地，本实用新型的所述信号输出模块的输出端还连接有信息终端。
[0019]本实用新型产生的有益效果是:本实用新型的基于多传感器的超声波气密性检测系统，通过二级放大电路，能够将换能器组检测到的微弱泄漏状况进行放大，检测效果更好，反应更灵敏;通过压控滤波电路，能够避免环境中的微弱电磁干扰和高频噪声，提高了检测的精确度;组处理器内设置有独立AD，满足高频采样的需求，且每路AD都可进行DMA，提高了利用效率，避免数据丢失;另外，本系统具有体积小、方便携带、灵敏度高、稳定性好、能够有效的提高了气密部件的使用安全性，可以在容器充气工作条件完成检测，在很大程度上确保了人员的生命和财产安全。
【附图说明】
[0020]下面将结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明，附图中:
[0021]图1是本实用新型实施例的基于多传感器的超声波气密性检测系统的总体框架图；
[0022]图2是本实用新型实施例的基于多传感器的超声波气密性检测系统的信号调理电路框图；
[0023]图3是本实用新型实施例的基于多传感器的超声波气密性检测系统的前置差分放大电路图；
[0024]图4是本实用新型实施例的基于多传感器的超声波气密性检测系统的二阶有源带通滤波电路图；
[0025]图5是本实用新型实施例的基于多传感器的超声波气密性检测系统的电平转换电路图；
[0026]图6是本实用新型实施例的基于多传感器的超声波气密性检测系统的AD输入保护电路图；
[0027]图7(a)是本实用新型实施例的基于多传感器的超声波气密性检测系统的信号输出驱动电路图(a);
[0028]图7(b)是本实用新型实施例的基于多传感器的超声波气密性检测系统的信号输出驱动电路图(b);
[0029]图8是本实用新型实施例的基于多传感器的超声波气密性检测系统的激光驱动电路图。
【具体实施方式】
[0030]为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
[0031]如图1和图2所示，本实用新型实施例的基于多传感器的超声波气密性检测系统，包括设置在容器内的多个超声波发射机，该系统还包括依次连接的换能器组、信号调理电路、主处理器和信号输出模块；
[0032]换能器组包括多个换能器;为了达到检测精度的要求，应至少设置3个换能器；
[0033]信号调理电路，包括依次连接的仪表运放电路、二级放大与压控滤波电路、电平转换电路以及AD输入保护电路，仪表运放电路的输入端与换能器组相连，仪表运放电路的输出端与二级放大与压控滤波电路的输入端相连，二级放大与压控滤波电路的输出端与电平转换电路的输入端相连，电平转换电路的输出端与AD输入保护电路的输入端相连；
[0034]主处理器，包括集成在主处理器中的AD采集模块和DA输出模块，AD输入保护电路的输出端与AD采集模块相连；
[0035]信号输出模块与DA输出模块的输出端相连。
[0036]超声波气体微弱泄漏产生的超声波声压很小，例如在内外压差为30kPa泄漏孔有效孔径为0.1mm，距泄漏点为1cm处的声压仅为200yPa。换能器虽然灵敏度很高，但是用于微弱泄漏检测还需要配上放大电路，放大倍数约为1000倍。换能器虽然是中心频率为40kHz，但是信号微弱容易混入环境中的电磁干扰高频噪声，和一些其他运放温漂等低频噪声，所以除了放大以外还需要加入滤波电路。
[0037]前置放大电路采用AD公司的仪表运放AD620，其采用差分输入、输入阻抗高、偏置电流小且只需要一个电阻就能调整运放的放大倍数。差分输入能有效的抑制产生的共模干扰，提高电路信噪比。AD620的增益带宽积为12000，信号频率为40kHz放大倍数能够达到300倍，小于1000，所以需要加入第二级放大。但是因为需要加入滤波电路所以第二级可以做成有源带通滤波电路，既满足了放大倍数的要求也成功的进行了滤波，节省电路面积。
[0038]因为仪器应用的环境不同，所以环境中超声波的本底噪声也不一样，需要根据不同环境设置检测的灵敏度。所以第一级放大设置成放大倍数在5?100线性可调，即将AD620运放外配置电阻换成0.5K?1K线性电
[0039]电源模块采用双3.7V锂离子电池串联供电，模块首先将7.4V电压降为5V，然后将5V变为正负5V为大多数运放供电，再将5V变为3.3V为单片机供电，全部转换都选用线性电源，电源模块采用金升阳电源模块A0505S-1W将5V电压转换为±5V，电平转换采用的是反向求和的方式，为单片机系统供电的5?3.3V电压采用线性稳压芯片AMS1117-3.3V完成。
[0040]信号输出模块包括3种信号输出模式:开关式、模拟式和数字式，开关量信号是当信号的强度大于设定阈值的时候输出为高，反之为低。除了利用GP1进行开关量输出之外，仪器上还设置了泄漏指示灯，和定位激光，其中定位激光采用ULN2003型芯片作为激光驱动电路。
[0041]如图2所示，在本发明的另一个具体实施例中，信号调理电路的前置放大电路采用AD公司的仪表运放AD620，其采用差分输入、输入阻抗高、偏置电流小且只需要一个电阻就能调整运放的放大倍数。差分输入能有效的抑制产生的共模干扰，提高电路信噪比。AD620的增益带宽积为12000，信号频率为40kHz放大倍数能够达到300倍，小于1000，所以需要加入第二级放大。但是因为需要加入滤波电路所以第二级可以做成有源带通滤波电路，即满足了放大倍数的要求也成功的进行了滤波，节省了电路面积;滤波电路的高频截止频率为42kHz、低频截止频率为38kHz，调整阻抗将中心放大倍数设置为20倍，则放大电路能实现100到2000的变放大倍数放大。电平转换电路将正负信号调整为O到3.3V之间的信号，只需加法电路即可。在调理电路的第三级电平变换部分，输出端反馈电阻上加稳压二极管D6，把输出电压稳定在3.3V以内，D7肖特基二极管RB400D和R38可以有效的去除输出信号的负电压。瞬态抑制二极管TZM5226B可以再次稳定输出电压到3.3V，R16和C18构成低通滤波电路滤除低频噪声信号。以上电路实现了输出到AD端的电压限制在O到3.3V之内，对AD起到了有效的保护。
[0042]如图3所示，为前置差分放大电路图，调整阻抗将中心放大倍数设置为20倍，则放大电路能实现100到2000的变放大倍数放大。
[0043]如图4所示，为二阶有源带通滤波电路图，滤波电路的高频截止频率为42kHz、低频截止频率为38kHz。
[0044]如图5所示，为电平转换电路图，电平转换电路将正负信号调整为O到3.3V之间的信号，只需加法电路即可。在调理电路的第三级电平变换部分，输出端反馈电阻上加稳压二极管D6，把输出电压稳定在3.3V以内，D7肖特基二极管RB400D和R38可以有效的去除输出信号的负电压。
[0045 ]如图6所示，为AD输入保护电路图，瞬态抑制二极管TZM52 26B可以再次稳定输出电压到3.3V，R16和C18构成低通滤波电路滤除低频噪声信号。以上电路实现了输出到AD端的电压限制在O到3.3V之内，对AD起到了有效的保护。
[0046]如图7(a)和图7(b)所示，为信号输出驱动电路图，所述信号输出模块为了便于仪器的使用设置了三种信号输出模式:开关式、模拟式、数字式。开关量信号是当信号的强度大于设定阈值的时候输出为高，反之为低。除了利用GP1进行开关量输出之外，仪器上还设置了泄漏指示灯，和定位激光，激光需要的电流达到50mA。模拟式信号输出通过STM32F407的内部12位DA输出O到3.3V，在经过运放将信号调理到O?5V。数字式信号输出通过STM32F407的内部TTL电平的串口输出信号强度，每秒10字节，每个字节O?255线性代表着信号0.01?&?3?&的声压，111电平串口通过祖乂3232将信号转换为1?232电平更加适用于工业现场。整个信号输出模块用一个DB9接头封装在一起，简洁稳定。
[0047]主处理器选用了 ARM公司的Cortex-M4构架的STM32F407主处理器，STM32F407VG内部具有三路独立的AD，最高采集速率达到2.4MSPS满足系统需求，同时此芯片内部每路AD都可以进行DMA，提高CPU利用效率，并且避免在此次数据没有读取之前被写入造成数据丢失，在本系统中，因为需要三路通道同时采集，且采集通道不需要经常变换所以选用规则同时模式。
[0048]信号输出模块为了便于仪器的使用设置了三种信号输出模式:开关式、模拟式、数字式。开关量信号是当信号的强度大于设定阈值的时候输出为高，反之为低。除了利用GP1进行开关量输出之外，仪器上还设置了泄漏指示灯，和定位激光，激光需要的电流达到50mA，由于I/O 口无法驱动，所以给激光发射设置了驱动电路如图8所示。模拟式信号输出通过STM32F407的内部12位DA输出O到3.3V，在经过运放将信号调理到O?5V。数字式信号输出通过STM32F407的内部TTL电平的串口输出信号强度，每秒10字节，每个字节O?255线性代表着信号0.01?&?3?&的声压，1'11电平串口通过1^乂3232将信号转换为RS232电平更加适用于工业现场。整个信号输出模块用一个DB9接头封装在一起，简洁稳定。
[0049]应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本实用新型所附权利要求的保护范围。
【主权项】
1.一种基于多传感器的超声波气密性检测系统，包括设置在容器内的多个超声波发射机，其特征在于，该系统还包括依次连接的换能器组、信号调理电路、主处理器和信号输出模块； 所述换能器组包括多个换能器； 所述信号调理电路，包括依次连接的仪表运放电路、二级放大与压控滤波电路、电平转换电路以及AD输入保护电路，仪表运放电路的输入端与换能器组相连，仪表运放电路的输出端与二级放大与压控滤波电路的输入端相连，二级放大与压控滤波电路的输出端与电平转换电路的输入端相连，电平转换电路的输出端与AD输入保护电路的输入端相连； 所述主处理器，包括集成在主处理器中的AD采集模块和DA输出模块，AD输入保护电路的输出端与AD采集模块相连； 所述信号输出模块与DA输出模块的输出端相连。2.根据权利要求1所述的基于多传感器的超声波气密性检测系统，其特征在于，所述仪表运放电路的外配置电阻为0.5K?1K的线性电位器。3.根据权利要求1所述的基于多传感器的超声波气密性检测系统，其特征在于，所述二级放大与压控滤波电路和电平转换电路均采用高频低零点漂移放大器。4.根据权利要求1所述的基于多传感器的超声波气密性检测系统，其特征在于，所述AD输入保护电路在输出端反馈电阻上设置有稳压二极管。5.根据权利要求1所述的基于多传感器的超声波气密性检测系统，其特征在于，该系统还包括电源模块，电源模块采用锂电池串联供电。6.根据权利要求1所述的基于多传感器的超声波气密性检测系统，其特征在于，所述换能器组包括至少3个换能器。7.根据权利要求1所述的基于多传感器的超声波气密性检测系统，其特征在于，所述信号输出模块的输出端还连接有信息终端。
【文档编号】G01M3/24GK205719438SQ201620385075
【公开日】2016年11月23日
【申请日】2016年4月29日
【发明人】杨毅, 刘华宜, 余建华, 王涛, 陈伟, 熊桂芳, 许俊巧, 邵璐
【申请人】国家电网公司, 武汉电力职业技术学院
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