氣體泄漏超聲檢測系統的研究與設計
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2 系統硬件實(shí)現
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(chǎng)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,必須對系統信號放大部分進(jìn)行精心的設計。在本系統中只檢測40kHz點(diǎn)的泄漏超聲波的強度,原因是通過(guò)實(shí)驗得出,在40kHz點(diǎn)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靈敏度。
系統原理如圖4所示。系統分為模擬和數字兩部分,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、功率驅動(dòng)電路組成。數字部分主要由DSP和LCD、RAM、鍵盤(pán)等外圍設備組成。傳感器信號經(jīng)過(guò)放大濾波以后,一路交由DSP處理,另一路通過(guò)降頻轉化為可聽(tīng)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(zhuān)用高精度儀器三運放AD620。AD620是由三個(gè)精密運放集成的差分專(zhuān)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(diǎn),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(gè)無(wú)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(guò)增大放大倍數來(lái)彌補。第二級是一個(gè)有源帶通濾波電路。在這一級可以濾掉前面濾波器沒(méi)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(gè)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定性。第三級是一個(gè)一般的同相放大電路。經(jīng)過(guò)第三級放大以后,信號范圍為-3.3V～+3.3V,再經(jīng)過(guò)如圖所示的兩個(gè)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(lái)說(shuō),還是不能忽略器件本身的噪聲。在信號進(jìn)入DSP以后再一次對其進(jìn)行數字濾波,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(tīng)覺(jué)范圍大約在1kHz到20kHz之間。因此檢測到的超聲信號必須通過(guò)降頻才能為人耳所聽(tīng)到。降頻的原理是利用差分信號的乘法特性:
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