傳統(tǒng)的泄漏檢測(cè)方法如壓差法、氣泡法等，操作復(fù)雜并且對(duì)技術(shù)人員要求較高，而且不具有實(shí)時(shí)性。目前，工業(yè)上廣泛利用泄漏產(chǎn)生超聲波的原理來進(jìn)行泄漏檢測(cè)。利用超聲波檢測(cè)氣體泄漏位置，不僅方法簡(jiǎn)單，而且準(zhǔn)確可靠?；诖?，本文研究并設(shè)計(jì)了一種新型的超聲波氣體泄漏檢測(cè)系統(tǒng)。

1 檢測(cè)原理
1.1氣體泄漏產(chǎn)生超聲波
　　如果一個(gè)容器內(nèi)充滿氣體，當(dāng)其內(nèi)部壓強(qiáng)大于外部壓強(qiáng)時(shí)，由于內(nèi)外壓差較大，一旦容器有漏孔，氣體就會(huì)從漏孔沖出。當(dāng)漏孔尺寸較小且雷諾數(shù)較高時(shí)，沖出氣體就會(huì)形成湍流，湍流在漏孔附近會(huì)產(chǎn)生一定頻率的聲波，聲波振動(dòng)的頻率與漏孔尺寸有關(guān)，漏孔較大時(shí)人耳可聽到漏氣聲，漏孔很小且聲波頻率大于 20kHz時(shí)，人耳就聽不到了，但它們能在空氣中傳播，被稱作空載超聲波。超聲波是高頻短波信號(hào)，其強(qiáng)度隨著離開聲源(漏孔)距離的增加而迅速衰減。因此，超聲波被認(rèn)為是一種方向性很強(qiáng)的信號(hào)，用此信號(hào)判斷泄漏位置相當(dāng)簡(jiǎn)單。
　　泄漏產(chǎn)生的超聲波頻帶比較寬，一般在20kHz到100kHz之間。在不同的頻率點(diǎn)，超聲波的能量是不同的。實(shí)際上，它的頻譜峰值也是隨泄漏孔的尺寸和壓力的變化而變化的。比如：在一定的泄漏孔徑和壓力下，如果泄漏超聲波的頻譜峰值是在38kHz點(diǎn)，那么加大孔徑以后它的頻譜峰值可能出現(xiàn)在36kHz點(diǎn);如果孔徑不變，加大系統(tǒng)內(nèi)外壓差，頻譜峰值可能出現(xiàn)在43kHz點(diǎn)。但是在同一頻率點(diǎn)，對(duì)于形狀相同的泄漏孔，泄漏所產(chǎn)生的超聲波的聲強(qiáng)隨泄漏量的增大而增大。另外，如果泄漏量恒定，即泄漏面積一定，則泄漏孔的形狀越接近于圓形，聲壓越高。

2 系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)
　　小孔氣體泄漏所發(fā)出的超聲波強(qiáng)度是微弱的，而且在工業(yè)場(chǎng)合，環(huán)境噪聲是相當(dāng)大的。所以要檢測(cè)出在惡劣環(huán)境下的氣體泄漏所發(fā)出的超聲，須對(duì)系統(tǒng)信號(hào)放大部分進(jìn)行精心的設(shè)計(jì)。在本系統(tǒng)中只檢測(cè)40kHz點(diǎn)的泄漏超聲波的強(qiáng)度，原因是通過實(shí)驗(yàn)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大。這樣選擇可以增加系統(tǒng)靈敏度。
　　系統(tǒng)原理，系統(tǒng)分為模擬和數(shù)字兩部分，模擬部分包括信號(hào)放大電路和音頻處理電路等。信號(hào)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(dòng)電路組成。數(shù)字部分主要由DSP和LCD、RAM、鍵盤等外圍設(shè)備組成。傳感器信號(hào)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。
　　前置放大電路選用AD公司的專用高精度儀器三運(yùn)放AD620。AD620是由三個(gè)精密運(yùn)放集成的差分專用儀器運(yùn)放，它具有低偏移、高增益(信號(hào)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(hào)。由于傳感器接收到的大量的低頻噪聲(如50Hz的工頻噪聲)強(qiáng)度遠(yuǎn)大于它所接收到的超聲信號(hào)，所以在傳感器與AD620之間須接一個(gè)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(bǔ)。第二級(jí)是一個(gè)有源帶通濾波電路。在這一級(jí)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(jí)和第三級(jí)運(yùn)放都采用AD公司的OP777，它是一個(gè)超精密的低噪聲運(yùn)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(jí)是一個(gè)一般的同相放大電路。經(jīng)過第三級(jí)放大以后，信號(hào)范圍為-3.3V～+3.3V，再經(jīng)過兩個(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(hào)變?yōu)?/span>0～3.3V。
　　雖然選用的器件是低噪聲的，但是對(duì)于檢測(cè)微弱的泄漏超聲信號(hào)來說，還是不能忽略器件本身的噪聲。在信號(hào)進(jìn)入DSP以后再一次對(duì)其進(jìn)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。這樣可以獲得足夠高精度的泄漏超聲波信號(hào)。