技术摘要：
本发明提供的基于超声检测的气密容器泄漏定位测量系统，硬件系统包括主控单片机、超声发射电路、超声接收电路、音频识别处理模块、电源供电模块，软件平台利用C语言实现的超声的发射、产生本振信号的驱动以及串口数据的传输。该系统主要实现高压密封容器或管道的气体泄  全部
背景技术：
随着工业技术的不断发展，气密容器与管道的应用在不断深入和普及，气体泄漏 检测技术已经成为一个融合多个学科、多种技术交叉的新领域，世界各国纷纷对这一领域 投入巨资做相关研究和应用，力求寻找到更安全、可靠、便捷的泄漏检测方法。 气密容器是一种密封容器，其外部或内部承受液体、气体压力而使容器存在内外 差,且对安全性有较高要求，真空设备是将其它容器内的气体抽出保持容器内接近真空状 态的装置或者其内部要保持真空状态的装置。气密容器、真空设备和管道在多个领域均有 应用，这些装置维持正常工作的基本条件是保持密封或泄漏率在允许漏率范围内。当发生 泄漏时，会因漏孔大小、泄漏部位和泄漏物质的不同而产生不同程度和不同表现形式的危 害，这些危害大体表现在以下几方面：一是无法保持真空装置的工作真空度或气密容器内 部的工作压力，二是对器件内部工作环境造成污染，三是因泄漏产生的间接危害；为了减少 这些由泄漏带来的不必要的损失，需要足够的重视气密容器泄漏的检测定位，需要运用有 效的检测泄漏手段将影响工作的漏孔或漏缝检出，以便进行修补。 气密容器泄漏定位检测任务是：一是考虑各方面的因素：设备对灵敏度的要求、其 工作环境、经济性、工作状态、可操作性等，选择合理的检漏方法和满足要求的检漏仪器；二 是判定是否存在漏孔或漏缝，并测出泄漏率是否在允许的泄漏率范围内；三是对漏孔或漏 缝定位，以便对其进行修补。 现有技术气密容器泄漏的检漏方法有多种，它们的使用条件、适用范围和检漏原 理不尽相同，很难严格的根据适用范围、检漏原理等来加以分类。现有技术比较常用的检漏 方法有：气泡法、气压法、卤素法、氦质谱法、超声法。 现有技术的气泡法是根据气泡形成的地方判定漏孔的位置、气泡的直径大小判断 漏率与上升速度，气泡直径越大，说明漏率越大，上升速度越快。气泡法的缺点在于适用场 合有限，后续处理复杂，忽略了气体的可溶性，当被检件腔内压力小于临界压力时，不能产 生气泡，即使被检件腔内压力大于或等于临界压力，也可能会因为液体内杂质堵塞漏孔而 无法产生气泡，或形成气泡时间较长而无法在观测时间内被发现，或气泡体积太小或冒泡 的时间极短而肉眼无法观察到造成误判，被检物体表面凹凸不平处积存的气体浮出产生气 泡也容易造成误判。 现有技术的气压法是将被检件充入压缩气体，直到腔内压力值到达某一要求值后 不再继续充气，观察压力换能器显示值的变化，若存在漏孔或漏缝，容器内的压强值会随时 间不断减小。气压法的缺点在于只能粗略的判断是否有泄漏，不能对泄漏位置精确定位，易 受温度影响，当有较高灵敏度要求需要延长检漏时间，检漏周期也相应的延长，在温度低于 水蒸气的漏点温度时，压缩气体中的水蒸气凝结成水，会使被检件内压力变小，需要漏点传 6 CN 111551321 A 说　明　书 2/14 页 感器校正压力误差。 现有技术的卤素法在卤素为较低浓度时精确度很高,最小可检泄漏率达11cm3/s。 卤素法的缺点在于被检件要清洁干净，以免探头在被检件表面移动时，其表面的铁屑、潮 气、油脂等被吸入探头中，当卤素浓度较高时，仪器容易饱和甚至中毒，所以检测必须在通 风环境中进行，卤素气体比空气重，容易产生虚假现象，卤素气体不安全，检测人员要做好 防护措施，且检测完毕之后需回收卤素气体。 现有技术的氦质谱法高灵敏度，可靠稳定，响应迅速，定位定量准确，氦气是惰性 气体，无毒安全。氦质谱法的缺点在于仪器本身和氦气昂贵，经济性差。 现有技术的超声法将被检件充满压缩空气并密封，有漏孔时高压的气体流过微小 漏孔会产生湍流或射流，产生超声波，从而被检出。其优点在于可靠性高，操作方便快捷，安 全对环境无污染。其缺点在于易被干扰。现有技术的气体泄漏超声检漏是随着煤气、天然气 管道输送业的兴起出现的，近几十年的发展，超声气体泄漏检测从单纯的硬件设计逐渐向 硬件和软件相结合的方向转变，陆续出现了超声检漏仪、whisper超声检漏仪、超声相控阵 检漏仪等。利用计算机强大软件功能和数字信号处理能力，超声气体检漏模块逐步向多通 道和分布式的方向发展，在数字信号处理上融入小波变换、分形等信号处理技术，在定位上 运用了合成孔径分析法等。这些软件硬件相结合的方法已成为当前超声波气体检漏的热 点，但依然存在硬件兼容性不好，成本过高，匹配性不强，容易受到各方面的干扰，气密容器 泄漏定位测量安全性较低，软件可操作性不强，操作繁琐，运行速度慢，程序鲁棒性不好，效 率不高，基于超声检测的气密容器泄漏定位测量方法的理论基础不可靠，检测方法的精度 不高，实用性不好，在实际操作中存在各种问题，方法局限性很大，不利于推广运用。 但整体而言，超声检漏法在精度上要远好于气泡法和压差法，在可操作性和安全 性上好于卤素法，在使用成本上比氦质谱法低。不管是从精度、可操作性、安全性、检测效 率、适用范围和价格等多方面的考虑，均认为选择超声检漏发比较合适，本发明基于超声检 测的气密容器泄漏定位测量系统，检测气密容器的漏缝产生的超声信号，并将其转换成人 耳可识别的音频信号，使检漏工作变得更容易高效。 综上，针对现有技术气密容器泄漏定位测量存在的一些缺陷，本发明拟解决以下 问题： 一是现有技术的气泡法适用场合有限，后续处理复杂，忽略了气体的可溶性，当被 检件腔内压力小于临界压力时，不能产生气泡，即使被检件腔内压力大于或等于临界压力， 也可能会因为液体内杂质堵塞漏孔而无法产生气泡，或形成气泡时间较长而无法在观测时 间内被发现，或气泡体积太小或冒泡的时间极短而肉眼无法观察到造成误判，被检物体表 面凹凸不平处积存的气体浮出产生气泡也容易造成误判。 二是现有技术的气压法只能粗略的判断是否有泄漏，不能对泄漏位置精确定位， 易受温度影响，当有较高灵敏度要求需要延长检漏时间，检漏周期也相应的延长，在温度低 于水蒸气的漏点温度时，压缩气体中的水蒸气凝结成水，会使被检件内压力变小，需要漏点 传感器校正压力误差。 三是现有技术的卤素法检测必须在通风环境中进行，卤素气体比空气重，容易产 生虚假现象，卤素气体不安全，检测人员要做好防护措施，且检测完毕之后需回收卤素气 体。现有技术的氦质谱法仪器本身和氦气昂贵，经济性差。 7 CN 111551321 A 说　明　书 3/14 页 四是现有技术的超声法依然存在硬件兼容性不好，成本过高，匹配性不强，容易受 到各方面的干扰，气密容器泄漏定位测量安全性较低，软件可操作性不强，操作繁琐，运行 速度慢，程序鲁棒性不好，效率不高，基于超声检测的气密容器泄漏定位测量方法的理论基 础不可靠，检测方法的精度不高，实用性不好，在实际操作中存在各种问题，方法局限性很 大，不利于推广运用。 五是现有技术的气体泄漏超声检漏对操作不够安全简单、系统使用麻烦、装置成 本很高、定位精度相对较低，被测对象的范围很窄，特别是气密容器泄漏定位测量的判定不 精准，基于超声检测的气密容器泄漏定位测量方法不具有鲁棒性和高效性。
技术实现要素：
针对现有技术的不足，本发明提供的基于超声检测的气密容器泄漏定位测量系 统，硬件系统包括主控单片机、超声发射电路、超声接收电路、音频识别处理模块、电源供电 模块，软件平台利用C语言实现的超声的发射、产生本振信号的驱动以及串口数据的传输。 该系统主要实现高压密封容器或管道的气体泄漏检测，以及在存在泄漏的情况下，对泄漏 进行定位。其主要优点在于泄漏定位测量操作安全简单、系统使用方便、装置成本低、定位 精度相对较高，被测对象的范围广等。检测定位成本较低，精度又相对较高，方法局限性小， 具有普适性和可移植性，市场推广应用潜力巨大。 为达到以上技术效果，本发明所采用的技术方案如下： 基于超声检测的气密容器泄漏定位测量系统，包括主控单片机、超声发射电路、超 声接收电路、本机差频振荡器、模拟乘法器、高频剪切滤波器、音频功放模块和电源供电模 块； 基于超声检测的气密容器泄漏定位测量系统的工作流程为：首先控制芯片产生一 个40kHz的高频脉冲信号驱动超声发射电路产生超声波模拟泄漏声源，用超声接收电路接 收超声信号并将其转换成电信号，然后对接收到的超声信号做音频处理，将超声信号与由 本机差频振荡器产生的37kHz的高频脉冲信号进行混频，得到3kHz的音频信号，最后将功率 放大，通过耳机发出声音，进行气密容器泄漏定位测量； 本发明基于超声检测的气密容器泄漏定位测量方法包括改变角度的声强定位测 量方法和改变距离的声强定位测量方法； 本发明的超声混频识别的方法为：若要将信号a和信号b混频，假设a＝VacosDat,b ＝VbcosDbt,将二信号输入到模拟乘法器之后得到信号c,信号c的表达式如式1, 信号c中含有二种频率成分：差频Da-Db和和频Da Db，然后将信号c接到高频剪切滤 波器，滤掉Da Db的和频信号，可得Da-Db的差频信号超声混频识别图，k为系数，Da、Db为频率， 若令a为接收到的40kHz超声信号，b为本机差频振荡器产生的37kHz本振信号，则 经过模拟乘法器之后得到信号c包含3kHz和77kHz的信号，然后将信号c通过高频剪切滤波 器，过滤掉77kHz的信号，得到3kHz的信号，3kHz的信号再做功率放大并连接耳机，则可识别 到相应频率的声音。 8 CN 111551321 A 说　明　书 4/14 页 基于超声检测的气密容器泄漏定位测量系统，进一步的，超声检测系统软件设计 中，用单片机编程主要包括：触发NE555矩形波发生器产生40kHz的超声信号，对可编程任意 波形发生器AD9833编程产生频率为37kHz的本振信号； 本发明主程序主程序调用了4个子程序，分别是延时100微秒程序、延时100毫秒程 序、AD9833波形设置程序、AD9833波形幅值启动设置程序。 基于超声检测的气密容器泄漏定位测量系统，进一步的，本发明主控单片机采用 型号为STC89C52RC单片机，主控单片机一是控制超声发射电路发射超声；二是对可编程任 意波形发生器的控制寄存器、频率寄存器、相位寄存器进行设置，产生符合要求的本振信 号；三是通过串口传输数据。 基于超声检测的气密容器泄漏定位测量系统，进一步的，超声发射电路中，超声发 射装置包括NE555构成矩形波发生器、功率放大器和超声发射探头，其中矩形波发生器产生 一定频率的方波脉冲，后续由功率放大器对产生的方波脉冲放大并作阻抗匹配，放大后的 高频方波脉冲驱动超声探头产生超声； NE555定时器为模拟电路和数字电路混合的集成电路，加上不同的外围电路构成 矩形波发生器、施密特触发器和单稳态触发器；由少量电阻、电容和NE555构成的无稳态矩 形波发生的工作波形没有稳态输出，只有VCH和VCL二种暂稳态输出，二种暂稳态自行相互转 换，可输出占空比和频率可调的矩形波； NE555芯片的第4脚为其使能端，当该脚为高电平时，由NE555构成的矩形波发生器 工作，该引脚由单片机控制，实施例中该引脚与单片机的P01引脚相连，当需要发射超声信 号时，将单片机P01口设置1，使NE555使能处于工作状态。 基于超声检测的气密容器泄漏定位测量系统，进一步的，超声接收电路中，前置放 大电路采用一种低功耗的高速J-FET双运算放大器TL082,最大工作电压为±18V,特点为： 一是内部有频率补偿电路，减小输入输出相位差；二是压摆率较高，一般为13V/μs；三是输 入极具有较高的输入阻抗，JFET输入级；四是输出设有短路保护，防止输出短路失效；五是 较低输入偏置电压：5pA，较低的偏移电流：30pA；六是总谐波失真较低，一般为0.003％；七 是低功耗：1.4mA/ch； 本发明的前置放大电路是由二个TL0832双运算放大器组成的二级放大电路，设置 输入信号为幅值为1mV、频率为40kHz的正弦信号，该输入信号经过交流耦合放大，放大倍数 为C1，经过一级放大后，信号再经过交流耦合放大，放大倍数为C2，总增益为：C＝C1×C2。 基于超声检测的气密容器泄漏定位测量系统，进一步的，本发明设计的高频剪切 滤波器采用4阶有源滤波器，它的设计由FilterPro软件实现，FilterPro对滤波器的各种参 数进行设计，在根据功能选择滤波器的参数后在软件中输入选择的参数，得到滤波器的相 频特性、幅频特性曲线，并且可得到具体电路，高频剪切滤波器的主要参数包括通带带宽、 中心频率、插入损耗、纹波、截止频率、带内波动、回波损耗、阻带抑制度、延迟、带内驻波比、 寄生响应、极点； 高频剪切滤波器设计步骤为： 步骤1，选择滤波器的类型为高频剪切滤波器，过滤掉高频信号，让音频段内的信 号通过； 步骤2，选择滤波器的具体参数：增益为1V/V、截止频率为20kHz，滤波器阶数为4 9 CN 111551321 A 说　明　书 5/14 页 阶，选择宽带和通带内衰减3分贝； 步骤3，选择滤波器的类型，本发明滤波器的类型选择6分贝的Gaussian滤波器； 步骤4，滤波器的拓扑结构选择Sallen.key拓扑结构； 完成以上步骤后，FilterPro软件自动生成高频剪切滤波器的电路原理图、幅频相 频特性伯德图。 基于超声检测的气密容器泄漏定位测量系统，进一步的，本发明音频功放模块选 用的是LM386芯片，音频功放模块包括LM386的内部结构、LM386的引脚图和LM386外围电路； LM386内部电路：LM386是一个三级放大电路，第一级是由T1、T2、T4、T6组成的差分 放大复合管和由T3、T5组成的镜像电流源组成，镜像电流源为T1、T6管提供有源负载，单端输 出电路的增益近似等于双端输出电容的增益，第二级是由恒流源和T7管组成的共射放大电 路，其中的D1、D2二极管为T10、T8提供偏置电压消除交越失真，第三级由一对小功率NPN管 T10、T9和PNP管T8对管组成的准互补输出级，回避PNP和NPN功率对管配对的复杂过程，电路 由单电源供电； LM386的引脚图：引脚2和引脚3与T4、T6的集电极相连，分别是反向输入端和同相输 入端，引脚5为输出端需要外接输出电容和负载，引脚4和6分别是接地端和电源端，引脚7外 接旁路电解电容，起滤除噪声的作用，引脚8和1之间接电阻和电容，通过改变电容值来设置 功放增益； LM386外围电路：经过高频剪切滤波器的3kHz的音频信号从引脚3处输入，耳机接 到输出端识别声音，可改变引脚1和8之间的电容值调节增益，当二引脚件之间断开时增益 为20分贝，此处二引脚间接1.2kΩ电阻和10u的极性电容，增益为50分贝，在PCB设计时尽可 能的使地线粗、外围元件靠近LM386、输入音频信号平行走线。 基于超声检测的气密容器泄漏定位测量系统，进一步的，改变角度的声强定位测 量方法是比较同一点处同一换能器不同入射角时接收到同一声源信号的幅值强度对声源 定位，当接收的声源信号在某一角度幅值最大时，说明声源在以接收换能器轴线为中心、扇 形角度为指向角的扇形区域内，再对该平面的另一点或多个点做测量，得到另一个或者多 个扇形区域，声源就在这二个或者多个扇形区域的重合区域，可初步确定出声源的粗略区 域，将二个或者多个接收换能器在接收信号幅值最大的方向上向声源逐渐接近时，得到的 扇形区域也会逐渐变小，声源的位置也会随着传感器离声源距离的减小越来越精准； 假设声源位置已知，用二个换能器在已选定任意位置接收超声信号，改变超声换 能器的角度，在接收信号具有最大幅值的方向做扇形区域，证明声源在二个或者多个扇形 区域的重合区域内即可； 二维平面中，选取二个换能器分别布置于平面的V1、U1二点处，已知声源在T处，检 测过程中，二个换能器在V1、U1处位置不变，旋转换能器，记录在各个方向上换能器检测到的 声压幅值，声源在T处，且在声源轴线上的声压值最大，所以在V1、U1处二接收换能器分别在 直线V1T、U1T方向上检测到的声压幅值最大，超声换能器的指向角，以点V1、U1为发射点以直 线V1T、U1T为中心线绘制角度为方向角的扇形，二扇形重合得到声源区域1，这时得到的声源 区域大，只能粗略估计声源在该区域内； 将分别沿着直线V1T、U1T向声源区域的方向选取V2、U2二点为超声换能器的位置， 同理，二换能器在V2、U2处位置不变，旋转换能器的方向，在检测到声压幅值最大的方向V2T、 10 CN 111551321 A 说　明　书 6/14 页 U2T上以V2、U2这二点为发射点在直线V2T、U2T为中心线绘制角度为方向角的扇形，二扇形重 合得到声源区域2，这时得到的声源区域较声源区域1小，继续在沿着直线V2T、U2T向声源区 域的方向选超声换能器的位置取为V3和U3、V4和U4、V5和U5……，按以上方法得到声源区域3、 声源区域4、声源区域5，随着超声换能器的检测位置逐渐靠近声源，绘制的声源区域越来越 小，直到超声换能器靠近声源、确定声源位置为止。 基于超声检测的气密容器泄漏定位测量系统，进一步的，改变距离的声强定位测 量方法是在入射角相同时，比较同一传感器在不同点处接收到同一声源信号的幅值强度对 声源定位；在声源同平面上，换能器接收角度保持不变，比较距离声源不同的各点处传感器 接收到同一声源信号，超声换能器是否在主声束范围内而使接收的电压幅值不同，根据得 到的信号强度之间的关系实现声源定位； 改变距离的声强定位测量方法是在未知声源位置的情况下，在二维平面内任意选 择一条直线，并在上面分段布置超声换能器，保持这些超声换能器的检测角度一致，超声换 能器因为离声源的距离不同、是否在声源的主声束范围内导致接收到的声压幅值不同，检 测到声压幅值表示该超声换能器在声源的主声束范围内，而其中检测到最大声压幅值表明 该超声换能器在主声束范围内且是这条直线上距离声源中心最近的换能器，在这个换能器 的接收方向上做射线，并在垂直于该射线的直线上布置超声换能器，重复上述步骤，声源的 位置越来越明确； 改变距离的声强定位测量方法的具体定位过程为：在二维平面上建立直角坐标 系，假设将超声换能器G1至G11在x轴上以某一设置间距直线排列，若换能器G5测得的声压幅 值最大，则点G5为垂点做直线l1的垂线h1，在h1上距离G5点的某一距离处做垂直于h1的直线 l2，并在在该直线上等距布置超声换能器G1＇至G11＇，分别记录换能器接收声压幅值，若换能 器G6＇测得的声压幅值最大，则连接G6＇和G5，到直线h2并延长，重复上述步骤，最终得到声源 的位置。 与现有技术相比，本发明的优点和创新点在于： 一是本发明提供的基于超声检测的气密容器泄漏定位测量系统，硬件系统包括主 控单片机、超声发射电路、超声接收电路、音频识别处理模块、电源供电模块，软件平台利用 C语言实现的超声的发射、产生本振信号的驱动以及串口数据的传输。该系统主要实现高压 密封容器或管道的气体泄漏检测，以及在存在泄漏的情况下，对泄漏进行定位。其主要优点 在于泄漏定位测量操作安全简单、系统使用方便、装置成本低、定位精度相对较高，被测对 象的范围广等。 二是本发明提供的基于超声检测的气密容器泄漏定位测量系统，针对现有技术的 气泡法适用场合有限，后续处理复杂，形成气泡时间较长而无法在观测时间内被发现，或气 泡体积太小或冒泡的时间极短而肉眼无法观察到造成误判，被检物体表面凹凸不平处积存 的气体浮出产生气泡也容易造成误判，可靠性很低的问题，设计并实现了气密容器泄漏定 位的准判定精，本发明基于超声检测方法具有鲁棒性和高效性，非常有利于气密容器泄漏 定位后的及时补救。 三是本发明提供的基于超声检测的气密容器泄漏定位测量系统，解决了气密容器 泄漏检测难度大、风险高、问题多、实现难的问题，实现了高效实用的气密容器泄漏定位测 量，通过实验检验了本发明的有效性和实用性。本发明硬件兼容性好，硬件成本低，匹配性 11 CN 111551321 A 说　明　书 7/14 页 强，不容易受到各方面的干扰，气密容器泄漏定位测量安全性高，软件可操作性强，操作简 单方便，运行速度快，程序鲁棒性好，效率较高，基于超声检测的气密容器泄漏定位测量方 法的理论基础可靠，检测方法的精度较高，实用性好，在实际操作中能解决各种问题，方法 使用范围广，有利于推广运用。 四是本发明提供的基于超声检测的气密容器泄漏定位测量系统，解决了现有技术 的卤素法检测必须在通风环境中进行，卤素气体比空气重，容易产生虚假现象，卤素气体不 安全的问题，解决了现有技术的氦质谱法仪器本身和氦气昂贵，经济性差的问题，本发明的 装置安全可靠，无毒无害，价格合适，检测定位成本较低，精度又相对较高，方法局限性小， 具有普适性和可移植性，市场推广应用潜力巨大。 附图说明 图1是本发明基于超声检测的气密容器泄漏定位测量系统的设计原理图。 图2是本发明的超声混频识别原理示意图。 图3是本发明超声检测系统程序流程示意图。 图4是本发明LM386的外形和引脚示意图。 图5是本发明改变角度的声强定位测量方法示意图。 图6是本发明改变距离的声强定位测量方法示意图。