本公开属于安全泄露检测技术领域，尤其涉及基于静电超声传感器的超声泄漏安全检测系统。
背景技术：
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
微小漏孔是压力容器损坏的一种主要形式，它是导致机械设备和压力容器失效的主要原因。因此，压力容器的微小漏孔泄漏检测及泄漏孔位置定位研究就具有重要的意义。
超声检测目前在国内的发展速度很快、应用很广泛的一种无损检测技术，有针对压力容器的焊缝内表面裂缝进行检测的，也能检测出焊缝外表面裂缝进行检测的，有针对对接焊缝有缺陷的进行检测的，均能够检测出焊缝缺陷的面积和长度，并且一些高性能的传感器和软件分析系统能够针对焊缝位置进行定位，具有检测对象广、检测精度高、能够进行缺陷的定位、灵敏度比较高、对人体无影响和携带方便能够现场使用等优点。
超声检测离不开超声换能器，超声换能器是超声应用中最广泛的换能器。目前应用在压力容器检测的超声换能器主要有压电超声换能器和电磁超声换能器等，其中电磁超声换能器不需要与物体接触，可以再高温、高速和在线检测上应用。
发明人在研究中发现，目前，压力容器微小泄露的检测，现有技术使用超声原理进行探头扫描，需要耦合剂，超声信号能够反馈处裂纹的形状和大小，对工件表层下体积型裂纹的检测很有效，但是存在的问题是实施过程比较复杂，工作的效率低，测量微小泄露信息时的准确性不够。
技术实现要素：
为克服上述现有技术的不足，本公开提供了基于静电超声传感器的超声泄漏安全检测系统，能对正在运行的容器进行实时在线检测，不影响正常工作。
为实现上述目的，本公开的一个或多个实施例提供了如下技术方案：
第一方面，公开了基于静电超声传感器的超声泄漏安全检测系统，包括：传感器模块及信号处理电路模块；
所述传感器模块包括静电超声传感器，放置在待测泄漏前，所述信号处理电路模块包括依次相连的放大电路、高通滤波电路、低通滤波电路；
所述静电超声传感器将检测的信号传输至放大电路进行放大处理，高通滤波电路、低通滤波电路分别依次对放大的信号进行高通滤波及低通滤波处理。
进一步的技术方案，还包括数据采集卡及工控机，数据采集卡与信号处理电路模块的输出端相连，所述数据采集卡放置在工控机机箱的插槽中，将采集的滤波处理后的信号传输至工控机。
进一步的技术方案，所述静电超声传感器采用静电式超声换能器，用于泄漏超声信号频段采集。
进一步的技术方案，还包括传感器外壳，所述静电式超声换能器安装在传感器外壳内。
进一步的技术方案，所述静电式超声换能器包括镀有金属电极的介电薄膜和背电极，所述静电式超声换能器的薄膜表面与传感器外壳相连。
进一步的技术方案，还包括背压电路，所述背压电路用于为所述静电式超声换能器的介电薄膜和背电极之间施加一直流偏置电压。
进一步的技术方案，所述背压电路包括依次连接的交流电压产生单元、变压器及整流滤波电路；
所述交流电压产生单元产生5v～10v的正弦或脉冲交流电压，经变压器变压后，耦合成220v左右高压，经整流滤波电路的整流滤波后变成200v直流电压，作为换能器背压。
进一步的技术方案，所述交流电压产生单元为单片机或555芯片。
进一步的技术方案，还包括显示报警设备，包括显示器及报警器，所述显示器及报警器分别与工控机相连，所述显示器将工控机处理后的泄露信息进行展示，在泄露数据超过设定阈值时，所述工控机启动报警器动作。
进一步的技术方案，所述传感器模块中静电超声传感器数量为多个，分别布设在待检测泄露前，多路信号分别经过各自的信号处理电路模块或共用的信号处理电路模块传输至工控机。
以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：
本公开技术方案能对正在运行的容器进行实时在线检测，不影响正常工作，不必将零件拆下进行检测。
本公开技术方案静电超声传感器频带宽，由于接收灵敏度有限，对于小型压力容器泄漏产生的信号距离泄漏口较近的情况可以检测到超声信号，但是距离变大时就检测不到超声信号了，因此适用于泄漏产生的信号距离泄漏口较近的情况。
本公开技术方案检测速度很快，检测结果直观，不需要人靠近泄漏点，可用于人员难以接近的恶劣环境中，简单适用，对操作人员要求不高。
本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
图1为本公开实施例静电超声换能器的连接结构图；
图2为本公开实施例超声系统检测流程图；
图3为本公开实施例发射回波检测电路图；
图4为本公开实施例静电超声背压电路原理图；
图5为本公开实施例静电超声换能器背压电路实际电路图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例一
本实施例公开了本公开的一个或多个实施例提供了如下技术方案：公开了基于静电超声传感器的超声泄漏安全检测系统，包括：传感器模块及信号处理电路模块；
所述传感器模块包括静电超声传感器，放置在待测泄漏前，所述信号处理电路模块包括依次相连的放大电路、高通滤波电路、低通滤波电路；
所述静电超声传感器将检测的信号传输至放大电路进行放大处理，高通滤波电路、低通滤波电路分别依次对放大的信号进行高通滤波及低通滤波处理。
在一实施例子中，还包括数据采集卡及工控机，数据采集卡与信号处理电路模块的输出端相连，所述数据采集卡放置在工控机机箱的插槽中，将采集的滤波处理后的信号传输至工控机。
静电超声传感器采用静电式超声换能器，用于泄漏超声信号频段采集。
如图1所示，具体的，静电式超声换能器是泄漏超声检测的重要检测元件，也是非接触式超声检测的重要一部分，也是一种新型的超声换能器，基本原理就是电容传声器的原理。超声换能器一般由镀有金属电极的介电薄膜和背电极组成，在薄膜和背电极之间施加一直流偏置电压(一般为150～300v)，当声波作用于薄膜表面时，薄膜由于声波的作用就会产生机械振动，振动就会导致薄膜和背电极的电容量发生变化，电容量就会引起薄膜和背电极之间的电压发生变化，测量到了电压，根据电压和声压之间的关系，就会求出声压的大小。
静电超声换能器其基本技术参数为：
谐振频率50khz，带宽60khz(20～80khz)；
超声波束方向角15度(幅值变化小于-6db)；
接收灵敏度：42db；直流偏置电压：200v；
交流驱动电压：200v(峰值)；电容(在1khz)：400—500pf；
工作温度：-40— 850c。
在具体使用时，选用600seriessmartsensor型号静电超声换能器，比较适合于空气介质环境，并且具有较宽的频响范围(20khz～80khz)和较高精度和灵敏度。600seriessmartsensor静电超声换能器是工业上目前已知的为数不多的可用于泄漏超声信号频段采集超声信号的静电超声换能器。
在一实施例子中，还包括传感器外壳，所述静电式超声换能器安装在传感器外壳内。
静电式超声换能器包括镀有金属电极的介电薄膜和背电极，所述静电式超声换能器的薄膜表面与传感器外壳相连。
具体的，将超声换能器装在传感器外壳内，在装配过程中将薄膜表面与传感器外壳相连，在连接过程中要避免传感器外壳划伤薄膜造成短路，在连接过程中为了防止静电干扰，应使所有地线连接于一点并于大地连接。
对于静电超声传感器，需要在薄膜和背电极之间施加直流偏置电压介于150～300v，对于在实验室环境下，对静电探头需要施加200v，而对于同一电路板的其他芯片我们需要供电5v，所以需要对供电电源进行升压，采用小型变压器进行升压得到200v的电压对静电探头进行供压，根据已有的用来测距的静电超声换能器来分析电压的产生并根据已有的发射回波检测电路反推出符合需要的供电电路。
如图3所示，在一实施例中，发射回波检测的供电电压电路，其基本原理为：当信号源vin产生的脉冲序列使mos管q1处于开关工作状态时，在变压器初级线圈中就会产生交变电流。在微型变压器的作用下，交变电流所产生的磁通就会在变压器的次级线圈作用下感应出感应电压，由于微型变压器的匝数比大约70倍，由初级电压感应出来的次级电压就是初级电压的70倍，从而达到升压的作用，利用变压器的次级线圈的感应高电压激励静电超声换能器使其产生机械振动并发射超声波，从而达到电能转化成声能，声波在传播过程中遇到障碍物发生反射，被换能器接收。这是测距的静电超声换能器的工作原理，上述电路是收发于一体的电路。
根据实验室试验验证表明，这种收发一体电路，受主动发射信号影响较大，主动发射信号比较强，接收器接受的信号只接受主动发射的信号，灵敏度有限，难以接收到由微小型容器泄漏产生的泄漏气体产生的微弱超声信号，因此需要抑制主动发射信号或者取消主动发射信号，仅利用静电超声传感器的高灵敏度的接收功能。
如图4、5所示，因此，在另一实施例子中，该实施例子还公开了背压电路，所述背压电路用于为所述静电式超声换能器的介电薄膜和背电极之间施加一直流偏置电压。
由于静电超声换能器提供的接收灵敏度较低，需检测信号较微弱，因此背压电路需要大幅度提高灵敏度。
具体的，背压电路包括依次连接的交流电压产生单元、变压器及整流滤波电路；
所述交流电压产生单元产生5v～10v的正弦或脉冲交流电压，经变压器变压后，耦合成220v左右高压，经整流滤波电路的整流滤波后变成200v直流电压，作为换能器背压。
交流电压产生单元为单片机或555芯片。对单片机或555芯片供电5v，由单片机或555芯片产生5v～10v的正弦或脉冲交流电压，经变压器变压后，耦合成220v左右高压，经整流滤波后变成200v直流电压作为换能器背压。
在一实施例子中，还包括显示报警设备，包括显示器及报警器，所述显示器及报警器分别与工控机相连，所述显示器将工控机处理后的泄露信息进行展示，在泄露数据超过设定阈值时，所述工控机启动报警器动作。
传感器模块中静电超声传感器数量为多个，分别布设在待检测泄露前，多路信号分别经过各自的信号处理电路模块或共用的信号处理电路模块传输至工控机。
如图2所示，检测过程为：关闭压力容器的阀门，采用真空泵将压力容器抽为真空，此时压力容器处于零泄漏状态，将传感器检测系统放置在泄漏孔前端进行检测，打开阀门，由于大气压作用，压力容器外气体进入到压力容器内，会产生超声信号，进行有泄漏检测，检测系统中的传感器采集的是高频的能量释放信号，通过后续的信号放大、信号滤波和数据采集卡采集数据，实现信号的采集和显示、报警等，就会显示压力容器是否泄漏。
由升压电路升压到静电超声传感器能够正常工作的电压后，静电超声传感器便开始工作，当有容器泄漏超声超声信号时，静电超声传感器能够采集到泄漏超声信号，后面连接有放大电路能够对微弱信号进行放大，传感器信号经过数据采集系统进行数据采集，并下一步进行数据分析。
实验例子
在具体实验时，压力容器，为一个罐体容器，可储存高压气体，有阀门可对其进行泄露试验，阀门上的泄漏孔径由大到小有2.0mm、1.5mm、1.0mm、0.8mm、0.4mm、0.3mm这几种。为了便于对检测系统的移动，增加了三维移动机械结构，为三维移动架，x、y、z三轴移动，还有在固定架上的角度移动，测试距离从0mm可到500mm左右。
整个实验装置是模拟航天太空舱在工作时的状态。太空舱内部是大气压环境，保证航天员们的正常生活与工作，太空舱外部是真空环境。当太空舱发生微小泄漏时，会产生从内部到外部的泄漏气流，产生超声波，通过检测超声波，来检测是否存在微泄漏。
实验过程：首先将压力容器的内部抽成真空状态，外界是大气压，关闭阀门，安装上不同孔径的泄漏孔，打开阀门，由于内外的压力差，会产生从外界大气到容器内部的气流，从而产生了超声波，将传感器对着泄漏孔进行超声检测。由于检测到的信号十分微弱，需要经过电路放大、滤波，并去除干扰信号。再通过数据采集卡采集，然后传送到计算机中处理，显示出时域波形、傅里叶变换、功率谱和自相关功率谱这四个图形，和最大值、最大值位置，35khz-45khz的和值sum1，55khz-65khz的和值sum2，两者比值s值。再根据不同泄漏孔的不同特点，自动进行泄漏的判别，判断是否泄漏。若有泄漏，再进一步判断泄漏孔径大概在什么范围。
以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。
1.基于静电超声传感器的超声泄漏安全检测系统，其特征是，包括：传感器模块及信号处理电路模块；
所述传感器模块包括静电超声传感器，放置在待测泄漏前，所述信号处理电路模块包括依次相连的放大电路、高通滤波电路、低通滤波电路；
所述静电超声传感器将检测的信号传输至放大电路进行放大处理，高通滤波电路、低通滤波电路分别依次对放大的信号进行高通滤波及低通滤波处理。
2.如权利要求1所述的基于静电超声传感器的超声泄漏安全检测系统，其特征是，还包括数据采集卡及工控机，数据采集卡与信号处理电路模块的输出端相连，所述数据采集卡放置在工控机机箱的插槽中，将采集的滤波处理后的信号传输至工控机。
3.如权利要求1所述的基于静电超声传感器的超声泄漏安全检测系统，其特征是，所述静电超声传感器采用静电式超声换能器，用于泄漏超声信号频段采集。
4.如权利要求3所述的基于静电超声传感器的超声泄漏安全检测系统，其特征是，还包括传感器外壳，所述静电式超声换能器安装在传感器外壳内。
5.如权利要求3所述的基于静电超声传感器的超声泄漏安全检测系统，其特征是，所述静电式超声换能器包括镀有金属电极的介电薄膜和背电极，所述静电式超声换能器的薄膜表面与传感器外壳相连。
6.如权利要求5所述的基于静电超声传感器的超声泄漏安全检测系统，其特征是，还包括背压电路，所述背压电路用于为所述静电式超声换能器的介电薄膜和背电极之间施加一直流偏置电压。
7.如权利要求6所述的基于静电超声传感器的超声泄漏安全检测系统，其特征是，所述背压电路包括依次连接的交流电压产生单元、变压器及整流滤波电路；
所述交流电压产生单元产生5v～10v的正弦或脉冲交流电压，经变压器变压后，耦合成220v左右高压，经整流滤波电路的整流滤波后变成200v直流电压，作为换能器背压。
8.如权利要求7所述的基于静电超声传感器的超声泄漏安全检测系统，其特征是，所述交流电压产生单元为单片机或555芯片。
9.如权利要求1所述的基于静电超声传感器的超声泄漏安全检测系统，其特征是，还包括显示报警设备，包括显示器及报警器，所述显示器及报警器分别与工控机相连，所述显示器将工控机处理后的泄露信息进行展示，在泄露数据超过设定阈值时，所述工控机启动报警器动作。
10.如权利要求1所述的基于静电超声传感器的超声泄漏安全检测系统，其特征是，所述传感器模块中静电超声传感器数量为多个，分别布设在待检测泄露前，多路信号分别经过各自的信号处理电路模块或共用的信号处理电路模块传输至工控机。
技术总结