一种微弱声波或微小气体泄漏检测系统和方法
阅读说明：本技术 一种微弱声波或微小气体泄漏检测系统和方法 (Weak sound wave or tiny gas leakage detection system and method ) 是由 黄新敬 李健 李昱霖 任佳豪 张宇 封皓 芮小博 于 2021-08-16 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种微弱声波或微小气体泄漏检测系统及检测方法,检测系统包括声学传感器模块、信号运算电路、ADC模块、信号采集与实时处理模块。其中,声学传感器模块,包含M个麦克风阵列,每个麦克风阵列包含多个麦克风,每个麦克风的输出信号经过隔离电容后分两路,一路经过第一电阻后均连接到接口1,作为麦克风阵列的输出引脚正极；另一路经过第二电阻后接地并连接到接口2,作为麦克风阵列的输出引脚负极；M个麦克风阵列输出M个信号；信号采集与实时处理模块,用于对经过模数转换的各个麦克风阵列的数字信号进行采集和处理,并根据处理结果判断各个麦克风阵列是否检测到微弱声波信号或微小气体泄漏。(The invention relates to a weak sound wave or tiny gas leakage detection system and a detection method. The acoustic sensor module comprises M microphone arrays, each microphone array comprises a plurality of microphones, an output signal of each microphone is divided into two paths after passing through an isolation capacitor, and one path of the output signal is connected to an interface 1 after passing through a first resistor and serves as the anode of an output pin of the microphone array; the other path of the signal passes through a second resistor and then is grounded and connected to the interface 2 to be used as the cathode of an output pin of the microphone array; the M microphone arrays output M signals; and the signal acquisition and real-time processing module is used for acquiring and processing the digital signals of each microphone array after analog-to-digital conversion, and judging whether each microphone array detects weak sound wave signals or tiny gas leakage according to the processing result.)
技术领域
本发明涉及气体泄漏检测领域，尤其涉及一种针对微弱声波或由微小气体泄漏引发的微弱空气声波信号的检测方法。
背景技术
气体压力容器和管道在油气储运和工业生产领域无处不在。气体泄漏会造成严重事故，例如中毒、火灾或爆炸。快速检测气体泄漏的存在和位置对于预防泄漏灾害极为重要。世界各国都相当重视气体泄漏检测技术和仪器的发展。常用的压力容器气体泄漏检测方法有红外热成像法、氦质谱、气泡法和声学法。
热成像法利用气体泄漏目标区域中特定红外波段的辐射强度或辐射光谱来识别气体泄漏；该方法只能检测大泄漏且需要泄漏气体的浓度累积到一定值以后，对于小泄漏则需要在监测区域收集和富集空气样品。氦质谱需要向容器内充入氦气，用于暂停生产的管道和压力容器的泄漏检测。气泡法需要将发泡液涂在压力容器的检测区域且容器压力要大于一定值，需要人工观察气泡的大小和冒出频率。上述方法在现场安装使用不便。
声学法利用泄漏会引起的器壁弹性波和空气声波来检测判断泄漏的发生以及对泄漏定位，分别对应声发射法和声波法。弹性波法是接触式的，需要将声发射传感器粘贴在容器壁上，接收泄漏引发的弹性波。而空气声波法是非接触的，不受泄漏物质的影响，监测范围较大。微小泄漏发生于灾难性大泄漏之前，对其有效检测可以防患于未然、避免灾难发生。微小泄漏引发的声波信号非常微弱，传统的声学检漏法灵敏度难以满足实际需求，大多数只能够检测具有大孔径和大压差的泄漏，导致只能检测较大泄漏，且抗干扰能力较差。
发明内容
本发明的目的是提供一种高灵敏度的微弱声波或微小气体泄漏检测系统，并提供检测方法。技术方案如下：
一种微弱声波或微小气体泄漏检测系统，包括声学传感器模块、信号运算电路、ADC 模块、信号采集与实时处理模块，其中，
声学传感器模块，包含M个麦克风阵列，每个麦克风阵列包含多个麦克风，每个麦克风的输出信号经过隔离电容后分两路，一路经过第一电阻后均连接到接口1，作为麦克风阵列的输出引脚正极；另一路经过第二电阻后接地并连接到接口2，作为麦克风阵列的输出引脚负极；M个麦克风阵列输出M个信号；
信号运算电路，用于将每个麦克风阵列的输出信号经过运算放大器的放大处理后输出；
ADC模块，用于对经过放大处理后的每个麦克风阵列的输出信号进行模数转换；
信号采集与实时处理模块，用于对经过模数转换的各个麦克风阵列的数字信号进行采集和处理，并根据处理结果判断各个麦克风阵列是否检测到微弱声波信号或微小气体泄漏。
进一步地，可以为每个麦克风阵列配置一个空气声波调控结构模块，该空气声波调控结构模块为圆锥形，由多个膜片堆叠，每个膜片的尺寸沿着圆锥的轴向逐渐变小，麦克风阵列固定在空气声波调控结构模块的某个膜片上或固定在相邻的膜片之间的缝隙上。也可以为每个麦克风配置一个空气声波调控结构模块，该空气声波调控结构模块为圆锥形，由多个膜片堆叠，每个膜片的尺寸沿着圆锥的轴向逐渐变小，麦克风固定在空气声波调控结构模块的某个膜片上或固定在相邻的膜片之间的缝隙上。
进一步地，还包括显示模块，用于可视化地输出各个麦克风阵列对微弱声波信号或微小气体泄漏的检测结果。
进一步地，每个麦克风阵列的输出信号接入一个信号运算电路，设某个麦克风阵列的麦克风个数为N，具体可以为：接口1接入运算放大器的正输入端接口，运算放大器的负输入端与运算放大器的输出接口7之间接第三电阻，运算放大器的负输入端与供电负极之间接一个第四电阻，第三电阻和第四电阻的比值不小于麦克风个数N。具体也可以为麦克风阵列的接口1接入运算放大器的负输入端接口5，运算放大器的负输入端接口5和输出接口8之间接第五电阻，运算放大器的正输入端接口6接供电的负极，第五电阻的阻值不小于第一电阻的阻值。
进一步地，所述的信号采集与实时处理模块包括微控制器和微处理器，在微控制器的控制下，通过ADC模块采集并存储各个麦克风阵列输出的数字信号，每个麦克风阵列输出的连续数字信号，经过傅里叶变换转化为幅频信号，微处理器根据幅频信号判断各个麦克风阵列是否检测到微弱声波信号或微小气体泄漏。
权利要求1-6所述的系统实现的微弱声波或微小气体泄漏检测方法，其特征在于，每个麦克风阵列输出的连续数字信号，经过傅里叶变换转化为幅频信号，预设幅值阈值和频段，信号采集与实时处理模块将幅频数据的每个频率点的幅值与幅值阈值进行比较，对幅值大于幅值阈值的频率点进行计数，当某个麦克风阵列的频段内的一定比例的频率点幅值大于幅值阈值时，则判断此麦克风阵列检测检测到微弱声波信号或微小气体泄漏。
根据权利要求8所述的微弱声波或微小气体泄漏检测方法，其特征在于，对于M个麦克风阵列，得到一个元素个数为M的一维数组，称为泄漏检测结果数组，每个数组元素里存放0或者1，0表示没有泄漏，1表示有泄漏；将此数组传输到显示模块进行可视化显示。
附图说明
图1本发明的微弱声波或微小气体泄漏检测系统结构示意图。
图2本发明实施例1的声学传感器模块101的电路示意图。
图3本发明实施例1的信号运算电路102。(a)和(b)分别为两种信号运算电路的原理图，为两种实现形式。
图4微小泄漏检测灵敏度测试方法。
图5微小泄漏检测灵敏度测试结果。
图6微小泄漏可视化检测的测试方法。
图7微小泄漏可视化检测的测试结果。
图8实施例2的空气声波调控结构模块200。
图9实施例2的空气声波调控结构的放大效果。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。
实施例1
如图1所示，本发明实施例1由声学传感器模块101、信号运算电路102、模拟数字转换模块(ADC模块)104、信号采集与实时处理模块106、上位机显示模块107等组成(不包括图中所示的空气声波调控结构模块200)。本实施例中，声学传感器模块101的主体为由M个麦克风阵列301并列构成的微弱声波检测阵列。
声学传感器模块101：
如图2所示，每个麦克风阵列301主要由N个MEMS麦克风芯片连接在一块电路板上组成。该麦克风为模拟电压输出型麦克风。每个麦克风的输出信号连接到隔离电容的一个管脚，隔离电容的另一个引脚连接至第二电阻的一个管脚。第二电阻的另一个管脚连接至麦克风供电的负极，作为接口2。隔离电容和第二电阻的连接点接至第一电阻的一个引脚。第一电阻的另一个引脚接至接口1。N个麦克风1，麦克风2，麦克风3，。。。，对应的第一电阻的另一引脚共N个，连接在一起，连接至接口1，作为麦克风阵列301的输出引脚正极。N个麦克风1，麦克风2，麦克风3，。。。，对应的第二电阻的另一引脚共N个，连接在一起且连接至麦克风供电的负极，同时连接至接口1，作为麦克风阵列301的输出引脚负极。MEMS 麦克风芯片的数目N＝16。
信号运算电路102：
如图3所示，每个麦克风阵列301接入一个信号运算电路102，M个麦克风阵列301连接至M个信号处理电路，共产生M路输出。
其中，麦克风阵列301的输出接口1接入运算放大器的正输入端接口3，运算放大器的负输入端与运算放大器的输出接口7之间接一个第三电阻，运算放大器的负输入端与供电负极之间接一个第四电阻。第三电阻和第四电阻的比值要不小于N。N为麦克风阵列301上的麦克风的个数。
也可以将麦克风阵列301的输出接口1接入运算放大器的负输入端接口5，运算放大器的负输入端接口5和输出接口8之间接第五电阻。运算放大器的正输入端接口6接供电的负极。第五电阻的阻值不小于第一电阻的阻值。
ADC模块104：
如图1所示，ADC转换模块104将信号运算电路102输出的M个麦克风阵列的输出信号即M个通道进行模数转换，由微控制器123FPGA将数据采集到微控制器123中进行分析处理。ADC模块104主要由Q个P通道ADC芯片105组成，P*Q要大于M。ADC芯片 105为多通道同步模数转换芯片，可以通过片选功能实现多芯片同步采集。ADC芯片105 与微控制器123通过数据传输线121和片选控制线122相连。可以将多个ADC芯片105分成若干组，每组使用的相同的数据传输线121将数据传输给微控制器123；利用片选控制线 122来区分不同ADC芯片的输出。
信号采集与实时处理模块106：
如图1所示，信号采集与实时处理模块106主要由微控制器123FPGA和微处理器124ARM组成。微控制器123读取多通道声学传感器模块101的电压信号，并交替向两个 DDR区域进行存储。当第一个区域存满所有通道的一定点数后，向第二个区域继续存储数据，同时将第一个区域的数据通过DMA方式传输给微处理器124，来进行傅里叶变换处理，得到幅频数据。当完成对第一个区域的所有通道数据的傅里叶变换时，等待第二个区域存储数据存储满，然后开始将数据存储到第一个区域，并对第二个区域的数据进行处理，如此循环，实现所有通道的声学传感器模块的电压信号的实时采集和处理。
由于声学传感器模块101的频响和气体泄漏声为宽频信号，因此当麦克风阵列301检测到泄漏时，在各个频率点上的幅值均会升高。设定幅值阈值，与幅频数据的每个频率点的幅值进行比较，对幅值大于幅值阈值的频率点进行计数，当频段内的一定比例的频率点幅值大于幅值阈值时，则判断该通道检测到了泄漏信号，该通道麦克风附近发生了气体泄漏。该比例可以设置为70％。会得到一个元素个数与麦克风阵列301的个数M相等的一维数组，称为泄漏检测结果数组，每个数组元素里存放0或者1，0表示没有泄漏，1表示有泄漏。将这个数组传输到上位机显示，实现利用所有通道的声学传感器模块101实时检测与显示微泄漏。
上位机显示模块107：
上位机显示模块107通过串口接收泄漏检测结果数组的数据，使用M个布尔灯组成上位机指示灯108，显示泄漏检测结果，第i个灯亮表示第i个麦克风阵列301检测到了泄漏信号。
下面为针对实施例1的探测性能的测试。
(1)微弱声波放大效果测试
对声学传感器模块101的声波放大探测性能进行了测试。测试方案为：利用扬声器播放不同频率的声音信号，对于每一种频率，移动声学传感器模块101的位置，记录声学传感器模块101接入信号运算电路102之后的输出幅值。
测试结果如表1所示，图中第一列为泄漏源相对于麦克风阵列301的偏移角度，第二列～第四列为不同频率时，麦克风阵列301的增益，即声学传感器模块101接入信号运算电路之后的输出幅值与单个麦克风的输出幅值的比值，可见放大倍数在10倍以上。
表1声学传感器模块101的放大效果。
(2)检漏灵敏度测试方法：
首先使用声学传感器模块101测量环境噪声信号，做傅里叶变换，取均值，得到环境噪声的平均幅值Vn。
然后利用气泵801通过进气阀802给储气罐804充气加压。储气罐804上安装有一个压力表803和一个泄漏孔装置805。一共加工了Φ0.1mm，Φ0.2mm，Φ0.3mm，Φ0.5mm四种泄漏孔装置。当压力表803的压力上升到一定值时，关闭进气阀802，让气体自然泄漏，使得储气罐804的压力逐渐减小至0，同时读取压力表803数值和记录声学传感器模块101 接入信号运算电路102之后的信号，对采集到的信号做傅里叶变换，取均值，得到被测管道的泄漏声平均幅值VA。
设储气罐804体积为V0，环境温度为T0，大气压力为p0，正在发生泄漏的过程中，设t1和 t2时刻记录的气压为p1和p2，则此段时间的平均泄漏速率为：
测试结果：
利用声学传感器模块101在不同试验条件下测得的，泄漏声平均振幅VA和泄漏速率Q 的变化过程。随着泄漏速率Q的下降，泄漏声的强度也在降低。当泄漏速率降低到某个数值后，泄漏声的幅度VA不再变化，低于环境噪声的平均幅值Vn，说明检测不到泄漏。此时对应的泄漏速率即为泄漏探测下限。将不同的泄漏速率检测下限汇总到图5中。可以发现，当泄漏速率为4.4234mL/s、0.04171mL/s、0.02195mL/s、0.0878mL/s时，分别检测了三次，均可以检测出泄漏。因此，本方法可以检测出低于0.1mL/s的气体泄漏，灵敏度非常高。
(3)可实现对0.1mL/s微小气体泄漏的可视化检测的测试方法：
如图6所示，向储气瓶804充入50kPa气体，用软管将储气瓶804上的出气阀701连接至标准泄漏速率发生装置701，用软管将连接至标准泄漏速率发生装置701连接至泄漏头703。其中标准泄漏速率发生装置701在50kPa压差时可以产生稳定的0.1mL/s的气体泄漏，并在泄漏头703的漏孔上涂抹超声波放大液辅助测试。使用多个声学传感器模块101组成阵列放置在泄漏头703附近。按照图1所示的连接方式，检测和在上位机显示泄漏检测结果，灯亮则表示该灯对应的声学传感器模块101检测到了0.1mL/s的气体泄漏。
测试结果：
如图7所示，打开出气阀，发生了0.1mL/s的气体泄漏，上位机指示灯108中心区域的指示灯亮了，表示检测到了0.1mL/s的气体泄漏，泄漏点在声学传感器模块101组成的阵列的中心区域；打开出气阀701，移动泄漏头703的位置，上位机指示灯108中心偏左的区域的指示灯亮了，表示检测到了0.1mL/s的气体泄漏，泄漏点位置偏离了中心；关闭出气阀701，没有发生泄漏，上位机指示灯108全灭，表示没有检测到气体泄漏。
实施例2
如图2所示，本发明由声学传感器模块101、信号运算电路102、模拟数字转换模块(ADC 模块)104、信号采集与实时处理模块106、上位机显示模块107、空气声波调控结构模块 200等组成。实施例2对实施例1进行了改进，为每个麦克风阵列301里的每个麦克风增加了空气声波调控结构模块200。实施例2的声学传感器模块101就变成了由多个空气声波调控结构模块200并列构成的微弱声波检测阵列，在每个空气声波调控结构模块200内嵌有一个麦克风。
空气声波调控结构模块200：
如图8所示，该空气声波调控结构模块200外形为圆锥形，有许多膜片堆叠而成。膜片可以是多种形状，本实施例为圆形，被称为圆片。圆片的直径沿着圆锥的轴向逐渐变小。这些圆片从大到小，标号为202,203，。。。为了保证足够的结构强度，圆片的厚度以及相邻圆片之间的距离可以不变。所有圆片由2条以上固定筋201固连。第一圆片202上固连有一个操作杆206，用于固定空气声波调控结构模块200。相邻两个圆片之间设置有麦克风阵列安装孔204。整个结构可以采用3D打印制作。当声音沿着该圆锥的轴线传播到各个圆片构成的缝隙上时，不同频率的声波会驻留在不同缝隙，且被放大。当压力容器的泄漏引发的声音频率比较高时，应该把麦克风安装孔设置在直径比较小的圆片上。当压力容器的泄漏引发的声音频率比较低时，应该把麦克风安装孔设置在直径比较大的圆片上。
对声波调控结构模块200的声波放大探测性能进行了测试。测试方法为：宽频扬声器播放不同频率的声音，将一个麦克风安装到该声波调控结构模块200的麦克风阵列安装孔204 内，接收不同频率的声波信号，并转换成电压信号；再将该声波调控结构模块200去掉，只保留该麦克风来接收不同频率的声波信号，最后将两者的幅值相除，即为放大倍数。
测试结果如图9所示，可以看到在很宽的频带内具有2-8倍的放大倍数。然后播放某一频率的声音信号，将麦克风安装到声波调控结构中，旋转该结构，测试其指向性，结果如图所示。可以看到，麦克风安装到该声波调控结构模块200以后，在不损失灵敏度的前提下，具有很好的指向性，可用于分辨不同方向的泄漏声源。
实施例2
如图2所示，本发明由声学传感器模块101、信号运算电路102、模拟数字转换模块(ADC 模块)104、信号采集与实时处理模块106、上位机显示模块107、空气声波调控结构模块 200等组成。实施例2对实施例1进行了改进，为每个麦克风阵列301里的每个麦克风增加了空气声波调控结构模块200。实施例2的声学传感器模块101的具体结构改变如下：每个麦克风阵列包含N个并列排布的空气声波调控结构模块200，在每个空气声波调控结构模块200内嵌有一个麦克风，麦克风内嵌位置的不同，能够提高对不同频率微弱声波信号检测的灵敏度。再由M个麦克风阵列并列构成整个微弱声波检测阵列。
空气声波调控结构模块200：
如图8所示，该空气声波调控结构模块200外形为圆锥形，有许多膜片堆叠而成。膜片可以是多种形状，本实施例为圆形，被称为圆片。圆片的直径沿着圆锥的轴向逐渐变小。这些圆片从大到小，标号为202,203，。。。为了保证足够的结构强度，圆片的厚度以及相邻圆片之间的距离可以不变。所有圆片由2条以上固定筋201固连。第一圆片202上固连有一个操作杆206，用于固定空气声波调控结构模块200。相邻两个圆片之间设置有麦克风阵列安装孔204。整个结构可以采用3D打印制作。当声音沿着该圆锥的轴线传播到各个圆片构成的缝隙上时，不同频率的声波会驻留在不同缝隙，且被放大。当压力容器的泄漏引发的声音频率比较高时，应该把麦克风安装孔设置在直径比较小的圆片上。当压力容器的泄漏引发的声音频率比较低时，应该把麦克风安装孔设置在直径比较大的圆片上。
对声波调控结构模块200的声波放大探测性能进行了测试。测试方法为：宽频扬声器播放不同频率的声音，将一个麦克风安装到该声波调控结构模块200的麦克风阵列安装孔204 内，接收不同频率的声波信号，并转换成电压信号；再将该声波调控结构模块200去掉，只保留该麦克风来接收不同频率的声波信号，最后将两者的幅值相除，即为放大倍数。
测试结果如图9所示，可以看到在很宽的频带内具有2-8倍的放大倍数。然后播放某一频率的声音信号，将麦克风安装到声波调控结构中，旋转该结构，测试其指向性，结果如图所示。可以看到，麦克风安装到该声波调控结构模块200以后，在不损失灵敏度的前提下，具有很好的指向性，可用于分辨不同方向的泄漏声源。
实施例3
本实施例也添加了多个空气声波调控结构模块200，与实施例2不同的是，本实施例的空气声波调控结构模块200的个数为M个，为每个麦克风阵列301共同配置一个空气声波调控结构模块200。实施例2的声学传感器模块101就变成了由多个空气声波调控结构模块 200并列构成微弱声波检测阵列，在每个空气声波调控结构模块200内嵌有一个麦克风阵列 301。
本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。
本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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