基于时延的高精度泄漏点超声定向检测方法

　　气动系统在运行过程中普遍存在严重的泄漏问题，泄漏量通常占总耗气量的 10%~40%[1]，以我国每年气动系统耗电量 3200 亿度计算，泄漏导致的电能损失高达 320~1280 亿度. 泄漏是造成气动系统能量损失的主要因素之一，检漏、堵漏成为气动系统重要的节能途径[2].

　　超声检测法由于具有效率高、成本低且可在线检测等优点，已成为气动系统中广泛使用的泄漏检测方法之一[2]. 其原理是：手持装有定向接收功能超声探头的检漏仪，检测气体泄漏产生的超声波信号. 由于超声波传播的方向性很强，因此，超声波强度最大时传感器的指向即为泄漏点所在的方向. 当前的研究中，对泄漏点的定向检测都是基于单超声传感器[3-7]，其定向精度取决于传感器的指向性，但是，气体泄漏检测用超声传感器由于受到其频率范围和结构参数的限制，指向性相对较差，造成泄漏点定向检测精度较低.本文提出一种基于时延估计的高精度泄漏点定向检测方法，该方法采用 3 个朝向相同的超声传感器，根据泄漏点超声信号到 3 个传感器的时延对泄漏点进行定向，大幅度提高了定向精度.

　　1 超声传感器的指向性

　　超声传感器(也称换能器)的指向性是指其接收响应的幅值随方位角的变化而变化的一种特性[8]. 指向性参数主要有半功率角 和定向准确度Δθ等. 气体泄漏检测用超声传感器为圆形活塞换能器， 和Δθ的计算公式分别为

式中，1D = 2 J ( Z ) /Z;J1为一阶贝塞尔函数;Z = ka sinθ;k为波数.

　　在 40 kHz左右频率段中，气体泄漏超声信号与工厂背景噪声具有较大的声压差[9]，故选用的超声传感器中心频率一般为 40 kHz.传感器直径一般在 1~1.5 cm左右.以FUJI CERAMIC生产的FUS40-CR超声传感器为例，直径约为 1.05 cm，经计算可得(g取 0.2)： ≈50o ，Δθ≈13o.

　　从上述分析可知，气体泄漏检测用超声传感器由于受到其频率范围与结构参数的限制，指向性较低，因此对被测对象的定向精度也较低. 泄漏点到传感器距离为 3 m 时，其定向误差约为40~60 cm. 较大的定向误差导致检漏人员不能快速准确地找到泄漏点，不利于工业现场的推广.为了提高定向精度，本文提出了一种基于时延估计的高精度泄漏点定向检测方法.

　　2 检测原理

　　如图 1 所示，3 个超声传感器分别为U1，U2，U3，其朝向相同并成等边三角形分布，安装在便携式超声泄漏检测仪上. C为等边三角形的中心点，CD为从C点发出的垂直于传感器平面的镭射光束. P为泄漏源. U1，U2，U3接收到的由泄漏源P点产生的超声信号分别为s1，s2，s3. P到 3 个传感器的距离各不相同，所以s1，s2，s3之间存在时间差. 设s1相对于s2的时延为12Δt ，s2相对于s3的时延为 ，s23Δt1相对于s3的时延为 ，可通过对 3 路超声信号两两进行时延估计得到.