摘 要：在此，介紹了一種寬頻帶的次聲傳感器，該型氣體型次聲傳感器有如下特點(diǎn)：頻帶寬，從0.5～300 Hz的范圍，覆蓋了幾乎次聲頻帶的全部和部分可聽(tīng)聲頻段；頻響較好，在設(shè)計(jì)頻段內(nèi)的曲線平直；輸出電壓大，可達(dá)400 mV/Pa，與A/D轉(zhuǎn)換設(shè)備一起使用可方便地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集；高靈敏度，可接收下限達(dá)0.05 Pa的聲壓；通過(guò)調(diào)節(jié)電路中的信號(hào)耦合部分的可調(diào)電阻，可達(dá)到較高的一致性；采用隔艙密封和浸漆設(shè)計(jì)，從而達(dá)到零漂小，能長(zhǎng)期有效地工作；所用換能元件的質(zhì)量較小，振動(dòng)靈敏度趨近于零，對(duì)振動(dòng)不敏感；通過(guò)在管道上布設(shè)陣列，使用特定的算法可有效檢測(cè)氣體管道上的泄漏發(fā)生。

關(guān)鍵詞：寬頻帶； 氣體型次聲傳感器； 氣體管道； 振動(dòng)靈敏度

中圖分類(lèi)號(hào)：TN91134 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004373X（2012）22011903

本文介紹一種寬頻帶的次聲傳感器，可用于高壓氣體管道的泄漏檢測(cè)。次聲傳感器是可把聲能轉(zhuǎn)換成電能的裝置，是次聲［1］研究中的必要設(shè)備，也是精確的信號(hào)采集、特征分析和聲波源定位的基礎(chǔ)。目前常用的傳感器有以下幾種：電容感應(yīng)型［24］、光纖型［5］、振動(dòng)感應(yīng)型［6］。本文介紹的CASI2012氣體管道測(cè)漏傳感器是一種電容式的傳感器，這種傳感器體積較小、靈敏度高、頻響曲線較為平直、對(duì)振動(dòng)不敏感，與數(shù)字化儀配合使用可快速實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的A/D轉(zhuǎn)換，使用方便。

1 傳感器原理及電路結(jié)構(gòu)

1.1 基本原理

CASI2012型傳感器如圖1所示，使用電容感應(yīng)的換能方式，頻率響應(yīng)為勁度控制，即感應(yīng)膜片彈性的倒數(shù)。在勁度控制的系統(tǒng)中，第一共振頻率以下可以有較平直的響應(yīng)，所以下限頻率可以很低，接近于零，涵蓋了次聲頻段的大部分（0.5～20 Hz），這個(gè)特點(diǎn)使得電容型換能器件非常適合應(yīng)用于次聲傳感器研制。

圖1 CASI2012型傳感器由于換能元件的膜片非常輕薄，所以傳感器的靈敏度可以達(dá)到很高的水平，同時(shí)使得傳感器僅對(duì)聲波敏感，而對(duì)各種振動(dòng)不敏感。在一般的設(shè)計(jì)中，傳感器自身的物理振動(dòng)可能會(huì)對(duì)聲學(xué)測(cè)量帶來(lái)極大地干擾，所以減小傳感器對(duì)振動(dòng)的靈敏度是有著非?，F(xiàn)實(shí)的意義的，這將極大的提升傳感器的性能。CASI2012型傳感器所用的換能器件如圖2所示，它將次聲波引起的敏感膜振動(dòng)導(dǎo)致的電容量變化轉(zhuǎn)變成電信號(hào)輸出。

傳感器設(shè)計(jì)應(yīng)考慮兩個(gè)因素［78］：一是待測(cè)聲壓的等級(jí)，因?yàn)閷?shí)際測(cè)試時(shí)得到的是傳聲器的輸出電壓，然后根據(jù)靈敏度求得聲壓；二是測(cè)試頻段內(nèi)的頻率響應(yīng)曲線應(yīng)盡量平直，頻率響應(yīng)曲線平直可避免對(duì)每個(gè)頻率點(diǎn)作輸入聲壓與輸出電壓的校準(zhǔn)，使數(shù)據(jù)測(cè)量和計(jì)算更為簡(jiǎn)便。

圖2 CASI2012型傳感器所用的換能器件1.2 電路結(jié)構(gòu)

為了獲得傳感器電容量的緩慢變化信號(hào)，進(jìn)行了信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)，如圖3所示。在換能器件上加載高頻正弦信號(hào)，載波信號(hào)產(chǎn)生電路由LF253N及相應(yīng)外圍電路組成，采用調(diào)幅原理，電橋的一個(gè)橋臂為傳感器電容，當(dāng)傳感器接收次聲信號(hào)時(shí)，電橋失衡產(chǎn)生相應(yīng)變動(dòng)的調(diào)幅波，調(diào)幅波進(jìn)入偏置電路，消除輸出信號(hào)的零漂，消除了零漂的調(diào)幅波經(jīng)過(guò)解調(diào)器解調(diào)后，再經(jīng)過(guò)放大、帶通濾波電路以及電壓跟隨器電路，就得到了低頻頻段的電壓信號(hào)。

圖3 CASI2012型傳感器的信號(hào)調(diào)理電路駐極體傳聲器是一個(gè)置于傳感器連接器和傳感器調(diào)理電路之間的一個(gè)敏感頭，是傳感器的信號(hào)感應(yīng)部位。駐極體傳聲器振膜與極板之間的電容量比較小，一般為幾十pF，因而這個(gè)電信號(hào)輸出阻抗很高，信號(hào)幅度很弱。因此不能將駐極體傳聲器的輸出直接與音頻放大器相接。而場(chǎng)效應(yīng)晶體管具有輸入阻抗極高、噪聲系數(shù)低的特點(diǎn)，因此一般接入一只輸入阻抗極高的結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管用來(lái)放大駐極體電容產(chǎn)生的電壓信號(hào)，同時(shí)以比較低的阻抗在源極S或者漏極G輸出信號(hào)，實(shí)現(xiàn)阻抗變換。前置放大器一方面是對(duì)電容傳聲器頭輸出的信號(hào)進(jìn)行預(yù)放大，另一方面是是將電容頭的高輸出阻抗轉(zhuǎn)換為低阻抗輸出。

微型前置放大器的電路主要包括三個(gè)部分，第一部分是場(chǎng)效應(yīng)管組成的阻抗變換電路，第二部分是放大濾波電路，第三部分是射隨電路。微型前置放大器的原理如圖4所示。

2 傳感器性能指標(biāo)

2.1 靈敏度

電容式次聲傳感器的換能器件的輸出并不與膜片的振幅A成正比，而是與膜片的平均位移成某種比例。設(shè)電容的極間距為L(zhǎng)，平均位移為λ，在低頻（ω（1）

Zm=πr2Z+8πτ－jω－jω4πr2σm3+1jωCm

（2） 將式（2）代入式（1）中，化簡(jiǎn)后得：λ=726Pω201σm

（3） 次聲傳感器靈敏度表達(dá)式為：S=λL=726PLω201σm

（4） 可見(jiàn)靈敏度S與聲壓P成正比，與極間距L、第一共振頻率ω01的平方以及膜片面密度σm成反比。由式（4）看出，儀器的靈敏度取決于極間距和膜片的聲順。空腔聲順在容積一定時(shí)是不變的，所以膜片聲順是決定性因素。圓形膜片聲順與膜片直徑、面密度及張力有關(guān)。在直徑、材料和厚度固定的條件下，為使同一批次聲傳感器有相同的靈敏度，只需調(diào)節(jié)每個(gè)膜片的張力使其第一共振頻率f01一致即可。

圖4 微型前置放大器原理框圖電容次聲傳感器的實(shí)際靈敏度可以在實(shí)驗(yàn)室條件下通過(guò)次聲校準(zhǔn)裝置直接測(cè)量，若是在現(xiàn)場(chǎng)條件可以采用便攜式校準(zhǔn)器直接校準(zhǔn)。因?yàn)閭鞲衅髟陬l帶內(nèi)的曲線較平直，所以只需測(cè)量在聲壓級(jí)為94 dB（1 Pa）時(shí)頻帶內(nèi)的某個(gè)頻率點(diǎn)即可。

2.2 頻率響應(yīng)

次聲傳感器的第一共振頻率在膜片最低撐平張力時(shí)，已遠(yuǎn)高于系統(tǒng)的上限頻率300 Hz。因此對(duì)于次聲傳感器而言，頻帶的上限截至頻率很好控制，一般無(wú)需過(guò)多考慮。需要控制的是其下限截至頻率：flow=1T=1RCs

（5）式中：T為下限截至頻率的周期；R為腔體均壓孔的聲阻；Cs為腔體聲順。

CASI2012型傳感器的3 dB帶寬保持在0.8～300 Hz，而這正處在氣體管道泄漏所產(chǎn)生的低頻信號(hào)范圍內(nèi)，經(jīng)測(cè)量其頻響曲線如圖5所示。

2.3 動(dòng)態(tài)范圍

動(dòng)態(tài)范圍的上限由極間距決定，平行板電容器的基本關(guān)系式為C=S4πD，式中S為極板面積，D為極間距。ΔC/C可視為次聲傳感器的靈敏度，在小信號(hào)情況下有ΔC/C=λD+（λ/D）2+…，只要滿足λD≤110，即可認(rèn)為膜片振動(dòng)是小振幅，系統(tǒng)為線性系統(tǒng)，此時(shí)傳感器的畸變遠(yuǎn)低于3%。動(dòng)態(tài)范圍的下限取決于整個(gè)系統(tǒng)的噪聲，包括換能器件本身以及放大電路。通常換能器件自身的噪聲要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于電路噪聲，所以一般動(dòng)態(tài)范圍的下限由放大電路的電噪聲決定。

圖5 CASI2012型傳感器頻率響應(yīng)曲線2.4 零漂

在實(shí)際工作中，環(huán)境溫度變化較大，因而傳感器很容易產(chǎn)生零點(diǎn)漂移。電容式傳感器是一種勁度控制儀器，其勁度控制由兩部分組成：感應(yīng)器件的膜片緊張度和封閉腔室的彈性。前者通過(guò)采用特定的正確材料即可保證在使用壽命內(nèi)維持穩(wěn)定狀態(tài)，后者則受外界溫度的影響很大，較難解決。

由氣體定律PV=RT可知，溫度變化必然導(dǎo)致腔內(nèi)壓力發(fā)生變化，感應(yīng)器件的勁度隨之改變，從而引起零點(diǎn)漂移。要想減小這種溫度變化造成的不利影響，需盡可能地減少外界環(huán)境與密閉腔體的溫度交換，CASI2012型次聲傳感器對(duì)其中的換能器件實(shí)施了絕熱處理，利用一種不易導(dǎo)熱的玻璃纖維制成的材料將換能器件包裹，進(jìn)而極大地降低了能量交換。相比于未做該處理的情形，經(jīng)處理后的傳感器在耐久性試驗(yàn)中表現(xiàn)優(yōu)異，而且還進(jìn)一步降低了振動(dòng)對(duì)次聲測(cè)量的影響。

3 傳感器性能測(cè)試

為驗(yàn)證CASI2012型次聲傳感器的設(shè)計(jì)性能，在中科院聲學(xué)所的香山強(qiáng)聲實(shí)驗(yàn)室的壓力艙內(nèi)，對(duì)傳感器進(jìn)行測(cè)試［9］。 在輸入振動(dòng)頻率為10 Hz次聲波的密封艙內(nèi)，94 dB聲壓級(jí)的情況下，CASI2012型次聲傳感器準(zhǔn)確測(cè)得了該頻率點(diǎn)的次聲信號(hào)，且有著極高的信噪比，如圖6所示。

圖6 10 Hz次聲環(huán)境下傳感器的測(cè)量結(jié)果4 結(jié) 語(yǔ)

該設(shè)計(jì)在后期的信號(hào)處理電路中加入了一種可調(diào)電容的設(shè)計(jì)，使得次聲傳感器成為一種工作起點(diǎn)可相互校準(zhǔn)的傳感器，提高了一致性和測(cè)量精度；采用特種絕熱材料處理的方法成功地保障了換能器件腔內(nèi)的溫度相對(duì)恒定，進(jìn)而改善了次聲傳感器的零漂問(wèn)題。

參 考 文 獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介： 鄭國(guó)鋒 男，1986年出生，河南洛陽(yáng)人，碩士研究生。主要從事石油天然氣管道泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究工作。