2010年第4期
仪表技术与传赢器 InstrumentTechniqueandSensor
数字输出管道检漏压电传感器的设计
唐旭晖，张党英，王玉田
（燕山大学测试计量技术及仪器河北省重点试验室，河北泰皇岛066004）
2010 No. 4
摘要：设计了一种用于检测供水管道泄漏声音信号的压电传感器，进行了传感器的选型、硬件电路的设计和各部分软件的设计。根据泄漏检测定位的需要，系统具有信号调理、数据采集和存储、日历时钟电路、USB通信等功能，具备低功
耗、存储容量大的特点，为以后泄漏检测定位的信号处理工作提供了必要的数据依据。关键词；管道泄漏；低功耗；压电传感器
中图分类号：TP212
文献标识码：A
文章编号：10021841(2010)04000603
DesignofPiezoelectricSensorforPipelineLeakDetection
TANG Xu-hui,ZHANG Dang-ying, WANG Yu-tian
(Hebei Key Lab of Measurement Technology and Instrumentation, Yanshan University,Qinhuangdao 066004,China) Abstract: This paper develops a piezo-electric sensor for acoustic signal of leaking water supply pipes,which includes the se-lection of the acceleration chip, the designes of the hardware circuit and every part of software, According to the needs of leak lo calization, this system has the funcion of signal condtioning, data acqusition and transmission, the calenda and clock circuit and USB commuinication,etc. Its features were low power consumption and bulk-storage memory. It provides the essential data for the singnal processing of the leak detection.
Key words:pipe leaking;low power;piezo-electric sensor
1传感器的选型
供水管道泄漏相关检测定位系统如图1所示。传感器的作用主要是将自来水管道池蒲产生的声音信号转换为电信号并将其送至数据采集模块。管道泄漏声音信号的频率主要集中在200~2000Hz，该系统采用的压电传感器为平面剪切结构，有良好的环境特性。其电荷灵敏度≥1000PC/g，可用频率范围上限为3.5kHz.
电源管理模块
B历时钟电路
满
传感器婴爆器带
横块馨储模块
上位
机通信机
图1供水管道泄漏相关检测定位系统结构示意图
2硬件电路的设计
硬件电路主要有信号调理模块、数据采集和存储模块、日
历时钟电路、USB通信、电源管理模块。 2.1信号调理模块的设计
信号调理模块的主要功能是对传感器的的输出信号进行
放大与滤波，主要由前置放大电路和滤波电路组成。 2.1.1前置放大电路
在漏损检测中，当传感器输出的信号比较微弱时，需要将信号进行放大以使后续检测。该设计申，采用的运算放大器是高阻输人级的高阻运算放大器OPA137芯片，该芯片具有低噪声、低功耗和小封装等特点，其输入阻抗为10"Q，带宽为1 MHz，开环增益为94dB，工作电压为±2.25~±18V，静态工作
电流220μA，完全能满足该设计实际应用的要求。收稿日期：20090902
2.1.2滤波电路设计
经传感器转换和前置放大器放大的水声信号，由于环境、传感器、放大器、传输导线的噪声影响，往往会含有多种频率成分的噪声信号，就需要使用带通滤波器来抑制不需要的噪声信号，提高信噪比。文中设计的滤波电路采用MAX265开关电容带通滤波器6)。其主要特点是用开关和电容来代替电路中的电阻，是数字电路和模拟电路的结合。其电路如图2所示。
MAX265既可以用±2.7~±6.3V的双电源供电，也可以采用+5V的单电源，该系统采用5V电压供电。由于铸铁管道水泄漏信号的频率范围为200~2000Hz，面带通滤波器的中心频率为J。=乐·J，代人数值得出J。=632Hz.Ja选2.5 MHz，其与中心频率的比值将远远大于MAX265资料中所给出的分频比，无法满足要求，需要对时钟信号进行分频处理。选用CD4060的14级二进制计数器进行分频。
2数据采集和存储模块的设计 2. 2
采集和存储模块用于完成对调理模块的输出信号进行采集与存储。CPU选择C8051F020，其最主要的特点是微控制器内核流水线指令结构70%的指令的执行时间为1个或2个系统时钟周期，速度可达25MHz，64KB在线系统可编程Flash程序存储器，外部并行数据存储器接口可达5MB/s.2.7~3.6V 的工作电压，典型工作电流为10mA/25MHz，有多种节电休眠和停机模式*）。
数据采集使用了C8051F020内置ADCO子系统，该子系统包括1个9通道的可编程模拟多路选择AMUXO、1个可编程增益放大器PGA0和1个100KSPS12位分辨率的逐次逼近型 ADC.ADC中集成了跟踪保持电路和可编程窗口检测器。 AMUXO、PGAO、数据转换方式及菌口检测器都可以通过软件配