[发明专利]动车组气动设备气体泄漏无源检测装置及方法

权利要求书

1.动车组气动设备气体泄漏无源检测装置，其特征在于，包括宽带光源(1)、光耦合器(2)、第一超声传感器(31)、第二超声传感器(32)、第三超声传感器(33)、第四超声传感器(34)、驱动单元(4)、解复用器(5)、第一光电探测器(61)、第二光电探测器(62)、第三光电探测器(63)、第四光电探测器(64)和信号处理单元(7)；宽带光源(1)的输出光端口与光耦合器(2)的光端口相连，宽带光源(1)的输入电端口与驱动单元(4)的输出电端口相连；第一超声传感器(31)、第二超声传感器(32)、第三超声传感器(33)、第四超声传感器(34)和解复用器(5)的光端口分别与光耦合器(2)的光端口相连；第一光电探测器(61)、第二光电探测器(62)、第三光电探测器(63)和第四光电探测器(64)各自的输入电端口分别与解复用器(5)的输出光端口相连；信号处理单元(7)分别与第一光电探测器(61)、第二光电探测器(62)、第三光电探测器(63)、第四光电探测器(64)和驱动单元(4)的电端口相连；超声传感器包括光纤(8)、透镜(9)、滤波反射薄膜(10)和振动薄膜(11)，滤波反射薄膜(10)喷涂在振动薄膜(11)内侧面上，透镜(9)一侧正对着滤波反射薄膜(10)，透镜(9)另一侧与光纤(8)的一个光端口相连；第一超声传感器(31)、第二超声传感器(32)、第三超声传感器(33)和第四超声传感器(34)各自的滤波反射薄膜(10)反射光波的波长各不相同。

2.根据权利要求1所述的动车组气动设备气体泄漏无源检测装置，其特征在于，四个超声传感器呈十字敷设，构成超声波探测阵列。

3.根据权利要求2所述的动车组气动设备气体泄漏无源检测装置，其特征在于，信号处理单元(7)包括时钟源(71)、第一混频器(721)、第二混频器(722)、第三混频器(723)、第四混频器(724)、第一低通滤波器(731)、第二低通滤波器(732)、第三低通滤波器(733)、第四低通滤波器(734)、A/D阵列(74)和MCU(75)；时钟源(71)的输出端口分别与驱动单元(4)、第一混频器(721)、第二混频器(722)、第三混频器(723)和第四混频器(724)的输入端口连接；第一混频器(721)、第二混频器(722)、第三混频器(723)和第四混频器(724)的另一个输入端口分别一一对应地与第一光电探测器(61)、第二光电探测器(62)、第三光电探测器(63)和第四光电探测器(64)的输出端口连接；第一混频器(721)、第二混频器(722)、第三混频器(723)和第四混频器(724)的输出端口分别一一对应地与第一低通滤波器(731)、第二低通滤波器(732)、第三低通滤波器(733)、第四低通滤波器(734)的输入端口连接，A/D阵列(74)的输入端口分别与第一低通滤波器(731)、第二低通滤波器(732)、第三低通滤波器(733)、第四低通滤波器(734)的输出端口连接，A/D阵列(74)的输出端口与MCU(75)的输入端口连接。

4.动车组气动设备气体泄漏无源检测方法，采用权利要求3所述的动车组气动设备气体泄漏无源检测装置，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、时钟源(71)将频率为f₀的时钟信号分别送入驱动单元(4)、第一混频器(721)、第二混频器(722)、第三混频器(723)和第四混频器(724)中；驱动单元(4)驱动宽带光源(1)发出频率为f₀的调制光信号，调制信号的功率表示为A₀cos(2πf₀t)，其中，A₀表示幅度，t表示时间；调制光信号经过光耦合器(2)后四等分，分别送入第一超声传感器(31)、第二超声传感器(32)、第三超声传感器(33)和第四超声传感器(34)；超声传感器中的光波信号经透镜(9)扩束准直后，垂直入射滤波反射薄膜(10)，四个超声传感器的滤波反射薄膜(10)分别将波长为λ₁、λ₂、λ₃和λ₄的光波反射，反射光沿着原路返回；反射光经过光耦合器(2)和解复用器(5)后，分别送入第一光电探测器(61)、第二光电探测器(62)、第三光电探测器(63)、第四光电探测器(64)；光电探测器将光信号转为电信号，然后分别送入信号处理单元(7)中；

步骤二、当压缩气体管路出现压缩气体泄漏时，将在泄漏点附近产生超声波；当超声波信号到达振动薄膜(11)时，导致振动薄膜(11)发生同频振动，其微小的位移ΔL＝α·A₁cos(2πf₁t)，其中，α、A₁和f₁依次表示振动薄膜位移系数、超声波振幅和超声波频率；此时，当调制频率为f₀的光波入射至振动薄膜(11)时，其反射光将携带振动信息，表示为A₀cos(2πf₀t+2f₀·ΔL/c)，其中，c表示光波在空气中的速度；

步骤三、反射光经过第一光电探测器(61)、第二光电探测器(62)、第三光电探测器(63)和第四光电探测器(64)后分别送入第一混频器(721)、第二混频器(722)、第三混频器(723)和第四混频器(724)，并分别与时钟源(71)的输出信号混频，混频信号表示为C₀[cos(4πf₀t+2f₀·ΔL/c)+cos(2f₀·ΔL/c)]，其中，C₀表示混频系数；混频信号分别经过第一低通滤波器(731)、第二低通滤波器(732)、第三低通滤波器(733)、第四低通滤波器(734)后，滤掉高频信息，得到超声信息

步骤四、携带模拟超声信号经过A/D阵列(74)后，转为数学信号，送入MCU(75)，进行后续处理。