一种次声传感器和电子设备的制作方法

本实用新型涉及自动控制技术领域，特别涉及一种次声传感器和电子设备。

背景技术：

在长输气体管道工程中，需要对长输气体管道进行泄漏监测。然而，由于气体可压缩性较强，因此在长输气体管道泄漏时，管内的压力和流量的变化量较小，无法通过管道内的流体参数等判定是否发生泄漏。

因此，亟需一种能有效监测长输气体管道的泄漏监测方案。

技术实现要素：

本实用新型实施例提供一种次声传感器和电子设备，以解决现有气体管道泄漏无法监测的技术问题。

为了达到上述目的，本实用新型实施例提供的具体方案如下：

第一方面，本实用新型实施例提供了一种次声传感器，包括：外壳、传感头和处理电路，其中，所述传感头和所述处理电路均预先定义有低频截止频率；

所述传感头设置于所述外壳上，所述调理电路设置于所述外壳内，所述传感头的信号输出端与所述调理电路的信号输入端电连接；

所述传感头用于采集次声波数据，将所采集的次声波数据转换为第一电信号，并将所述第一电信号传递给处理电路；

所述处理电路用于将所述第一电信号处理成第二电信号后输出。

可选的，所述传感头为电荷输出型部件；

所述处理电路包括前置电路和后置电路，所述前置电路的信号输入端与所述传感头的信号输出端电连接，所述前置电路的信号输出端与所述后置电路的信号输入端电连接；

所述传感头将所采集的次声波数据转换为第一电荷信号；

所述前置电路用于将所述第一电荷信号转化为第一电流信号；

所述后置电路用于将所述第一电流信号转换为第一电压信号。

可选的，所述前置电路包括：电源、电荷放大转换电路、信号调理电路、电流环电路以及公用接口；

所述电源为所述传感头供电，所述传感头在采集到次声波数据时输出第一电荷信号，所述第一电荷信号经由所述电荷放大转换电路和所述信号调理电路处理后，传输至所述电流环电路，所述电流环电路将所接收的电信号转换为所述第一电流信号，通过所述公用接口将所述第一电流信号输出至所述后置电路。

可选的，所述第一电流信号的取值范围为4毫安至20毫安；

所述第一电压信号的取值范围为-10伏至+10伏。

可选的，所述外壳为铸铝材质的防水外壳。

可选的，所述电源包括正电源电路和负电源电路；

所述正电源电路用于提供正电源，所述负电源电路用于提供负电源。

可选的，所述电荷放大电路的低频截止频率为0.161Hz。

可选的，所述传感器匹配电路包括低通滤波电路，所述低通滤波电路的截至频率为10050Hz。

可选的，还包括连接器和连接件，所述连接件设置于所述外壳上；

所述传感头与所述连接器的一端螺纹连接，所述连接器的另一端与所述连接件螺纹连接。

第二方面，本实用新型实施例提供了一种电子设备，包括第一方面中任一项所述的次声传感器。

本实用新型实施例中，所提供的次声传感器包括传感头、外壳以及设置于所述外壳内的处理电路，传感头采集环境中的次声波数据，并将采集的次声波数据转换为第一电信号给处理电路，由处理电路将第一电信号处理成第二电信号后输出，第二电信号为一定取值范围内的可用信号。这样，次声传感器设置于长输天然气管道等环境时，若存在气体泄漏点，则泄漏点的气体与管壁摩擦而产生声音，且其中低频部分的声音可以传播较远距离。这样，次声传感器采集到传播的次声波数据，即可根据次声传感器输出的电信号判断长输气体管道是否正常，并在判定长输气体管道可能存在气体泄漏时及时采取有效措施，极大程度地提高了长输气体管道的次声波监测的准确性和时效性。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对本实用新型实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例提供的一种次声传感器的结构示意图；

图2a至图2e为本实用新型实施例提供的次声传感器的部分结构示意图；

图3至图17为本实用新型实施例提供的次声传感器的处理电路的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

参见图1，图1为本实用新型实施例提供的次声传感器的结构示意图。如图1所示，一种次声传感器，包括：外壳110、传感头120和处理电路130，其中，所述传感头120和所述处理电路130均预先定义有低频截止频率；

所述传感头120设置于所述外壳110上，所述调理电路设置于所述外壳110内，所述传感头120的信号输出端与所述调理电路的信号输入端电连接；

所述传感头120用于采集次声波数据，将所采集的次声波数据转换为第一电信号，并将所述第一电信号传递给处理电路130；

所述处理电路130用于将所述第一电信号处理成第二电信号后输出。

本实施例中的次声传感器10，可以用于长输气体管道等环境的次声波监控。所述次声传感器10包括外壳110、传感头120和处理电路130，所述传感头120和所述处理电路130均设置于所述外壳110内。

所述外壳110为次声传感器10的保护壳体，将传感头120和处理电路130包围在所述外壳110的容纳空间内，不易被环境中的液体、灰尘等损坏。具体的，所述外壳110可以由铸铝材质制作，具备防尘能力。由于该次声传感器10多用户长输气体管道的气体泄漏点监控，因此要求所述外壳110的防护等级达到IP66以上，防爆等级达到Exd IIB T4以上。所述外壳110的具体形状和结构，可以根据需求具体设置，只要能包裹处理电路130和传感头120的部分结构即可，在此不作限定。

所述传感头120为所述次声传感器10的数据采集部件，用于采集环境中的次声波数据，并将采集的次声波数据转换为第一电信号，将第一电信号传递给处理电路130处理。所述传感头120可以包括低频声波敏感元件和信号处理单元，低频声波敏感元件用于采集次声波数据，并将采集的次声波数据传递给信号处理单元，由信号处理单元将采集的次声波数据转换为电信号，即为所述传感头120输出的第一电信号。

所述处理电路130用于处理传感头120输出的初始的第一电信号，将所接收的第一电信号处理成第二电信号后，所述第二电信号可以为一定范围内变化的电压信号或者电信号，用于反应一定的次声波数据，所述第二电信号可以由外接设备直接接收和使用。具体的，所述处理电路130可以包括滤波电路、放大电路、补偿电路、校正电路等，不作限定。

在一种具体实施方式中，如图1、图2a至图2e所示，所述次声传感器10还可以包括连接器和连接件113，所述连接件113设置于所述外壳110上；

所述传感头120与所述连接器的一端螺纹连接，所述连接器的另一端与所述连接件113螺纹连接。

通过连接器将传感头120连接到外壳110的连接件113上。具体的，连接件113需要满足承受20MPa压力的情况下也不会发生漏油或者漏气的问题。传感头120本身优选采用10-32同轴插孔，处理电路130的电路板131是SMA接口，这样，传感头120和电路板131可以通过一个10-32转SMA接口的电缆实现电连接。

其中，传感头120采用10-32同轴插孔，同轴插孔的内心可以为单根信号输出端，传感头120的外围螺丝接地，且传感器的金属外壳110与大地之间的阻抗可以为108欧。所述连接器可以选择型号062A06的传感器，传感头120通过该连接器固定到连接件113上。装配时，将传感头120安装到连接器的内螺纹上，连接器的外螺纹为标准的1英寸NPT接口，用于将连接器本身固定到连接件113上。传感头120的整体尺寸可以设计为：1.50In.Hex.x 1.48In.H(38.1mm Hex x 37.6mm H)。螺纹装配方式，装配操作简便、便于维修和更换。

所述传感头120的性能可以为：电荷灵敏度(±10％)2200pC/psi；频率响应2Hz～8000Hz；动态测试范围0.28x 10-4到10psi；最大承受压力(静态)3Kpsi等。此外，次声传感器10所使用的系统电源，其电源电压可以为12VDC至36VDC，优选为24VDC电源，并且设计电源接口为接线柱。性能参数和电源属性设置，使得次声传感器10更便于装配，且满足次声监测需求。

形成所述处理电路130的电路板131，可以采用FR4材料，采用4层板设计，且板厚1.2毫米，板厚误差涉及为1.2mm/±10％。电路板131的内层铜厚设计为35um/10Z，外层铜厚设计为35um/10Z。此外，电路板131可以为直径65毫米的圆形。电路板131的过孔处理方式为过孔盖油处理，不进行阻抗控制处理，在电路板131的表面做沉锡处理，阻焊形成双面蓝色，字符为双面白色。本实施方式的集成电路板131的尺寸较小，优化次声传感器10的整体尺寸。

具体的，所述外壳110上还可以设置有密封盖111和密封圈112，用于实现外壳110的密封防护效果。传感头120上设置有传感器堵头121，且通过橡胶塞123、垫片124和压紧螺母125等来实现固定。此外，电路板131上还可以设置有用于固定电路板131到外壳110的固定螺栓132和卡口螺栓133。电路板131通过接线端子连接到传感头120接口电路上。

本实施例提供的次声传感器10，将传感头120和处理器设置于外壳110内，且外壳110由铸铝材质与传感器本体一体设置，增大防水防尘能力。此外，传感头120的次声波感应元件需要伸出所述外壳110，采集环境中的次声波数据。传感头120的信号输出端与处理电路130的信号输入端电连接，将所采集的次声波数据转换为第一电信号后，传递给处理电路130进一步优化处理成第二电信号，使得输出的第二电信号可以由外接设备直接接收和使用，用于次声监控或者自动控制反馈等。

本实施例提供的次声传感器10，传感头120采集环境中的次声波数据，并将采集的次声波数据转换为第一电信号给处理电路130，由处理电路130将第一电信号处理成第二电信号后输出，第二电信号为一定取值范围内的可用信号。这样，次声传感器10设置于长输天然气管道等环境时，若存在气体泄漏点，则泄漏点的气体与管壁摩擦而产生声音，次声传感器10采集到传播的次声波数据，即可根据次声传感器10输出的电信号判断长输气体管道是否正常，并在判定长输气体管道可能存在气体泄漏时及时采取有效措施，实现了长输气体管道的次声波准确、及时的监测。

在上述实施例的基础上，所述传感头120为电荷输出型部件；

如图3所示，所述处理电路130包括前置电路和后置电路，所述前置电路的信号输入端与所述传感头120的信号输出端电连接，所述前置电路的信号输出端与所述后置电路的信号输入端电连接；

所述传感头120将所采集的次声波数据转换为第一电荷信号；

所述前置电路用于将所述第一电荷信号转化为第一电流信号；

所述后置电路用于将所述第一电流信号转换为第一电压信号。

本实施例中，所述处理电路130分为前置电路和后置电路，前置电路与传感头120电连接，处理传感头120输出的初始电信号，后置电路对前置电路处理后的电信号进一步转换处理。本实施例提供的传感头120可以为电压输出型部件，则传感头120所采集的次声波数据转换为第一电荷信号，接着由前置电路将传感头120输出的第一电压信号转换处理成第一电流信号，然后再有后置电路将所述第一电流信号转换为第一电压信号，即可获得一定范围内的电压信号，供外接设备直接接收和使用。

上述过程中，前置电路的处理过程主要包括：滤波、放大、补偿等，将传感头120输出的电荷信号进行调理，输出电流信号。所述后置电路的处理过程主要包括：滤波、放大、补偿、校正等，将前置电路调理后的电压信号转换为电流信号。

具体的，所述第一电流信号的取值范围可以为4毫安至20毫安，所述第一电压信号的取值范围为-10伏至+10伏。

在一种具体实施方式中，如图4所示，所述前置电路可以包括：电源、电荷放大转换电路、信号调理电路、电流环电路以及公用接口；

所述电源为所述传感头120供电，所述传感头120在采集到次声波数据时输出第一电荷信号，所述第一电荷信号经由所述电荷放大转换电路和所述信号调理电路处理后，传输至所述电流环电路，所述电流环电路将所接收的电信号转换为所述第一电流信号，通过所述公用接口将所述第一电流信号输出至所述后置电路。

此外，所述电源还可以用于为前置电路，及至整个次声传感器10的用电部件供电。

下面将通过具体实施方式和可能实现电路，详细解释前置电路中的每个电路模块。

在一种具体实施方式中，所述电源可以包括正电源电路和负电源电路；

所述正电源电路用于提供正电源，所述负电源电路用于提供负电源。

如图5和图6所示，为电源的一种具体实现电路的示意图。其中，图5为正电源电路，所使用的线性稳压器TPS7A4101，可耐受超高电压，负责为运算放大器提供正电源。其采用了耐热增强型封装MSOP-8，并且能承受最高50V的连续直流电压或瞬态输入电压。同时，它具有一种内部热关断及限流功能，可以在故障情况下对系统提供保护。所述正电源电路所使用的线性稳压器，不仅能提供一个经过良好调节的电压轨，而且还能承受超高及快速的电压瞬变，并在此瞬变情况下保持稳压作用，进而转化为更加简单和性价比更高的电浪涌保护电路，可以适用于较多环境恶劣的应用场合。提高了电源工作性能的稳定性，以及环境适应性。

此外，正电源电路中的电阻R199、R203以及R215均为测试用电阻，电阻R202与线性稳压器的使能脚连接，可以通过电阻R202上拉线性稳压器的使能脚，并且能同时起到限流作用，进一步保证电源供电功能的稳定性、

图6为负电源电路，使用反相电荷泵TPS60400，为运算放大器提供负电源。此电路中，电阻R187为测试电路，电容C143用于储存能量。该反相电荷泵的效率可高达95％，且通过3个电容就可以搭建一个负压转换电路，可以有效节省电路板131上空间且转换速度快。

如图7所示，为电源电路的另一种实现电路。使用的电荷泵的型号为MAX865，其可以同时输出正反电压，输出电压的绝对值是输入电压的两倍，且效率可高达90％。可以用作运算放大器的备用电源。

如图8所示，为公用接口的一种具体实现电路，该公用接口电路为电流环和电源共用接口。由于传感器整体为两线制压力变送器，外部电源供电入口与信号输出共用一个接口端子J2。其中，J2是一个Pin间距为5.08的接线柱，供电电源从J2的pin1输入，前置电路输出的第一电流信号从J2的pin2输出。电阻R197可以作为测试电阻，测试电源的正常供电状态。电阻R197还可以粘贴磁柱，以抑制噪声和干扰。电路中的电容C55和电容C56用于执行电路中的滤波和去耦作用。

如图9所示，为传感头120接口电路的一种具体实现方案。传感头120的接口优选为CONN CIR 5-P，其接口类型为SMA母口。

如图10所示，为电荷放大电路的一种具体实现方案。其中，TP15和TP16两个TP点用于焊接10000pF高精度低温漂电容；电荷信号经运算放大器U12放大后输出；TP5和TP4两个TP点用于焊接100M高精度低温漂电阻，为反馈电阻。其低频截止频率可以为：f＝0.161Hz

如图11至图13所示，为信号调理电路的一种具体实现方案。信号调理电路实际为具备低通滤波功能的电路，该低通滤波器的截止频率为10050Hz。于此电路中，电阻R55、电阻R58均为电路中的测试电路，测试电路的工作状态。电容C42与电容C22执行滤波和去耦作用。电容C50、电容C53、电阻R53以及运算放大器U12连接形成二阶低通有源滤波器。

进一步的，所述信号调理电路还可以包括电压跟随器OPA244NA，所述电压跟随器设置于所述低通滤波器的输出端，用于提高电路的输入阻抗，降低输出阻抗，以提高电路的带载能力。

再者，电路中的电阻R56、电阻R59和电容C54均为预留器件。电阻R198连接到电流环电路，电流环电路用于给运算放大器U13提供参考电压，信号经过放大处理后输入到电流环电路。

如图14所示，为电流环电路的一种具体实现方案。其中，电流环主芯片为XTR101AU。电容C63为去耦电容，是预留器件。信号通过电阻R69进入电流环，然后转换为4mA～20mA电流信号，即所述第一电流信号输出。

在上述实施例的基础上，如图15至图17所示，处理电路130所在的电路板131还可以包括固定孔MTG7与MTG8，通过固定孔可以将电路板131固定在外壳110上。电路板131上还设置有屏蔽罩焊盘MTG17、MTG18、MTG19、MTG20，以预留的屏蔽罩焊接位置。此外，电路板131上还设置有光学定位点FD7和FD8，用于SMT贴片定位。TP8和TP9为长方形隔离孔。

在上述实施方式的基础上，传感器的处理电路130的电路板131采用SMT生产线贴片焊接，在焊接完成后，还可以使用洗板水或者纯酒精将电路板131的表面清理干净，并且使用热风枪将电路板131的表面吹干。这样，即可完成电路板131的加工制作。

本实施例的多种实施方式提供的次声传感器10，可以在长输天然气管道等环境中承担着稳定、准确的信号转换、调理和发送的职责。次声传感器10的生产工艺简单，且便于加工装配，次声传感器10的传感头120与处理电路130的配合可以有效提高次声波监测的准确性和时效性。

本实用新型实施例还涉及一种电子设备，所述电子设备包括上述图1至图17中任一实施例所述的次声传感器。

所述电子设备可以包括但不限于气体监控组件、次声波监控等设置有次声波传感器的设备，不作限定。

本实施例提供的电子设备，通过将次声传感器设置传感头、外壳以及设置于所述外壳内的处理电路，传感头采集环境中的次声波数据，并将采集的次声波数据转换为第一电信号给处理电路，由处理电路将第一电信号处理成第二电信号后输出，第二电信号为一定取值范围内的可用信号。这样，次声传感器设置于长输天然气管道等环境时，若存在气体泄漏点，则气体泄漏点的位置泄漏的与管壁摩擦而产生声音，次声传感器采集到传播的次声波数据，即可根据次声传感器输出的电信号判断长输气体管道是否正常，并在判定长输气体管道可能存在气体泄漏时及时采取有效措施，极大程度地提高了长输气体管道的次声波监测的准确性和时效性。

本实用新型实施例提供的电子设备的具体实施过程可以参见上述实施例提供的次声传感器的具体实施过程，在此不再一一赘述。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以权利要求的保护范围为准。