漏水探测仪的研制

　　0 引言

　　目前,对埋藏于地下自来水管道漏水的探测定位一般采用两种方法[1],一种为听漏法,即用一根听漏棒,一端放于地面,可从另一端听到漏水声。听漏工作常在深夜进行,以免受到杂声干扰,其效果凭操作者经验而定;另一种方法是使用声音传感器把地面振动转为微电量变化,经放大、滤波等处理后,由仪表显示声强大小。此法灵敏度高,定位准确。文中介绍了漏水探测仪工作原理及电路组成结构。

　　1 漏水探测原理

　　从物理学的角度讲,任何物体的机械振动都可以产生波并通过弹性介质向四周传播,频率在16~20000Hz之间为人听觉范围。声音传播时也伴随着能量传播,声波的能流密度称为声强,其公式为[2]

　　式中:

　　v为声速,m/s;

　　ρ为固体密度,kg/m³;

　　A为振幅,m;ω为角频率,rad。

　　引入声强级为

　　式中

　　人耳感到的声音响度与声强级成正比。由于声强与振幅的平方成正比,因此,直接测试漏水声振幅包络可计算出漏水声强。自来水管道漏水声的频带一般处在100~1200Hz之间[3]。另外,埋藏于地下1~3m深处的漏水点发出的漏水声的横波或纵波向地面传播过程中,由于泥沙介质中的内摩擦等原因,声能有一部分转变为热能,能量衰减的很快.实验指出[2],当声波通过厚度为dx的一层时,所减小的强度-dI与入射声的强度I和通过的薄层厚度dx成正比,即

　　式中:

　　L为介质的吸收系数。

　　设在x=0处强度为I0,x处强度为I,则

　　因此声强是按指数规律衰减的。因而,在地面上垂直位置漏水信号最强,在垂直点四周随着距离增大逐渐衰弱,而对于较远的环境干扰源,通过地面或空气传到漏水点周围,在漏水垂直点四周可看成基本相等。为了提取管道漏水声的有效信号,增强抗干扰噪声能力,声音(振动)传感器要具有较好的方向性,即消除与减弱水平方向环境干扰噪声。由于漏水声很弱,传感器还应具有较高的开路灵敏度,选传感器探头纵向灵敏度1.8V/gn,横向灵敏度0.6V/gn,纵横向灵敏度差3倍;带宽100~2 000Hz,用锆钛酸铅压电陶瓷片可满足上述要求。

　　压电传感器(即该系统采用的声音传感器)是利用压电效应制作的.当沿着一定方向加力而使其变形时,在一定表面上产生电荷,当外力去掉后,又重新回到不带电状态。锆钛酸铅压电陶瓷系多晶体结构,是由PbTiO3与PbZrO3按47:53摩尔分数组成,居里点在300°C以上,性能稳定,具有很高的介电常数,纵向压电常数可达500x10^-12C/N,电阻率大于10¹⁰(8.m),具有良好的压电功能。

　　2 漏水探测系统的组成