声发射检测仪器系统

1、第4章声发射检测仪器系统4.1声发射仪器的功能和种类 声发射检测原理如图4.1，就是采用声发射仪器接收采集来自声发射源的声波信号即声发射信号，并对声发射信号进行分析显示达到检测出声发射源的目的。声发射源可以是裂纹开裂声信号/机械故障声信号/泄漏声信号等检测对象。 放大器 数据采集 记录与显示系统 处理系统 传感器 波的传播 * 源图4.1-1 声发射检测原理图4.1中传感器的作用是转变接收到的声发射的声信号成为声发射的电信号。目前市场上和文献报道的声发射传感器绝大多数都是压电敏感材料的传感器，型号及对应的灵敏度频率特性还有尺寸是否防水等种类繁多。与传感器连接的放大器通常也称作前置放大器，其作用是将传感器输出的微弱驱动能力的声发射电信号放大或驱动能力提高成为能被数据采集系统接收的声发射电信号。根据图4.1中数据采集处理系统的形式需要，前置放大器可以有内置于数据采集系统如无线信号采集模块/手持信号采集声发射系统等和外置于数据采集系统两种形式。图4.1中的记录与显示系统通常就是个人计算机，包括笔记本电脑和台式机。图4.1中的数据采集处理系统是变化发展较快，也是决定声发射仪器主要功能性能的部分

2、。声发射仪器也主要按声发射仪器中的数据采集处理系统的结构和内容来进行分类。按数据采集系统类型来分类声发射仪器主要有如下几种分类：1. 有线还是无线声发射仪（数据采集系统）；2. 单通道还是多通道声发射仪（数据采集系统，多通道通常8通道以上。）；3. 数字声发射仪器还是全波形声发射仪器，即声发射参数是数据采集系统硬件产生还是软件产生；4. 专用还是通用声发射仪器，即专用于某个应用还是各领域都能通用的声发射仪器。无线声发射仪器目前市场数量很小，其主要原因还是单位时间获得数据的数量/时差测量等技术指标不能达到大多数应用要求。大多数无线声发射仪器还在试验研发试用阶段，但由于其显而易见的不用拖拽长电缆无线优势以及无线数据采集技术的改进有可能不久的将来出现能满足大多数应用要求的无线声发射仪器而迅速成为主要的声发射仪器。单通道声发射仪器技术上基本从属于多通道声发射仪器，特点是便携，电池供电，经常成为用于阀门泄漏等专用应用的专用声发射仪器。数字声发射仪器还是全波形声发射仪器，即声发射参数是数据采集系统硬件产生还是软件产生。硬件产生与软件产生声发射参数有何不同？唯一的不同在于硬件产生声发射参数可以数千数

3、万倍于软件产生声发射参数不丢失时间段的数据，即如假设某时间段有海量N个按时间段均匀分布的声发射信号，如硬件产生声发射参数会漏检5个声发射信号则软件产生声发射信号会漏检5千或5万个声发射信号。之所以有如此大的差异是因为目前的普通计算机与数据采集外设系统的数据通过率不能满足声发射信号大数据量波形数据不丢失传输。例如，最大采样速度为10M，采样精度16位，通道数8，则波形数据量为10M 2 8=160MB/s，远远大于目前计算机与外设之间的理论数据通过率，USB2.0为60MB/s（480Mbps），PCI为132MB/s，因此会导致大量数据丢失。实际数据通过率更是远小于理论数据通过率，各声发射仪器厂商宣称的为USB2.0为40MB/s，PCI为30MB/s，对上例情况10M16位8通道波形数据通过率仅为25%（USB2.0）和12.5%（PCI）。但很多声发射应用要求不允许任一时间段的信号丢失，例如裂纹开裂瞬间信号丢失就是漏检等。这也是为什么目前主要声发射仪器厂商都要在数据采集单元对大数据量波形数据进行连续实时信号处理提取转换成为小数据量的声发射参数数据后再传送到计算机，保证任何时间段信号

4、不丢失或少丢失。图4.1-2显示波形数据产生参数的原理和数据量减少的效果。原理是将的数字波形信号转换成波形包络，再进而用幅度、持续时间、上升时间，到达时间等声发射参数来表述这个包络。一个声发射信号（如铅笔芯折断信号）往往可以有10万个点数值的离散声发射数字波形数据（假设信号长度即图中持续时间为10ms，采样速度10MPS），转换成声发射参数（图中的幅度、上升时间等）可以只有10个点数值（1个包络，假设用10个声发射参数来表述这个包络），数据压缩1万倍。目前市场上绝大多数声发射仪器都是数字声发射仪器。上升时间能量 幅度振铃计数门槛电压持续时间图4.1-2 波形-包络-参数数字声发射仪由于需要实时硬件产生声发射参数，只能专门研发具有实时硬件信号复杂处理的专用数据采集系统，不能使用通用数据采集系统。相对于通用数据采集系统，数字声发射仪的专用数据采集系统市场规模要小成百上千甚至多少万倍，而数字声发射仪的研发成本由于要增加研发实时硬件高速信号复杂处理内容要远高于通用数据采集系统，这些都导致数字声发射仪的专用数据采集系统的价格远高于通用数据采集系统。全波形声发射仪是采用通用数据采集装置先传送波形数

5、据到计算机，然后再由计算机软件产生声发射参数（幅度等）。这种方式参数（幅度等）的产生要求大数据量的波形数据先送到计算机，显然会受计算机通讯能力瓶颈的限制，大量时段的数据会丢失，不适用数据量大通道数多情况。由于全波形声发射仪可采用通用数据采集卡，价格低廉，是允许大量丢失数据，数据量小，通道数少的选择，也是部分高校等用户自搭建声发射系统的选择（采购通用数据采集系统价格低廉，自己编写满足需要的软件）。4.2多通道数字声发射仪综上所述，目前声发射仪器的主流种类是有线/多通道/数字/通用声发射仪，简称数字声发射仪，估计占市场份额的90%，95%甚至更高的比例。多通道数字声发射仪目前更是大型工程结构声发射检测如压力容器声发射检测的唯一选择，下面对多通道数字声发射仪进行进一步的介绍。图4.2为多通道数字声发射仪的功能结构框图。主要分为模拟信号调理、摸/数转换、数字信号处理、PC电脑通讯、电源5个模块。 01234567-1-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.60.81 信号输入 前放模拟波形 模数转换前 模数转换后 输出的数字模拟波形 数字波形 参数和波形 PC电脑信号调理模数转换数字

6、信号处理PC通讯-第2通道-第3通道-图4.2 多通道数字声发射仪功能结构框图模拟信号调理电路功能是通过信号放大、缩小、阻抗变换、滤波使前置放大器输入的模拟信号调理成为模数转换电路能输入的信号。例如前置放大器的输出是10v，阻抗50，而模数转换的输入要求是0-2v，1M。模拟信号调理电路对信号的测量精度和信噪比都有较大影响。模数转换电路的功能是将连续的模拟声发射波形信号转换成为离散的数字声发射波形信号。模数转换电路的采样速度、采样精度等参数决定声发射信号的测量失真度与精度。数字信号处理是声发射数据采集系统与通用数据采集系统差异最大的部分，其功能是在大数据量的数字声发射波形信号基础上计算处理提取出小数据量的幅度、计数、持续时间等声发射参数，通常数据量的减少可达到数千数万倍。例如一个5ms时间长度的数字波形信号，如采样速度为10MPS，采样精度为16位，则其数据量为1MB，而对应提取成声发射参数的数据两小于100，即压缩了1万倍。数字信号处理还可以提供数字滤波器、频谱分析、波形前后采样、门限触发等功能，极大地提高了声发射检测的能力。PC电脑通讯目前主要有两种，USB2.0和PCI协议通讯。

7、2007年前PCI接口曾独领风骚多年，几乎所有的多通道数字声发射仪都是PCI通讯插槽结构。自从2007年中国声华科技公司在美国的声发射会议上展出了世界第一台USB2.0通讯的多通道数字声发射系统，USB2.0多通道数字声发射仪因为有直接连接笔记本电脑的方便性，通讯速度等指标不逊色甚至超过台式计算机插槽PCI通讯，正在成为多通道数字声发射仪的主要通讯接口。4.3 多通道数字声发射仪的主要技术指标综上所述，多通道数字声发射仪器的实质就是计算机控制的数据采集系统，因此通用数据采集系统的主要技术指标也是多通道数字声发射仪的主要技术指标，即数据采集单元与计算机的通讯方式、数据通过率、最大采样速率、采样精度等。声发射仪器不同于通用数据采集系统在于硬件实时声发射参数提取。这是因为目前的普通计算机与数据采集外设系统的数据通过率不能满足声发射信号大数据量波形数据不丢失传输。例如，采样速度为10M，采样精度16位，通道数8，则波形数据量为10M 2 8=160MB/s，远远大于目前计算机与外设之间的理论数据通过率，USB2.0为60MB/s（480Mbps），PCI为132MB/s，因此会导致大量数据丢失

8、。实际数据通过率更是远小于理论数据通过率，各声发射仪器厂商宣称的为USB2.0为40MB/s，PCI为30MB/s，对上例情况10M16位8通道波形数据通过率仅为25%（USB2.0）和12.5%（PCI）。但很多声发射应用要求不允许任一时间段的信号丢失，例如裂纹开裂瞬间信号丢失就是漏检等。这也是为什么目前主要声发射仪器厂商都要在数据采集单元对大数据量波形数据进行连续实时信号处理提取转换成为小数据量的声发射参数数据后再传送到计算机，保证任何时间段信号不丢失或少丢失。因此声发射仪器特有（不同于通用数据采集系统）的重要技术指标为实时连续声发射参数通过率和声发射参数分析显示。综上，声发射仪主机的主要技术指标总结如下表：表1：多通道数字声发射仪器的主要技术指标技术指标名称技术指标定义或内容技术指标说明数据采集系统与计算机的通讯方式USB2.0或PCI通讯USB2.0通讯可直接连接笔记本电脑，可不受机箱插槽数量限制和机箱个数限制扩充成更多通道数系统。实时声发射参数通过率，HN/s系统每秒连续实时多少个hits的参数数据由数据采集系统送达到计算机通常为每秒几万至几十万组hits参数数据。通过率越高

9、越不会丢失数据，更适用于通道数多的大系统及大量参数数据的应用场合实时声发射波形数据通过率，MB/s系统每秒连续实时多少字节（MB）的波形数据由数据采集系统送达到计算机通常为每秒十至几十MB。通过率越高丢失的波形数据越少，更适用于需要大量波形数据的应用场合最大采样速率，MSPS注1单位时间AD转换数据点数通常为每秒1M至40M个AD转换数据点。最大采样速率越高所采数据失真误差越小，但单位时间的数据量越大导致按时间段计算丢失的波形数据越多，设备成本也会大幅度增加。应针对信号频率选择最大采样速率。注1采样精度，bit通常16bit、18bit，即波形数据幅度量程按216或218的分割间隔为最小分辨幅度10V量程幅度16bit精度的测量误差为0.15mV、18bit精度的为0.038mV。18bit精度的成本显著大于16bit精度的成本。应根据检测需要和成本来选择。实时数字滤波器是否能任意设置滤波器频率窗口，是否能有效提取指定频率窗口内的数据，有效滤去窗口外的数据噪声去除或有意义的信号提取是声发射检测是否有效的决定因素，因此有效的实时数字滤波器常常是成功应用的得力工具。可采用人工数据实验验证滤波器的性能效果。除上述主要技术指标外，还有声发射参数种类数量、定位分析、参数分析、小波分析等常用声发射技术性能指标，其内容各型号声发射

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