声发射检测仪器系统.doc

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。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。

0
1
2
3
4
5
6
7
-1
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1

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50Ω，而模数转换的输入要求是0-2v，1MΩ。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。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。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仪大体相似，未在此具体罗列。
注1：最大采样速率与幅度峰值误差的关系
ΔA=1-cos(2πt/T )→ΔA=1-cos(πf/s) ………………………………（1）
ΔA为测量幅度误差；T=1/f（T被测信号的周期，f为被测信号频率）；t=T/2n（t为波形峰值偏离实际信号峰值的最大偏离时间），n=s/f（s为最大采样率），那么t=1/2s

以声发射检测的上限频率400KHz为例，按上述（1）计算得到不同采样速度对应的信号幅度测量误差.上图第一个周期为10倍频率采样，4M采样率下重构波形（蓝色），右侧周期为2M采样率下的重构波形（红色），可以很明显看出理论最大误差的区别。具体的计算如下表所示，当采样率5M时，理论最大误差为0.3dB，10M采样率时为0.07dB，如下表。以400KHz，10V正弦信号为例:

表2：不同采样速度对应的信号幅度测量误差为下表
幅度误差（dB）A(dB)=20lgΔA
幅度误差（电压值）
（10为标准幅度值） ΔA=cos(π×f/s)
信号频率
采样速度
A(dB)
ΔA
f(kHz)
S(MSPS)
-10.2004
6.90983
400
1
-1.84085
1.90983
400
2
-1.14688
1.23693
400
2.5
-0.7854
0.86455
400
3
-0.27726
0.31417
400
5
-0.06876
0.07885
400
10
-0.01716
0.01973
400
20
-0.00762
0.00877
400
30
-0.00429
0.00493
400
40
注：使用者可根据自己的需求选择不同的采样率配置。

如按一般的信号采集电压精度不大于5%的要求（电压值）作为标准来看，从上表可得出采样率大于等于5MSPS即可满足。10MSPS的误差是0.06876dB已小于0.1dB,40MSPS的误差是0.00429dB，对于大多数测量0.1dB误差和0.004dB的误差已经没有实际意义。考虑到采样率高会导致数据大量增加，丢失数据的可能性增加以及更高的采购价格等，对于400KHz信号频率的科研应用选用10MSPS采样率就能充分满足。

注2：实时数字滤波器
有效提取有意义信号在很多应用场合是成功应用的关键。特别是有意义信号淹没或混杂在各种频率幅度的噪声信号中。配合实时FFT功能的实时数字滤波器是有效提取有意义信号的有效工具之一。测试实时数字滤波器的方法可人工产生多种频率的信号，测试对某窄频带信号能否有效提取和抑制。滤波器应可对波形和实时声发射参数同时或单一数据有效，这样既可直观看到滤波器的波形和参数滤波效果，又可在实际数据采集时不采集大数量波形仅对声发射参数有效。

4.4信号电缆
从前置放大器到多通道数字声发射检测仪主机即数字采集系统，往往需要很长的信号传输线和前置放大器的供电电缆，通常采用同轴电缆完成信号传输和前放供电这两个任务。同轴电缆是由一根空心的外圆柱导体和一根位于中心轴线的内导线组成，内导线和圆柱导体及外界之间用绝缘材料隔开。同轴电缆主要用于视频通讯领域，主要有50欧和75欧两种。声发射仪器多使用阻抗50欧的同轴电缆。

4.5前置放大器
传感器输出的信号的电压有时低至微伏数量级，这样微弱的信号，若经过长距离的传输，信噪比必然要降低。靠近传感器设置前置放大器，将信号提到一定程度，常用有34、40到60分贝，再经过高频同轴电缆传输给信号的处理单元。前放的输入是传感器输出的模拟信号，输出是放大后的模拟信号，前放是模拟电路。
传感器的输出阻抗比较高，前置放大器需要具有阻抗匹配和变换的功能。有时传感器的输出信号过大，要求前置放大器具有抗电冲击的保护能力和阻塞现象的恢复能力。并且具有比较大的输出动态范围。
前置放大器的一个主要技术指标是噪声电平，一般应小于10微伏。有些特殊用途的前置放大器，噪声电平应小于2微伏。
对于单端传感器要配用单端输入前置放大器，对于差动传感器要配用差动输入前置放大器，后者比前者具有一定的抗共模干扰能力。
前置放大器一般采用宽频带放大电路。频带宽度可以在50千赫到2兆赫范围内，在通频带内增益的变动量不超过3分贝。使用这种前置放大器时，往往插入高通或者带通滤波器抑制噪声。这种电路结构的前置放大器适应性强，应用较普遍。
综上所述，在声发射系统中，前置放大器占有重要的地位，整个系统的噪声由前置放大器的性能所左右。前置放大器在整个系统中的作用就是要提高信噪比，要有高增益和低噪声的性能。除此以外，还要有具有调节方便，一致性好，体积小等优点。此外，由于声发射检测通常在强的机械噪声（频带通常低于50KHz）、液体噪声(通常100KHz～1MHz)和电气噪声的环境中进行，因此前放还应具有一定的强抗干扰能力和排除噪声的能力。
前放的主要性能指标为：
放大倍数：34、40或者60dB
通频带：50KHz～300KHz、20KHz～1000KHz等
输入噪声电压：<5uv
前置放大器主要由输入级放大电路、中间级放大电路、滤波电路、输出级电路组成。输入级前置放大是控制噪声的关键部分，最好选用超低噪声的宽带集成放大器；中间级放大电路主要作用提高放大电路，采用宽带、高增益、低噪声运算放大器，主要问题是如何防止和消除自激；滤波电路是有效地监测出我们所关心的声发射信号；输出级放大电路要选择低输出阻抗的运放，以便提高带负载能力。
前置放大器也可与传感器组成一体化的带前置放大器的传感器，即将前置放大器置入传感器外壳内，通常需要设计体积小的前置放大器电路。
4.2.3 滤波器
在声发射检测仪器中，为了获得高质量的数据，避免噪声的影响，在整个系统的适当位置插入滤波器。可以有滤波器的位置有前置放大器，模数转换前的调理电路，模数转换后的数字信号处理电路和PC计算机的软件滤波器。滤波器的工作频率是根据环境噪声（多数低于50千赫）及材料本身声发射信号的频率特性来确定，通常在60到500千赫范围内选择。若采用带通滤波器在确定工作频率f后，需要确定频率窗口的宽度，即相对宽度Δf/f。若Δf/f太宽易于引入外界噪声，失去了滤波作用；若Δf/f太窄，检测到的声发射信号太少，降低了检测灵敏度。因此，一般采用Δf=+0.1f到+0.2f。此外，在确定滤波器的工作频率时，应注意滤波器的通频带要与传感器的谐振频率相匹配。滤波器可采用有源滤波器，也可采用无源滤波器，一般都要求衰减大于每倍频程24分贝。
门限电压可以分为固定门限电压和浮动门限电压两种。对于固定门限电压，可在一定信号水平范围内连续调整或者断续调整，可采用D/A数摸转换器件产生需要的门槛电压。早期的门槛比较器电路采用施密特触发电路，由于电子器件集成化的发展，目前多采用电压比较器电路。
图4.5 浮动门限阈值电平随噪声电平的变化

声发射检测中人们约定传感器输出的电信号1uv即1微伏为0dB。其它经过增益放大得到的信号幅度和设在不同部位的门槛电压都可依此推算。例如40dB前放后即放大100倍后得到10伏幅度的信号可推算出是100dB信号，而该前放后设置门槛电压1伏则是80dB门槛电压。应该注意上述规定和推算没有考虑信号频率的影响，实际标定测试中会有一定误差，通常高频信号实际放大要小于标称放大。
由增益或门限确定的灵敏度时要注意避免出现仅使用部分系统动态范围和超出动态范围两者情况，前者使信号分辨率降低，后者使部分大幅度信号处于饱和状态。

(3) 多通道声发射检测仪器软件技术的发展与现状
多通道声发射系统的软件按数据类型来说可分为两大类：基于参数数据的分析软件和基于波形数据的分析软件。按分析内容划分可分为特征分析、定位分析和模式识别。

参数分析软件的输入数据是参数，其特征分析主要是各种参数关联图分析如幅度分布、撞击数在时间的分布等。定位分析有多种不同的定位方法，如线性定位平面定位、三维定位、三角形定位、矩形定位区域定位等。模式识别有两大类：有教师训练和无教师训练。
波形分析软件的输入数据是波形数据，其特征分析主要是各种波形数据的时域和频域分析如小波分析频谱分析等。由于波形数据可以产生参数数据并可任意设置产生参数的条件如门槛电压撞击定义时间等甚至设计新的参数，因此波形分析软件可以包括所有参数分析的功能并具有更大的灵活性。
4.4.3 专用的工业系统
很多情况需要专用声发射系统，如应用于地质等结构测试的低频信号声发射监测系统，应用于桥梁等设备监测的遥测声发射检测系统等。这些专用系统和通用系统的主要差异在传感器的差异、前端数字化的要求及遥测要求等特殊需要。
42