基于無線聲發射技術的數據采集器研究

黎天標，楊俊強，李茂東，董屹彪，劉時風，張振頂，惠志全

（1.廣州特種承壓設備檢測研究院，廣東 廣州 510000；2.北京聲華興業科技有限公司，北京 100000）

1 概述

聲發射是指材料由于內部晶間發生位錯運動，當位錯在運動中遇到雜質原子、晶界等障礙物時被迫停止運動而堆積。而聲發射檢測技術是指利用聲發射源釋放出的彈性波在結構中傳播時攜帶有大量結構或材料缺陷處的信息，用儀器檢測、記錄、分析聲發射信號和利用聲發射信號推斷設備存在的缺陷。傳統的聲發射檢測技術需要大量的信號電纜輔助傳輸數據，在一些大型的旋轉、運動設備，如游樂設施摩天輪、過山車等場合不適用用這種有線聲發射在線檢測的場合。而無線聲發射檢測儀采用無線采集器采集數據，不需要大量的傳輸信號電纜，能應用于高陡露天邊坡、高架橋、大型水電庫壩等布線較為困難的聲發射實時檢測等領域有明顯的便利性，已經成為熱點的研究方向。

2 無線聲發射系統組成

基于無線聲發射技術的新型無線聲發射檢測儀通過采用WiFi無線通訊方案和GPS授時無線多通道同時鐘方案實現。該新型無線聲發射檢測儀是由多個獨立的單通道無線聲發射采集器、傳感器、供電電池盒、時鐘同步模塊、小型化WiFi天線、多節點接入交換機、單節點遠程交換機、移動電源、多節點和單節點遠程交換機供電電源轉換器、支架、網絡線纜、計算機及軟件等組成多通道實時無線聲發射采集系統。

新型無線聲發射數據采集器主機詳見圖1。

圖1 新型無線聲發射數據采集器主機

2.1 無線聲發射采集器工作原理

圖2為無線聲發射采集器的原理框圖：（1）一旦產生聲發射信號，則被傳感器接收；（2）傳感器接收到的聲發射信號通過傳感器信號線傳輸給無線聲發射采集器；（3）經過無線聲發射采集器內置的前置放大器進行信號放大；（4）經過無線聲發射采集器內設置的模擬濾波器進行濾波；（5）經過放大后的信號再進行信號調理，使其成為A/D轉換能夠接受的模擬信號；（6）A/D轉換根據同步模塊的授時時間和FPGA傳輸的采集條件進行同步采樣，并將采樣后的數據傳輸給FPGA芯片；（7）FPGA芯片根據PC機軟件的設置，可對采樣后的聲發射信號進行數字濾波、門限比較、繪制波形、生成參數等實時信號處理；（8）FPGA將處理好的信號發送給ARM處理器，ARM處理器將數據轉換為以太網能夠識別的格式發送給以太網電路；（9）以太網再將數據轉換為無線模塊能夠接收的信號，進行無線收發；（10）最終無線傳輸給PC機，PC機進行實時定位和顯示操作。

圖2 無線聲發射采集器原理框圖

2.2 采集器聲發射信號輸入與輸出

當來自傳感器的聲發射信號通過信號線輸入給無線聲發射采集器時，采集器判斷輸入信號的大小，過門限則被無線聲發射采集器采集，此時，采集器AE指示燈亮。

被采集的聲發射信號輸出是通過WiFi天線與多節點接入交換機之間的無線通訊進行的，無有效信號上傳時，RUN燈1次/S頻率閃爍；有數據上傳時，RUN燈快速閃爍，AE指示燈閃爍。

2.3 采集器無線通訊

聲發射數據為每通道每秒數百撞擊組以上才能滿足大多數的實際應用，相當于數Mb以上的數據通過率。無線聲發射無線通訊距離至少要達到數百米以上才有實際意義，如橋梁、大型壓力容器檢測等。根據數Mb以上數據通過率和數百米以上無線通訊距離的技術指標要求，綜合比較現在市場上應用較廣的幾種無線通訊技術的優缺點，該新型無線聲發射采集器選擇WiFi技術作為無線聲發射的無線通訊方案。

新型無線聲發射采集器配備小型化WiFi無線天線，通過采集器主機上的WiFi接口可將小型化WiFi無線天線與采集器主機相連，當連接可靠時，采集器主機上的WiFi指示1次/S閃爍，WiFi連接中斷，采集器主機上的WiFi指示燈滅。

2.4 時鐘同步授時

聲發射時差定位是聲發射技術的一項基本功能。傳統的電纜連接聲發射儀很容易通過電纜連接所有通道使用同一個高精度時鐘，獲得每個通道信號之間的時間差，實現時差定位的功能。該新型采集器的無線聲發射通過時鐘同步電纜連接獨立的時鐘同步模塊，使得所有通道使用同一個時鐘，時鐘同步模塊采用GPS授時技術，所有通道使用同一個高精度的GPS時鐘，獲得通道間信號的時差，實現時差定位的功能。

新型采集器的無線聲發射檢測儀時鐘同步器采用小型化GPS天線獲取高精度時鐘，小型化GPS天線通過時鐘同步器上的GPS接口與采集器主機相連，且其可吸附在鐵磁性材料表面，方便固定。當GPS天線接收到衛星信號時，時鐘同步器上的GPS指示燈閃亮，此時，證明GPS天線成功獲取衛星信號，保證準確給同步器授時。

3 無線聲發射數據采集器實驗研究

本文以某石化煉油廠4m3H-10高壓氫氮氣瓶作為實驗對象，采用無線聲發射數據采集儀對氫氮氣瓶的缺陷進行實驗分析。

傳感器布置陣列如圖3。

圖3 4m3臥罐傳感器整體布置立體

加載程序如圖4。

各個階段的聲發射數據圖如下圖5～8。

圖4 加載程序圖

圖5 第一次升壓過程聲發射源定位圖

圖6 第一次保壓過程聲發射源定位圖

圖7 第二次升壓過程聲發射源定位圖

圖8 第二次保壓過程聲發射源定位圖

根據GB/T 18182-2000中聲發射源等級的評定方法，發現1個可疑的定位點AS1，綜合評定為D級，進行反定位校準，確定聲發射源的位置。由于為多層包匝容器，對該位置做磁粉和超聲均未發現缺陷，扒開第一層，在第二層上發現一條長20mm、深度5mm的裂紋。經對采集數據進行分析，發現該部位在10．8MPa的壓力下第一次出現聲發射定位源信號，下表1為在整個水壓試驗過程中出現聲發射定位源信號的統計結果。

表1 H-10號高壓儲氫罐的聲發射定位源統計結果

4 結語

本文基于聲發射技術的有關原理，研究了聲發射檢測儀無線數據采集器，并將其應用于某石化煉油廠4m3H-10高壓氫氮氣瓶的無線檢測中。結果表明，應用了無線數據采集器的聲發射檢測系統同樣能夠精準檢測出設備的缺陷所在，同時減少了運輸大量的信號電纜到現場和布置信號電纜所需要花費大量的時間和人力，提高檢測效率，也減低了檢測人員在復雜的檢測工作現場工作的危險性，能夠推動聲發射檢測技術應用到高陡露天邊坡、高架橋、大型水電庫壩等布線較為困難的領域，提高我國聲發射檢測儀的設計和研制能力。