壓力容器聲發射檢測系統的實現路徑

常青

(青海省特種設備檢驗所, 西寧 810001)

0 引言

由于化工用壓力容器主要用于盛放化工用品，并且其內容物大多具有易燃、有毒的特點，一旦發生火災易引發爆炸及有毒物質的擴散，危害性較大，因此對壓力容器本身及存放的環境都具有較高的要求，定期檢測壓力容器是工作重點之一，為有效滿足在役壓力容器的檢測需求，考慮到聲發射源不同其所具有的信號特征也不同，因此可以這些特征為依據完成發射源缺陷類型的確定，使具備此種功能的聲發射檢測技術逐漸得到廣泛應用，從而有效的完成壓力容器檢測不規范。

1 聲發射檢測原理

聲發射檢測技術的優點在于：該動態檢測方法可通過在線連續測量獲取缺陷的動態特性；檢測精度較高，可對微米尺度的缺陷進行檢測；聲發射源能夠對壓力容器上的各類聲發射信號進行感測，將傳感器布置于壓力容器上即可掌握缺陷類型及分布情況，無需掃描容器表面。在無損檢測領域，聲發射檢測方法已成為重要檢測手段之一。聲發射是指材料中應變能快速釋放所導致的應力波現象，聲發射源信息就包含于應力波信號中，聲發射檢測技術對壓力容器材料性能或結構完整性的評定通過材料聲發射信號的接收和分析完成，再由聲傳感器對應力波進行檢測并完成到電信號的轉換及放大，接下來將其傳輸至信號處理器，通過多個傳感器對測量的各種特征參數進行同時監測，獲取各傳感器到聲發射源到達的距離，據此完成聲發射源位置的確定。但目前聲發射檢測技術仍然受到一些技術瓶頸的限制，由于聲發射現象存在凱澤效應，即第二次加載載荷需超過第一次才會產生聲發射，為完整檢測出缺陷需掌握被測對象的受力歷史。考慮到較為微弱的聲發射信號通常含有環境噪聲，可通過合理放大濾波以獲取滿意結果。本文通過對聲發射檢測系統進行設計，完成在線實時動態檢測過程，以提高信噪比及靈敏度，從而能夠全面長期的檢測壓力容器[1]。

2 壓力容器聲發射檢測系統設計

2.1 總體設計

根據聲發射檢測壓力容器時的實時檢測需要，本文在設計系統時信號的獲取通過聲發射傳感模塊實現，系統結構框圖如圖1所示。

圖1 系統結構框圖

由于無法直接使用傳感模塊輸出的信號(較為微弱且含有噪聲)，需將輸出的微弱信號通過信號放大器完成放大后由帶通濾波器完成濾波操作，實現信號中高低頻噪聲的濾除，使獲取的傳感信號(屬于模擬信號)更加純凈，接下來通過A/ D轉化器的使用模擬信號到數字信號的轉換過程，并傳輸至微處理器模塊中。此時經硬件濾波后獲取到的數據仍含有噪聲，需對信號通過單片機完成進一步的數字濾波后再發送至上位機，微處理器模塊通過無線通信模塊同計算機互連，從而實現遠程實時檢測功能；此外微處理器模塊還可通過串口同計算機互連以便現場調試。計算機同時連接多路下位機檢測模塊，以確保對聲發射源的準確定位，對輸入信號由計算機完成特征提取及模式識別，完成缺陷類型及部位的確定[2]。

2.2 傳感器模塊

聲發射信號的接收以及由微弱振動信號到電信號的轉換過程均由聲發射傳感器完成，聲發射傳感器不同其所具有的頻率響應也不同，需根據實際項目需要選取合適的傳感器，以滿足頻率響應需求。實際測量經驗表明材料或構件的具體特性會對聲發射信號的頻率分布產生直接影響，為有效應對高頻傳播的衰減及低頻機械噪聲的干擾問題，針對壓力容器聲發射檢測的傳感器使用頻率范圍一般在100kHz～300kHz間，本文選用PXR15諧振式聲發射傳感器，諧振頻率為150 kHz，具有高靈敏度適合壓力容器檢測，能夠有效的滿足項目需要。

2.3 無線通信模塊

由于檢測系統以無線連接方式為主，該模塊的主要功能在于連接微處理器模塊、單片機和計算機，實現遠程實時檢測過程，無線通信模塊選用了基于Smart RF 03技術的CC2420(以0.18 μm CMOS工藝制成)，性能穩定且功耗較低，芯片選用的無線收發器是可兼容2. 4GHz I EEE802. 15. 4，支持高達250 kbps的數據傳輸率，適用于Zigbee產品，無需過多的外部元器件即可正常工作，數據的無線收發通過連接單片機實現，確保短距離通信的穩定和有效。接收信號時，由高信噪比放大器(位于CC2420內部)對天線接收的射頻信號進行放大和變頻處理后獲取的中頻信號為2 MHz，需進一步進行放大、模數轉換、數字解調和接擴以獲取準確的傳輸數據，再將這些數據傳輸至單片機(通過SPI接口)。發送信號時，由單片機將數據傳送至發送緩存器(通過SPI接口)，并完成頭幀和起始幀的自動生成，對所需發送數據流進行擴頻(單位為4個比特)，再通過數模轉換完成到模擬量的變換過程，然后經低通濾波和混頻調制信號到2.4 GHz并放大后發射出去[3]。

2.4 微處理器設計

本文選用了MSP430F169單片機(TI公司研發)，以降低系統功耗，該單片機具備超低功耗的優勢及高速和通用的特性，可有效滿足低功率使用場合，12位精度的模數轉換通過使用ADC12模數轉換模塊(該單片機自帶，包含4種模數轉換模式)即可實現，顯著節省了軟件開發的工作量，ADC12模塊在無需使用時可關閉。采用有線通信模式則通過MAX232完成到RS232通信所需的電平的轉化過程[4]。

3 系統的實現

3.1 單片機軟件設計

該部分的主要功能在于數據采集、濾波及同上位機通信，無線通信及串口通信的切換通過外部開關進行選擇。經初步放大濾波處理后所獲取的信號仍存在噪聲，易對壓力容器缺陷類型的識別造成誤判，因此需采用數字濾波器(包括IIR和FIR兩種類型)進一步進行軟件濾波，本文選用了IIR型Butterworth濾波器，由于IIR型的通帶與阻帶特性較好，Butterworth在通帶內的幅頻特性最為平坦且易于實現，通帶截止頻率及品質因數以實際項目需要為依據完成確定，濾波器濾波系數的確定計算則根據這些參數通過使用數字濾波器設計工具(位于matlab工具箱中的FDATool)完成，濾波器選用二階時即可滿足壓力容器的檢測要求。

系統下位機軟件流程如圖2所示。

聲發射振動信號由PXR15檢測到后會對其進行轉化、初步濾波放大，再以電信號的形式輸出，單片機接收到這些模擬信號后，先完成到數字信號的轉換(通過自帶的ADC)，并根據預先設定使用二階IIR型濾波器完成濾波，然后完成數據打包通過有線串口或無線方式并發送至上位機[5]。

3.2 上位機軟件設計

(1) 壓力容器聲發射源定位原理

聲發射源作為1個點源，距離聲發射源的距離越近越先收到聲發射信號，聲發射源的位置坐標以聲發射信號的時間差為依據完成確定，為確定唯一的聲發射源坐標需在不相關

圖2 系統下位機軟件流程

的位置布置至少4個傳感器(對于數目較多的傳感器則需使用最小二乘法確定位置)，假設，聲發射源的位置由(x，y，z)表示，第i個傳感器的位置由(xi，yi，zi)表示，t表示發生時刻，信號傳播速度由v表示，第i個傳感器接收信號時刻由ti表示，關系方程如下[6]。

(2) 缺陷識別

出現缺陷的壓力容器發出的聲發射信號會發生改變，將其同正常狀態進行對比，根據差異情況完成壓力容器設備運行狀態的確定，本文通過采用特征提取及模式識別方法處理聲發射信號，從而完成缺陷判別及缺陷類型識別，特征提取所取出的特征量需盡可能相互獨立，同時能夠對信號特征進行充分反映；模式識別以提取出的特征向量為依據完成缺陷存在情況及類型的判別，其重點在于設計模式分類器以確定模式分類面，為彌補傳統經驗法的不足，以有效應對非典型特征向量，本文分類器采用訓練的方法獲取，訓練樣本選取通過實測的缺陷及對應特征向量，通過有導師的訓練分類器以提高識別率，對分類器需根據標準樣本進行定期訓練，使缺陷識別性能的衰退得以有效避免，提高了判斷過程的靈活性、適應性及準確性[7]。

本系統的特征向量以振鈴計數率(單位時間內能量率信號高于預設閾值的次數)、事件計數率(單位時間內完成包絡檢波后的信號高于上述閩值的次數)及能量率(單位時間內獲取的能量)作為構成參數，涵蓋了聲發射信號的有用信息，且三維特征向量能夠有效提高實時運算與處理的質量和效率。對壓力容器采用聲發射檢測方法可識別多種類型缺陷，壓力容器焊縫上的尖端塑性形變鈍化和擴展時、焊縫內缺陷的開裂和擴展(包括氣孔、夾渣、未熔合等)、進行加壓試驗的壓力容器的泄漏部位、壓力容器部件碰撞、焊接殘余應力釋放時等會產生不同特征的聲發射信號，以這些特征向量為依據完成識別。本文設計的聲發射檢測系統采用支持向量法進行分類，將線性不可分的樣本通過非線性映射算法的使用完成從低維輸入空間到高維特征空間的轉換，并在此基礎上完成最優分割超平面的建構，實現分類器的全局最優化，核函數采用K(x，y)=e-(x-y)2/σ2(徑向基內積函數)，分類器經樣本訓練后獲取，用于后續模式分類(針對未知特征向量)，從而實現缺陷類型信息的獲取及缺陷識別[7]。

4 總結

本文對壓力容器聲發射檢測系統的設計與實現進行了系統探討，聲發射檢測技術是一種無損檢測方法，具備良好的檢測效果，在壓力容器檢測中應用較為普遍，本文主要對壓力容器聲發射檢測系統的實現路徑進行了研究，在分析了聲發射檢測原理的基礎上，完成了聲發時檢則系統的軟硬件設計，詳細介紹了系統中采用的濾波方法，通過使用特征提取及模式識別方法對壓力容器聲發射進行檢測。現場調試結果表明，對于壓力容器的典型缺陷，該檢測系統能有效的完成識別過程，使在線檢則壓力容器的需求得以有效滿足。