基于虛擬儀器的多通道聲發射檢測系統設計與開發

徐 源，邢蘭昌

(中國石油大學(華東)控制科學與工程學院，山東 青島 266580)

0 引言

聲發射(AE)是指材料局部受到外力作用發生斷裂或變形到達塑形變形階段并發出瞬態彈性波的現象[1]。聲發射技術是一種實時、動態檢測方法，能夠有效地監測和識別材料缺陷[2]，基本原理是傳感器接收到聲發射源發出的信號，經過放大后由數據采集系統采集，通過對采集數據進行分析處理[3]，最后定性和定量地獲得材料內部缺陷的位置、大小和擴展趨勢[4]等信息。AE技術在壓力容器檢驗、鐵路焊接結構疲勞損傷監測、巖石結構的監測和應力測量、機械制造過程中機械設備的監測以及大型游樂設施的狀態監測和故障診斷、植物水蒸發的聲發射監測研究等領域中得到不同程度的應用[5]。與傳統的無損檢測方法相比較，AE無損檢測在檢測對象、檢測過程和數據處理過程方面具有以下優點：

1)適用頻帶寬、對象廣泛，能適應高溫、高輻射等惡劣復雜環境，被測介質可以主動的參與到檢測過程中，對材料的結構尺寸不敏感；

2)動態特性好，能夠完整地捕捉到聲發射源任意時刻發出的聲波，缺陷處釋放彈性波能量，不需要儀器外加能量[6]；

3)信號來源于測量對象本身，避免了外加激勵引起的測量誤差，可獲取缺陷的動態變化及其擴展趨勢信息。

AE檢測系統的研發開始于20世紀50年代末[7-8]，多通道AE檢測系統的發展主要體現于主機性能的提升、每通道A/D轉換速率的增加、軟件功能逐漸完善等。美國PAC公司的LOCAN系列聲發射儀是基于PC機進行并行數據處理的典型代表，其中LOCAN 320可以將聲發射特征提取與數字化波形相結合[9]；德國Vallen-systeme公司的VALLEN AMSY系列聲發射系統具有超高速、穩定性強和使用靈活的優點，包括多種數據分析軟件和定位算法。國內聲華科技的全波形AE檢測系統可以實現多通道同步采樣，配有用于信號處理的芯片陣列、小波分析和譜分析等軟件[10-11]；中南大學研發了巖體聲發射智能監測系統[12]，具有噪音小、頻帶寬和靈敏度高等優點，能夠完成聲發射波形的瞬間識別；中國地震局研發的32通道高速聲發射數據采集系統精度高、采樣速率高且能夠實現全波形記錄[13]；北京軟島時代科技有限公司推出的DS2-8B系列全信息聲發射信號分析儀能夠實現8通道數據同步采集，且波形采集、參數提取完整、聲發射源定位結果精確[14]。國內外商用聲發射系統雖然性能優越，但是存在如下問題：系統的成本普遍較高，體積較大，可擴展性弱且不能進行二次開發。以上問題大大限制了聲發射系統的應用領域。

本文采用通用的硬件模塊和圖形化的編程語言，基于虛擬儀器技術設計開發了一套多通道聲發射檢測系統。該系統采用高速數據采集卡(PCIE-1840)對4路聲發射信號進行同步采集，采用LabVIEW為平臺開發配套軟件。利用所開發的系統開展了一維直線和二維平面斷鉛實驗，通過對實驗數據進行分析處理實現了對斷鉛位置的定位，針對實驗結果進行了誤差分析，依據行業標準對系統的性能實施了定性與定量評價。系統中傳感器、數據采集卡等硬件模塊可以根據檢測對象和精度要求靈活選擇，軟件功能可以依據實驗條件靈活設計，系統的擴展性強、成本低，而且可進行二次開發，顯示了系統的優越性。

1 總體功能分析與系統設計

1.1 總體功能分析

擬開發聲發射檢測系統的功能主要為獲取聲發射源發出的信號，對信號進行分析處理，通過計算實現對聲發射源的定位。為了保證信息的完整性，對每一通道進行全波形數據采集與保存，并通過數據處理算法獲取所需的特征參數，此過程需要考慮采樣參數設置與數據處理方法選擇問題。分析信號的頻譜特性可以得到聲發射信號的主頻，根據信號主頻確定合適的濾波器參數，需要對信號進行濾波以降低環境噪聲的影響。采用時差法對聲發射源進行定位，需要考慮信號的首波時刻提取和傳感器陣列排布的問題。考慮到環境噪聲對檢測過程的影響，需要考慮傳感器的抗噪能力以及傳感器陣列的安裝位置，如避免安裝在振動強烈的位置。

針對聲發射信號的突發性與不確定性，需要系統能夠長期有效地工作，保證檢測過程的連續性與實時性[15-16]。考慮到測試對象、參數指標的多變性，要求系統具有較高的擴展性，便于進行二次開發與維護等。

1.2 系統設計

擬開發的系統需達到如下指標：(1)對4路聲發射信號同步采集，單路采集頻率可調且不低于100 MHz，采樣長度可調；(2)信號放大器增益可調且能夠可達到60 dB；(3)可自由設定數據保存的路徑、開始與結束保存的時間；(4)對聲發射源的定位精度應滿足行業標準對聲發射檢測系統的規定，即定位誤差不超過傳感器陣列中最大傳感器間距的5%。

硬件部分包括聲發射傳感器單元、放大器單元、數據采集單元和控制計算機單元。系統硬件部分組成如圖1所示.聲發射傳感器單元用來檢測聲發射信號并轉換成電信號輸出到下一級。前置放大器單元用來放大傳感器獲取的原始微弱聲發射信號，提高信噪比。數據采集單元實現對放大后4路聲發射信號的同步采集。通過所開發的虛擬儀器軟件實現數據采集單元與控制計算機之間的相互通信。

圖1 聲發射檢測系統組成

軟件部分實現的功能主要包括：(1)控制數據采集單元的啟動停止等工作狀態；(2)配置數據采集卡的相應參數以適應頻帶不同的聲發射信號，實現對4路信號的同步采集；(3)對采集的聲發射信號進行處理和顯示，并對處理前后的聲發射信號進行保存。

2 檢測系統的實現

2.1 硬件部分

考慮到聲發射源的頻帶較寬、工作環境多變的特點，本系統選用PXR15高靈敏度諧振式聲發射傳感器，諧振頻率150 kHz，其10 dB帶寬為100～400 kHz，靈敏度可達67 dB工作溫度范圍-20～+70攝氏度。傳感器外殼為不銹板材料，匹配層為陶瓷材料，使用環氧樹脂進行密封。

考慮到采集的AE源信號十分微弱，選用PXPA6型雙端輸入、增益可調的聲發射信號放大器，增益可在20 dB、40 dB、60 dB之中進行選擇；工作帶寬為4 kHz～3.4 MHz，且PXPA6噪聲抑制能力強；輸出阻抗低(50 Ω)、驅動能力強；工作溫度-30～+70攝氏度。

考慮到對AE信號波形的采樣頻率要盡量高并且降低硬件成本，系統選用通用高速數據采集卡PCIE-1840。該采集卡能夠實現4通道同步數據采集，具有16位A/D轉換分辨率，采樣頻率最高為125 MS/s，可提供高達2 GB的FIFO內存以保持不間斷的數據流功能，提供可選擇的輸入范圍(±10 V，±5 V，±2 V，±1 V，±0.2 V，±0.1 V)，支持啟動觸發、延遲啟動觸發、停止觸發、延遲停止觸發多種觸發采樣模式。

2.2 軟件部分

系統的軟件部分包括總體狀態控制模塊、采集卡參數配置模塊、數據處理、顯示和數據保存模塊。實現對數據采集過程的控制和數據處理、顯示及保存功能，使整個系統具有較高的自動化程度。能夠根據檢測條件、檢測對象和信號的特點對軟件部分進行二次開發，包括功能設計和參數選擇，使得系統具有較強的可拓展性。以LabVIEW為開發平臺，采用模塊化和數據流思想[17]所開發軟件的人機交互界面如圖2所示。

圖2 軟件界面

總體狀態控制模塊實現軟件初始化、測試系統的啟動、停止與退出。設定了軟件界面上的所有默認參數(可修改)，點擊初始化按鈕后參數自動恢復到默認值。點擊開始后數據采集卡按照預設狀態開始工作，并實現信號預處理與顯示。點擊停止后系統停止運行，點擊退出后測試軟件退出。

參數配置模塊對數據采集卡的運行參數進行配置。需要設定采集卡的觸發采樣模式、輸入電平范圍、采樣通道信息，如啟動觸發，輸入電平范圍-5～+5 V，采樣通道0和通道4。在界面上輸入采集頻率與采樣長度，選擇采樣長度時需確保獲取到完整的聲發射信號，可通過觀察信號波形圖進行調整。

數據預處理、顯示和數據保存模塊功能包括：對原始聲發射信號進行帶通濾波和頻譜分析；實時顯示濾波前后的信號波形圖和頻譜圖；設置數據保存路徑，以文本格式將采集數據保存至硬盤。

2.3 系統集成

首先將PCIE-1840數據采集卡插入工控機箱上的PCI板卡卡槽，然后將聲發射傳感器與放大器相連接，用BNC線將放大器輸出端口連接至數據采集卡的各采樣通道。所開發的多通道AE檢測系統如圖3所示。

圖3 多通道聲發射檢測系統

3 系統測試實驗

3.1 傳感器延遲時間標定

測定傳感器延遲時間所需設備包括：所開發的AE檢測系統、DPR300脈沖發生接收器(如圖3所示)、無損檢測用標準試塊、耦合劑(黃油)。DPR300用于產生高壓脈沖信號，輸出端口與發射傳感器相連接；無損檢測用標準試塊材質為20號鋼，共分為7階厚度：1 mm、1.5 mm、2 mm、4 mm、6 mm、8 mm、10 mm，用作聲波傳播介質；耦合劑用于排除接觸面之間的空氣。標定實驗步驟如下：

對4個AE傳感器進行編號：#1、#2、#3、#4；將#1傳感器與DPR300脈沖發生接收器的發射端口相連接，并配置DPR300的工作模式為脈沖發射模式，設置激勵電壓100 V，將#2傳感器與數據采集卡上的0號通道相連接；將DPR300的觸發輸出端口與采集卡觸發輸入對應的端子相連；在軟件中將采集卡配置成外部觸發采樣，設置采樣頻率為100 MHz，采樣點數為0.8 k；將#1和#2傳感器分別固定在試塊第一階的兩側，啟動系統開始采集并保存；依次將#1和#2傳感器固定于試塊的另外6階兩側，數據保存完成后關閉程序；將#1和#2傳感器交換，#2做發射傳感器、#1做接收傳感器，重復上述操作；將傳感器更換成#3和#4，重復上述實驗操作。

3.2 聲發射斷鉛實驗

3.2.1 聲速測量數據獲取

將#1傳感器用作接收傳感器直接與放大器相連接，放大器的輸出端與數據采集卡相連接，#2用作發射傳感器與DPR300的輸出端口連接；將兩個傳感器分別固定于實驗板材(錫鉛合金)表面的指定位置：#1(19 cm，11 cm)、#2(1 cm，11 cm)，即兩傳感器相距18 cm；傳感器與板材接觸面上需要均勻涂抹耦合劑；設置DPR300的工作模式及相應參數，配置數據采集卡的工作模式為外部觸發并啟動AE檢測系統，設置采樣頻率為100 MHz，采樣點數為10 k。

3.2.2 一維斷鉛實驗

如圖4所示，首先對板材進行了網格劃分，每個網格規格為2 cm×2 cm。

圖4 一維斷鉛實驗圖

選用#1和#2傳感器開展一維斷鉛實驗，傳感器的直徑為1.8 cm，把板材面看成坐標平面，原點位于左下角，將#1和#2傳感器分別固定于坐標(19 cm，11 cm)和(1 cm，11 cm)處并在接觸面上均勻涂抹耦合劑，將兩個傳感器與采集卡的0和1通道對應連接。設置了4個斷鉛位置(參見圖4)：(3 cm，11 cm)、(5 cm，11 cm)、(7 cm，11 cm)和(9 cm，11 cm)，傳感器諧振頻率為150 kHz，設置采集卡采樣頻率為1 MHz，采樣點數200 k，每個位置進行6次重復斷鉛操作。

3.2.3 二維斷鉛實驗

選用#1、#2和#3傳感器開展二維平面AE斷鉛實驗。如圖5所示，將三個傳感器分別固定于板材的(7 cm，1 cm)、(5 cm，19 cm)和(19 cm，9 cm)位置處，并在接觸面均勻涂抹耦合劑。

將#1、#2、#3傳感器分別與采集卡的0、1、2通道相連接，設置了5個斷鉛位置(參見圖4)：(9 cm，17 cm)、(9 cm，11 cm)、(9 cm，3 cm)、(13 cm，13 cm)、(15 cm，5 cm)，設置采集卡采樣頻率為1 MHz，采樣點數200 k，每個位置進行5次重復斷鉛操作。

圖5 二維斷鉛實驗圖

4 實驗結果分析

4.1 傳感器延遲時間標定

無損檢測標準試塊材質為20號鋼，20號鋼的彈性模量為206 GPa，密度為7.85 g/cm3，聲波在其中的傳播速度為5 122.7 m/s，由此可得聲波在7階厚度中的傳播時間分別為：0.19 μs、0.28 μs、0.38 μs、0.76 μs、1.13 μs、1.51 μs、1.89 μs。傳播時間t與對應標準試塊厚度D之間的函數關系如式(1)所示：

(1)

式中,V為超聲波在試塊中的傳播速度，t0為實驗中發射和接收傳感器的總延遲時間，根據上式對實驗數據進行擬合，進而得到4個傳感器的平均延遲時間為1.14 μs。

4.2 一維斷鉛實驗結果分析

基于時間差法的一維直線聲發射源定位算法[18]如式(2)與式(3)所示，式中，D為兩個聲發射傳感器間距，V為聲波在板材中傳播速度，t12為兩個傳感器接收到信號的首波時間差，聯立兩個方程可以求解出斷鉛位置距離兩個傳感器的距離d1和d2，即得到了斷鉛位置X軸坐標與兩傳感器X軸坐標的差值，進而可確定斷鉛位置。

d2+d1=D

(2)

d2-d1=V*t12

(3)

通過對聲速測量數據進行處理得到超聲波的傳播速度V=2 964 m/s。在斷鉛信號圖上選取第一個波谷作為首波時刻，得到6次實驗中#1和#2傳感器接收到的信號首波時間差值如圖6所示。

圖6 首波時間差圖

由一維定位算法和首波時間差計算出一維斷鉛位置定位結果、理論位置及誤差，如表1所示。其中相對誤差依據兩傳感器間距進行計算，由于采樣頻率為1 MHz，所以系統能夠分辨的最小距離約為3 mm。

表1 一維AE斷鉛實驗定位結果

4.3 二維斷鉛實驗結果分析

基于時間差法的二維平面聲發射源定位算法[19]如式(4)與式(5)所示。

d1-d2=V*t12

(4)

d1-d3=V*t13

(5)

斷鉛位置距離三個聲發射傳感器的距離分別為d1、d2、d3，聲波在板材中的傳播速度為V，t12與t13分別表示#1傳感器、#2傳感器和#3傳感器接收到信號的首波時間差值。根據保存的數據作圖得到5次實驗中#1和#2傳感器、#2與#3傳感器以及#1與#3傳感器接收到的信號首波時間差值，圖7給出了斷鉛位置四處各傳感器對之間首波時間差。

圖7 斷鉛位置4首波時間差

由二維定位算法和首波時間差計算出二維AE斷鉛實驗定位結果、理論位置及誤差，如表2所示。其中相對誤差依據傳感器陣列中最大傳感器間距計算[20]。為了更加直觀的觀察出定位效果，根據表2數據、實際板材的尺寸以及AE傳感器的位置坐標和尺寸畫出了二維平面定位圖，如圖8所示。

表2 二維AE斷鉛實驗定位結果

圖8 二維AE斷鉛實驗平面定位圖

5 討論

5.1 系統的誤差

上述一維和二維斷鉛實驗定位結果與實際位置的最大相對誤差分別為2.3%和5.0%，均產生于斷鉛位置與#1傳感器距離最小時，針對誤差產生原因進行如下討論：

1)AE傳感器自身的尺寸、傳感器與實驗所用板材邊界的距離影響。實際AE傳感器與板材接觸面為圓形，直徑為1.8 cm，在數據處理時未考慮其尺寸對聲波從AE源到傳感器實際傳播距離的影響，從最大相對誤差產生的實驗條件可以看出，斷鉛位置與傳感器中心的直線距離越接近于傳感器尺寸則誤差越大。實驗所用的板材尺寸較小，AE傳感器與板材邊界距離較近，數據處理時未考慮聲波在板材邊界面發生反射對實驗數據的影響[21]。

2)實驗所用板材表面不平整性和材質不均勻性。實驗過程中默認聲波最短傳播路徑為從AE源到傳感器的直線段，未考慮板材表面不平整對實際最短傳播路徑的影響；另外，板材中聲波的傳播速度默認為一個恒定值，未考慮板材不均勻性等因素對聲速的影響。

3)系統分辨率。AE系統的時間分辨率直接決定了系統能夠分辨的最小距離，本系統的時間分辨率為1 μs，斷鉛實驗中能分辨的最小距離約為3 mm，導致定位時小于3 mm的距離無法分辨而影響精度。

4)環境溫度。檢測系統在運行過程中尤其是工控主機會發熱，造成環境溫度升高，溫度的變化會對影響聲速的大小，計算過程中默認聲速為定值。

5.2 系統的性能

參照行業標準JB/T 10764—2007[22]規定的AE系統應具備的硬件條件、基礎功能和精度范圍對本系統進行性能評價。

1)本系統采用的PXR15AE傳感器在其響應頻率范圍內對來自不同方向的聲波均有響應且自帶的信號線為標準的低噪聲同軸電纜，前置放大器工作頻帶覆蓋信號頻率范圍且信噪比高，實驗過程所采用的黃油聲耦合劑粘度適宜且具有良好的聲耦合效果，工控主機性能穩定，供電電源穩定且接地良好等硬件設施符合行業標準；

2)本系統能夠實現標準中規定的具備對AE信號的采集、預處理、顯示和保存功能，在此基礎上還可以根據實驗條件、實驗對象和信號的變化對軟件功能進行二次開發；

3)本系統的時間分辨率為1 μs，標準規定定位誤差不得超過最大傳感器間距的5%，根據上述一維和二維斷鉛實驗的定位結果可知本系統滿足行業標準對系統的精度要求。

6 結論

采用通用的硬件模塊和圖形化的編程語言，基于虛擬儀器技術設計并開發了多通道聲發射檢測系統，開展了一維直線和二維平面斷鉛實驗，通過對實驗數據進行處理實現了對斷鉛位置的定位，針對實驗結果進行了誤差分析，依據行業標準對系統的性能實施了定性與定量評價。

通過實驗驗證了系統的可用性，硬件條件、軟件功能以及定位精確度滿足行業標準。系統中傳感器、數據采集卡等硬件模塊以及軟件功能可以根據檢測對象、精度要求、實驗條件等進行靈活升級，系統的可擴展性強、成本低，而且可進行二次開發。所提出的聲發射檢測系統設計方案、實驗方法以及數據處理方法將為工業現場聲發射檢測系統的研發提供有益的借鑒。