基于LabVIEW的聲發射信號采集與去噪軟件系統設計

孫瓊瓊，趙亞東

（1.泰安市特種設備檢驗研究院，山東泰安 271000；2.肥城市國家電網，山東肥城 271600）

0 引言

在內力或外力作用下，金屬、巖石等固體材料產生變形、斷裂并以瞬態彈性波的形式釋放局部能量的現象稱為聲發射（Acoustic Emission，AE）[1]。自從德國人Kaiser在20世紀50年代發現了著名的Kaiser效應以來，聲發射技術被廣泛應用于煤礦、金屬、壓力容器的無損檢測領域[2]。聲發射信號的頻率、幅值等參數包含了聲發射事件的個數、時間、聲源方位、金屬損傷程度等信息，通過分析金屬在破壞過程中釋放的聲發射信號，可以推斷金屬內部的變化趨勢，從而實現金屬壓力容器的災害預警，保障安全生產和人身安全。

美國國家儀器公司（National Instrum-ents，NI）于1986年最先提出虛擬測量儀器（Virtual Instrument，VI）的概念[3]，實現了傳統儀器技術與計算機及網絡技術相結合，徹底打破了傳統的儀器觀，代表了測量儀器發展的新方向。在虛擬儀器領域，用戶可根據不同的需求自主選擇應用軟件，真正實現了軟件定義功能，而且具有維護成本低、技術更新靈活、與計算機同步發展等優點。LabVIEW是NI公司推出的虛擬儀器設計平臺，通過采用圖形化的編程方式，創建了利用圖標替代文本行生成應用程序的計算機編程語言[4]。

由于聲發射信號的不確定性與隨機性，以及現場壓力容器檢驗中，機械噪聲、人為活動等各種噪聲普遍存在，使得傳感器實際采集到的聲發射信號中含有大量的噪聲，聲發射信號嚴重失真甚至淹沒在噪聲信號中，嚴重影響了聲發射信號的真實性。本文針對聲發射信號及噪聲特點，設計了一款基于LabVIEW的具有實時信號采集、顯示、去噪等功能的軟件系統。

1 系統軟件總體設計

軟件的設計應遵循高效率、可拓展和運行穩定的原則[5]，基于LabVIEW的聲發射信號采集與去噪軟件系統系統采用模塊化的設計原則，并根據不同的功能設計不同的模塊，通過由上而下逐漸細化的方法，把復雜的系統需求逐步劃分為簡單的子任務。所以，本系統由實時信號采集模塊，信號去噪模塊等組成，軟件總體框圖如圖1所示。

圖1 系統軟件設計

2 系統模塊設計

2.1 實時信號采集模塊

信號采集模塊是系統的基本組成部分，是連接傳感器與計算機的關鍵紐帶，隨著計算機和總線技術的發展，基于PC的數據采集板卡得到廣泛應用，本系統采用NI高速數據采集卡實現8路信號的采集和顯示，且NI公司為該采集卡配有LabVIEW驅動程序，在驅動程序安裝完成后，可使用DAQmx子選板中的節點完成實時信號采集的編程。信號采集程序框圖如圖2所示。

圖2 實時號采集程序框圖

程序框圖中主要利用“DAQmx平化通道字符串”、“DAQmx創建虛擬通道”、“DAQmx定時”、“DAQmx開始任務”、“DAQmx讀取”、“DAQmx停止任務”、“DAQmx清除任務”等函數節點完成數據采集的編程。其中，利用“DAQmx創建虛擬通道”函數節點創建虛擬通道并將其添加成一個任務，“DAQmx定時”函數節點用于配置硬件數據采集的采樣時鐘源、采樣率和采樣模式等參數，“DAQmx開始任務”可將一個任務轉換到運行狀態，“DAQmx停止任務”、“DAQmx清除任務”可實現數據采集的中止及清除，進而提高程序內部資源空間。

2.2 信號去噪模塊

在壓力容器檢驗現場，聲發射信號中含大量的聲源信息，由于噪聲信號的干擾，使得有用信號失真甚至淹沒在噪聲信號中。聲發射信號是典型的非平穩信號[6]，利用小波去噪的本質數學思想是將含噪聲的聲發射信號變換到小波域，將噪聲產生的小波系數進行縮小甚至完全剔除，并保留聲發射的小波系數，最后將處理過的小波系數重構為原始信號，從而得到去除噪聲的聲發射信號[7]。

本模塊在降噪過程中采用sym8小波基函數，進行5層分解。借助MATLAB強大的數學計算功能，采用LabVIEW調用MATLAB實現小波去噪算法的編程[8]，其信號去噪程序框圖如圖3所示。圖中，函數“wavedec”為小波分解函數，其調用格式為：[c，l]=wavedec（x，n，′wname′），該函數返回信號x在經過wname小波n層分解后的小波系數，其中c為小波分解系數，l為小波系數的個數。函數“wdencmp”的調用格式為XC=wdencmp （′gbl′，x，′wname′，n，THR，SORH，KEEPAPP），gbl表示去噪時每層采用相同的閾值進行處理，wname為小波基函數選取，n表示分解層數，THR表示估計的閾值，SORH為軟閾值（′s′）或硬閾值（′h′）的選取，KEEPAPP有兩種選擇，當KEEPAPP為1時，則低頻系數不進行量化處理，反之則進行量化處理。

圖3 小波閾值去噪程序框圖

3 軟件運行

在壓力容器外表面進行斷鉛試驗模擬聲發射源進行實驗，其部分軟件運行界面如圖4所示。從運行結果可得，實時采集的聲發射信號經小波去噪處理后，噪聲信號被明顯剔除，使得聲發射信號更加明顯地被識別。

圖4 軟件運行界面

4 結束語

本文所設計的系統軟件具有聲發射信號采集，信號去噪處理等功能，且該軟件具有操作簡單，運行穩定的特點，可廣泛應用于壓力容器檢驗現場。