耳聲發(fā)射檢測(cè)儀概述

4.1聲發(fā)射檢測(cè)儀器的組成

聲發(fā)射檢測(cè)儀由傳感器、前置放大器、數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)和記錄分析顯示系統(tǒng)4個(gè)部分組成。聲發(fā)射檢測(cè)儀原理如圖4.1-1，聲發(fā)射儀器中傳感器接收采集來(lái)自聲發(fā)射源的聲波信號(hào)即聲發(fā)射信號(hào)，經(jīng)前置放大器放大后，并由信號(hào)采集采集處理系統(tǒng)對(duì)聲發(fā)射信號(hào)做處理后，由記錄顯示系統(tǒng)進(jìn)行記錄分析顯示達(dá)到檢測(cè)聲發(fā)射源的目的。所有的聲發(fā)射儀器都有這4個(gè)部分，只是有些會(huì)合并某幾部分在一起，例如內(nèi)置放大器的聲發(fā)射傳感器，集放大器、數(shù)據(jù)采集處理和記錄分析顯示于一體的手持聲發(fā)射儀等。下面按這4個(gè)部分分別具體介紹。

圖4.1-1聲發(fā)射檢測(cè)原理

4.1.1傳感器的作用是轉(zhuǎn)變接收到的聲發(fā)射的聲信號(hào)成為聲發(fā)射的電信號(hào)。

4.1.2與傳感器連接的放大器通常稱作前置放大器，其主要作用是將傳感器輸出的微弱驅(qū)動(dòng)能力的聲發(fā)射電信號(hào)放大或驅(qū)動(dòng)能力提高成為能遠(yuǎn)距離傳輸被數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)接收的聲發(fā)射電信號(hào)。前置放大器也常具有模擬信號(hào)濾波器的功能和發(fā)射標(biāo)定聲發(fā)射信號(hào)的功能。根據(jù)圖4.1中數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)的形式需要，前置放大器可以有內(nèi)置于傳感器內(nèi)和內(nèi)置于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)如無(wú)線聲發(fā)射采集模塊/手持聲發(fā)射系統(tǒng)等，也可獨(dú)立外置于傳感器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)之間由電纜連接。

4.1.3數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)一般會(huì)集成多個(gè)采集卡，每個(gè)采集卡會(huì)有多個(gè)獨(dú)立通道，采集卡根據(jù)采樣頻率通常會(huì)有40MHz、10MHz、5MHz等不同的型號(hào)、采樣精度用常會(huì)有18bit、16bit等不同的型號(hào)。

4.1.4記錄分析顯示系統(tǒng)通常由電腦加專用聲發(fā)射軟件組成，電腦選用包括筆記本電腦和臺(tái)式機(jī)。

4.2聲發(fā)射檢測(cè)儀器的分類

數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)是變化發(fā)展較快部分，也是決定聲發(fā)射儀器主要功能性能的部分。聲發(fā)射儀器也主要按聲發(fā)射儀器中的數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和內(nèi)容來(lái)進(jìn)行分類。

聲發(fā)射儀器主要有如下幾種分類方式:

4.2.1按聲發(fā)射檢測(cè)儀器的數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)與記錄分析顯示系統(tǒng)之間的通訊架構(gòu)來(lái)分類

4.2.1.1采用PCI接口通訊的發(fā)射檢測(cè)儀器

在上世紀(jì)，聲發(fā)射檢測(cè)儀引入計(jì)算機(jī)技術(shù)后不久，PCI接口的聲發(fā)射檢測(cè)儀立即成為主流架構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的一種方式是，將聲發(fā)射采集卡直接插在電腦主板的PCI插槽上，在臺(tái)式機(jī)為主流的時(shí)期，使儀器有較好的集成度。其另一種方式是采用PCI總線擴(kuò)展連線，將聲發(fā)射采集卡插在有獨(dú)立機(jī)箱擴(kuò)展PCI板上，這樣可以解決電腦本身PCI插槽不足問(wèn)題。

4.2.1.2采用USB接口通訊

自從2007年開發(fā)出出了世界第一臺(tái)USB2.0通訊的多通道數(shù)字聲發(fā)射系統(tǒng)后，USB2.0多通道數(shù)字聲發(fā)射儀因?yàn)閷?shí)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)率的提高，可直接連接筆記本電腦的方便性，通道數(shù)不受計(jì)算機(jī)箱內(nèi)插槽數(shù)的限制，目前已經(jīng)取代了一定數(shù)量的原臺(tái)式計(jì)算機(jī)插槽PCI架構(gòu)的聲發(fā)射儀，已經(jīng)成為多通道數(shù)字聲發(fā)射儀的主要通訊接口和各廠商的未來(lái)技術(shù)發(fā)展方向。

4.2.1.3采用網(wǎng)絡(luò)接口通訊

將數(shù)據(jù)采集處理裝置與電腦用網(wǎng)絡(luò)接口連接，基于TCP/IP協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集處理裝置與電腦任何距離的連接，連接部件采用市場(chǎng)通用的五類雙絞線，網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，光纖，光端機(jī)等

基于網(wǎng)絡(luò)接口數(shù)據(jù)通訊方式，數(shù)據(jù)采集前移至傳感器甚至與傳感器一體化形成智能數(shù)字化傳感器的系統(tǒng)將會(huì)得到更多的應(yīng)用，以滿足采用網(wǎng)絡(luò)/無(wú)線/光纖等數(shù)據(jù)通訊傳輸?shù)男枰矟M足分布式遠(yuǎn)距離遙控遙測(cè)的應(yīng)用需求。

4.2.1.4采用WiFi無(wú)線接口

無(wú)線聲發(fā)射儀的特點(diǎn)是不用拖拽長(zhǎng)電纜，無(wú)線通訊距離通常都達(dá)數(shù)公里，而有線電纜聲發(fā)射儀安裝電纜工作繁重而且電纜長(zhǎng)度通常只能允許50米或最大也就百米之內(nèi)。這使得無(wú)線聲發(fā)射儀成為轉(zhuǎn)動(dòng)裝置、橋梁、風(fēng)電、礦山設(shè)備、土木地質(zhì)檢測(cè)等不能采用有線電纜聲發(fā)射儀的唯一聲發(fā)射應(yīng)用的選擇，也成為傳統(tǒng)有線電纜聲發(fā)射應(yīng)用但數(shù)據(jù)量不大希望免除安裝電纜繁瑣工作的選擇。無(wú)線聲發(fā)射儀目前數(shù)據(jù)通過(guò)率低只有每秒幾千數(shù)萬(wàn)聲發(fā)射撞擊參數(shù)組/每秒，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于目前有線電纜聲發(fā)射儀的數(shù)十萬(wàn)聲發(fā)射撞擊數(shù)/每秒，這使得很多數(shù)據(jù)量大且不允許數(shù)據(jù)丟失的場(chǎng)合不能使用無(wú)線聲發(fā)射儀。另外目前無(wú)線聲發(fā)射儀的時(shí)差測(cè)量由GPS信號(hào)完成要求良好GPS信號(hào)條件也限制了部分要求無(wú)GPS信號(hào)條件時(shí)也能做時(shí)差定位功能的無(wú)線聲發(fā)射儀的應(yīng)用。

4.2.1.5采用zigbee無(wú)線接口

目前最先進(jìn)的2.4G頻率的通訊帶寬在250Kbps，由于帶寬的限制，一般用于單通道的無(wú)線聲發(fā)射儀

4.2.2按通道之間連接架構(gòu)分類

4.2.2.1單通道手持聲發(fā)射檢測(cè)儀器

單通道手持聲發(fā)射儀器是將前置放大器、采集卡、電腦等所有部件集成到一個(gè)機(jī)殼內(nèi)，便于攜帶與手持操作，電池供電，成為用于閥門泄漏、故障診斷等的快速診斷專用聲發(fā)射儀器。

4.2.2.2多通道集中式聲發(fā)射檢測(cè)儀器

集中式聲發(fā)射檢測(cè)儀器的架構(gòu)是將所有的采集卡集中插在一個(gè)主板或幾個(gè)有同步關(guān)系的主板上，是目前各廠家的主要儀器架構(gòu)，很多聲發(fā)射應(yīng)用都要求檢測(cè)的區(qū)域較大需要多個(gè)聲發(fā)射傳感器才能滿足，因此多通道聲發(fā)射儀仍是很多聲發(fā)射應(yīng)用的最主要的選擇。

4.2.2.3多通道集分布式聲發(fā)射檢測(cè)儀器

分布式聲發(fā)射檢測(cè)儀是由多個(gè)獨(dú)立的單通道聲發(fā)射采集器與計(jì)算機(jī)組成多通道實(shí)時(shí)聲發(fā)射采集系統(tǒng)，是由無(wú)線多通道聲發(fā)射采集系統(tǒng)演變而來(lái)。多個(gè)獨(dú)立的聲發(fā)射采集器通過(guò)有線及無(wú)線網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)及遠(yuǎn)程Wi-Fi或LAN與計(jì)算機(jī)建立通訊連接，組成一個(gè)多通道采集系統(tǒng)。按照PC機(jī)軟件設(shè)置的條件對(duì)聲發(fā)射數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，將數(shù)據(jù)傳輸給至距遠(yuǎn)程的監(jiān)控端PC機(jī)，每個(gè)采集器之間的數(shù)據(jù)時(shí)間同步通過(guò)接收GPS時(shí)間或連線同步來(lái)實(shí)現(xiàn)。

4.2.3數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)的處理功能分類

處理功能兩大主要類型是數(shù)字聲發(fā)射儀器及全波形聲發(fā)射儀器，其主要的差別在于聲發(fā)射參數(shù)是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件產(chǎn)生還是上位機(jī)計(jì)算機(jī)的軟件產(chǎn)生。數(shù)字信號(hào)處理是聲發(fā)射數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與通用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)差異最大的部分，其功能是在大數(shù)據(jù)量的數(shù)字聲發(fā)射波形信號(hào)基礎(chǔ)上計(jì)算處理提取出小數(shù)據(jù)量的幅度、計(jì)數(shù)、持續(xù)時(shí)間等聲發(fā)射參數(shù)，通常數(shù)據(jù)量的減少可達(dá)到數(shù)千數(shù)萬(wàn)倍。除聲發(fā)射參數(shù)產(chǎn)生功能外，數(shù)字信號(hào)處理還可以提供實(shí)時(shí)連續(xù)數(shù)字濾波器、頻譜分析、波形前后采樣、門限觸發(fā)等功能，極大地提高了聲發(fā)射檢測(cè)的能力。

4.2.3.1數(shù)字聲發(fā)射儀器

大多數(shù)實(shí)際聲發(fā)射應(yīng)用都要求不允許任一時(shí)間段的信號(hào)丟失，例如裂紋開裂瞬間信號(hào)丟失就是漏檢等。普通計(jì)算機(jī)與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通過(guò)率尚不能滿足聲發(fā)射信號(hào)大數(shù)據(jù)量波形數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟粊G失要求。為了保證時(shí)間段數(shù)據(jù)不丟失，數(shù)字聲發(fā)射儀器的聲發(fā)射參數(shù)是硬件產(chǎn)生的，數(shù)據(jù)采集單元對(duì)大數(shù)據(jù)量波形數(shù)據(jù)進(jìn)行連續(xù)實(shí)時(shí)信號(hào)處理，提取轉(zhuǎn)換成為小數(shù)據(jù)量的聲發(fā)射參數(shù)數(shù)據(jù)后再傳送到計(jì)算機(jī)，這種數(shù)據(jù)壓縮的方式，保證了任何時(shí)間段信號(hào)不丟失都有信息

采樣速度為10M，采樣精度16位，通道數(shù)4，則波形數(shù)據(jù)量為10MHz×4通道 × 16位=640Mbit/s，對(duì)于帶寬為133Mbit/s的PCI總線，帶寬為480Mbit/s的USB2.0接口，這個(gè)數(shù)據(jù)量都已經(jīng)超過(guò)通過(guò)率的極限，波形全部上傳必然產(chǎn)生數(shù)據(jù)丟失。特別是PCI總線，還必須滿足網(wǎng)絡(luò)、硬盤控制卡之類的帶寬占用，實(shí)際數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通過(guò)率更是遠(yuǎn)小于理論數(shù)據(jù)通過(guò)率。

。

波形數(shù)據(jù)產(chǎn)生參數(shù)的原理和數(shù)據(jù)量減少的原理是將數(shù)字波形信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字波形包絡(luò)，再進(jìn)而用幅度、持續(xù)時(shí)間、上升時(shí)間，到達(dá)時(shí)間等這個(gè)包絡(luò)的聲發(fā)射參數(shù)表達(dá)來(lái)描述聲發(fā)射信號(hào)來(lái)代替用數(shù)字波形描述聲發(fā)射信號(hào)。聲發(fā)射撞擊的特征參數(shù)持續(xù)時(shí)間比較典型的都在0.1-2mS水平，每通道的撞擊頻率最大不會(huì)超過(guò)10KHz，通過(guò)將每個(gè)撞擊波形用提煉出的參數(shù)來(lái)替代，4通道的采集儀在聲發(fā)射信號(hào)大數(shù)據(jù)量條件下，參數(shù)生成不會(huì)超過(guò)40KHz，而每個(gè)撞擊的參數(shù)一般不會(huì)超過(guò)100字節(jié)(800bit)，這樣4通道的采集系統(tǒng)的參數(shù)數(shù)據(jù)最多占用32Mbit/s的帶寬，數(shù)據(jù)量壓縮為原來(lái)波形數(shù)據(jù)的1/20，數(shù)據(jù)基本不會(huì)丟失。對(duì)于大多數(shù)大型構(gòu)件工程應(yīng)用，撞擊的頻率會(huì)呈幾何級(jí)數(shù)降低，數(shù)據(jù)壓縮的比例會(huì)進(jìn)一步增加到1/1000的水平，這樣就保證了采集系統(tǒng)的通道數(shù)即使增加到100通道以上，也不用擔(dān)心數(shù)據(jù)傳輸?shù)膩G失。由于保證不漏檢是大多數(shù)聲發(fā)射應(yīng)用的必要要求，因此目前市場(chǎng)上絕大多數(shù)商業(yè)聲發(fā)射儀器都是這種采用硬件方式產(chǎn)生聲發(fā)射參數(shù)的數(shù)字聲發(fā)射儀。

4.2.3.2全波形聲發(fā)射儀器，

全波形聲發(fā)射儀是采用通用數(shù)據(jù)采集裝置先傳送波形數(shù)據(jù)到計(jì)算機(jī)，然后再由計(jì)算機(jī)軟件產(chǎn)生聲發(fā)射參數(shù)(幅度等)。

4.2.3.2.1這種方式參數(shù)(幅度等)的產(chǎn)生要求大數(shù)據(jù)量的波形數(shù)據(jù)先送到計(jì)算機(jī)，目前顯然會(huì)受計(jì)算機(jī)通訊能力瓶頸的限制，不適用多通道高采樣率的應(yīng)用情況。對(duì)于數(shù)據(jù)量大又不允許丟失數(shù)據(jù)的聲發(fā)射應(yīng)用場(chǎng)合例如壓力容器等大型工程結(jié)構(gòu)的聲發(fā)射檢測(cè)，在某個(gè)特定的瞬間有可能會(huì)產(chǎn)生突發(fā)大量聲發(fā)射事件，在這種情況下全波形系統(tǒng)不能保證數(shù)據(jù)的完整性，會(huì)有數(shù)據(jù)丟失的可能。目前主要儀器廠商的儀器只能做到保全5M采樣率16位精度2通道的數(shù)據(jù)不丟失。

4.2.3.2.2全波形采集遇到的另外一個(gè)瓶頸是硬盤的容量。對(duì)于USB2.0架構(gòu)聲發(fā)射儀40MB/s的上傳速率，每小時(shí)會(huì)產(chǎn)生160GB的數(shù)據(jù)量，1TB的主流硬盤會(huì)在6個(gè)小時(shí)內(nèi)被填滿，而且數(shù)據(jù)回放過(guò)程也會(huì)需要如此漫長(zhǎng)的等待，如果在回放過(guò)程附加數(shù)據(jù)處理的功能，過(guò)程會(huì)更長(zhǎng)一些，工作效率會(huì)可能因此降低。

4.2.3.2.3全波形采集遇到的另外一個(gè)瓶頸是硬盤的存取速度。目前主流串口硬盤的存取速度在40-50MB/s，與USB2.0接口的速度相當(dāng)。這就限制了采用更新技術(shù)USB3.0接口的可行性，USB3.0接口的速度雖然已經(jīng)達(dá)到5Gbit/s(640MB/s)，但如此大的數(shù)據(jù)量上傳后，不能及時(shí)存入硬盤，數(shù)據(jù)的無(wú)序丟失是無(wú)法避免的。

4.2.3.2.4全波形聲發(fā)射儀可采用通用數(shù)據(jù)采集卡結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，是數(shù)據(jù)量小或容許丟失數(shù)據(jù)情況的選擇。除價(jià)格低廉優(yōu)點(diǎn)外，全波形聲發(fā)射儀還有存儲(chǔ)了全部波形數(shù)據(jù)可做深入全面波形分析的可能性和聲發(fā)射參數(shù)可以試驗(yàn)后改變參數(shù)產(chǎn)生條件如改變更低的門限改變參數(shù)定義時(shí)間HDT等再次產(chǎn)生的優(yōu)點(diǎn)。隨著計(jì)算機(jī)通訊能力的提高，全波形聲發(fā)射儀的應(yīng)用仍然有增長(zhǎng)甚至成為主流儀器的可能性。

4.2.4按用途分類

4.2.4.1通用的聲發(fā)射檢測(cè)儀器，

多通道標(biāo)準(zhǔn)聲發(fā)射檢測(cè)儀器，各領(lǐng)域都能應(yīng)用，但需要操作人有使用經(jīng)驗(yàn)并自行設(shè)置采集及分析顯示條件，一般用于定期檢測(cè)，檢測(cè)完成后儀器會(huì)撤出檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)。

4.2.4.2專用聲發(fā)射儀器，

一般都是定制的專用聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)，專用傳感器、專用信號(hào)處理方法、專用遙測(cè)要求組網(wǎng)要求等特殊專用需要。

主要用于工業(yè)過(guò)程的控制與報(bào)警，聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)一旦安裝完成，將不再拆除，會(huì)與被檢測(cè)目標(biāo)一起長(zhǎng)期24小時(shí)連續(xù)工作。

系統(tǒng)應(yīng)用前需要做判定依據(jù)與條件的分析，一旦應(yīng)用采集設(shè)置及分析顯示條件被固化，

典型的應(yīng)用案例如下:

礦井、壩體等地質(zhì)等結(jié)構(gòu)聲發(fā)射長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，

橋梁監(jiān)測(cè)的遙測(cè)聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)等

風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的監(jiān)控系統(tǒng)

風(fēng)洞試驗(yàn)設(shè)備的監(jiān)控

4.2.5軟件分類

多通道聲發(fā)射系統(tǒng)的軟件按數(shù)據(jù)類型來(lái)說(shuō)可分為兩大類:基于參數(shù)數(shù)據(jù)的分析軟件和基于波形數(shù)據(jù)的分析軟件。按分析內(nèi)容劃分可分為特征分析、定位分析和模式識(shí)別。

參數(shù)分析軟件的輸入數(shù)據(jù)是參數(shù)，其特征分析主要是各種參數(shù)關(guān)聯(lián)圖分析如幅度分布、撞擊數(shù)在時(shí)間的分布等。定位分析有多種不同的定位方法，如線性定位、平面定位、三維定位、三角形定位、矩形定位區(qū)域定位等。模式識(shí)別有兩大類:有教師訓(xùn)練和無(wú)教師訓(xùn)練。

波形分析軟件的輸入數(shù)據(jù)是波形數(shù)據(jù)，其特征分析主要是各種波形數(shù)據(jù)的時(shí)域和頻域分析如小波分析頻譜分析等。由于波形數(shù)據(jù)可以產(chǎn)生參數(shù)數(shù)據(jù)并可任意設(shè)置產(chǎn)生參數(shù)的條件如門檻電壓撞擊定義時(shí)間等甚至設(shè)計(jì)新的參數(shù)，因此波形分析軟件可以包括所有參數(shù)分析的功能并具有更大的靈活性。

4.3多通道數(shù)字聲發(fā)射儀工作原理

4.3.1多通道數(shù)字聲發(fā)射儀系統(tǒng)

多通道數(shù)字聲發(fā)射儀的功能結(jié)構(gòu)框圖。主要由多個(gè)通道的采集卡，主板，電源，外接參數(shù)等模塊組成。多路采集卡同步采集，獨(dú)立處理各通道的波形與參數(shù)，在通過(guò)主板上通訊接口上傳到電腦。各聲發(fā)射采集卡之間有時(shí)鐘同步功能，可以實(shí)現(xiàn)誤差小于1uS的時(shí)間同步，這樣就為多通道信號(hào)時(shí)差定位打好了基礎(chǔ)。

采集開始前，電腦軟件將用戶錄入的采集設(shè)置數(shù)據(jù)傳送給每個(gè)采集卡，這些設(shè)置主要包括波形的采樣頻率、采樣長(zhǎng)度，參數(shù)生成依據(jù)(觸發(fā)門限，HDT，HLT等)。

采集卡采集到的數(shù)據(jù)按次序通過(guò)通訊接口上傳到電腦，電腦中的分析軟件完成同步存儲(chǔ)與分析

4.3.2采集卡原理

圖4.2數(shù)字聲發(fā)射儀采集卡能結(jié)構(gòu)框圖

分為模擬信號(hào)調(diào)理、模擬濾波、摸/數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)字信號(hào)處理、通訊等模塊

模擬信號(hào)調(diào)理電路功能是通過(guò)信號(hào)放大、縮小、阻抗變換、濾波使前置放大器輸入的模擬信號(hào)調(diào)理成為模數(shù)轉(zhuǎn)換電路能輸入的信號(hào)。

數(shù)字信號(hào)處理的主要功能是數(shù)字濾波、頻譜分析、參數(shù)提取等。

4.3.3 新技術(shù)應(yīng)用-無(wú)線聲發(fā)射儀

隨著無(wú)線數(shù)據(jù)通訊技術(shù)的發(fā)展，達(dá)到實(shí)際應(yīng)用要求的通用無(wú)線聲發(fā)射儀已經(jīng)在市場(chǎng)上出現(xiàn)，在某些特殊領(lǐng)域正在取代越來(lái)越多的有線電纜聲發(fā)射儀，呈現(xiàn)出類似無(wú)線手機(jī)取代有線座機(jī)，無(wú)線應(yīng)變儀取代有線應(yīng)變儀的發(fā)展趨勢(shì)。

WiFi無(wú)線數(shù)據(jù)通訊的技術(shù)指標(biāo)已達(dá)到無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸速度300Mbps,傳輸距離超過(guò)10公里，能滿足大多數(shù)聲發(fā)射應(yīng)用的要求。隨著3數(shù)據(jù)流及4數(shù)據(jù)流WiFi的實(shí)現(xiàn)，傳輸速度技術(shù)指標(biāo)還在不斷的被刷新為450 Mbps及 600 Mbps，新的更高指標(biāo)的無(wú)線聲發(fā)射儀也會(huì)不斷出現(xiàn)。

無(wú)線聲發(fā)射儀可采用GPS授時(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)高精度無(wú)線多通道同時(shí)鐘數(shù)據(jù)采集從而實(shí)現(xiàn)時(shí)差定位的功能。

圖4.3-1 多通道無(wú)線聲發(fā)射儀系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)框圖

圖4.3-2 無(wú)線聲發(fā)射儀的無(wú)線數(shù)據(jù)采集模塊功能框圖

4.4聲發(fā)射儀的主要技術(shù)指標(biāo)

聲發(fā)射儀的技術(shù)指標(biāo)就是量化衡量判斷聲發(fā)射儀能力的指標(biāo)。聲發(fā)射儀的能力就是聲發(fā)射信號(hào)采集和聲發(fā)射信號(hào)處理分析顯示的功能。好的聲發(fā)射儀獲得聲發(fā)射信號(hào)的能力強(qiáng)丟失少甚至無(wú)丟失，獲得的信號(hào)失真小，信號(hào)分析處理顯示功能強(qiáng)大實(shí)用操作方便。獲得聲發(fā)射信號(hào)的能力可以用信號(hào)采樣精度、最大采樣速度、數(shù)據(jù)通過(guò)率、最小信號(hào)水平、最大信號(hào)水平、信號(hào)頻率范圍等技術(shù)指標(biāo)來(lái)表示。信號(hào)分析處理顯示能力可以用濾波器指標(biāo)，參數(shù)種類數(shù)量，參數(shù)數(shù)據(jù)分析和波形數(shù)據(jù)的分析方法種類數(shù)量等來(lái)表示。

聲發(fā)射儀的基本技術(shù)指標(biāo)如下表:

表1:多通道數(shù)字聲發(fā)射儀器的基本技術(shù)指標(biāo)

4.5聲發(fā)射儀的輔件

4.5.1放大器信號(hào)電纜

從前置放大器到多通道數(shù)字聲發(fā)射檢測(cè)儀主機(jī)即數(shù)字采集系統(tǒng)，往往需要很長(zhǎng)的信號(hào)傳輸線和前置放大器的供電電纜，通常采用同軸電纜完成信號(hào)傳輸和前放供電還有探頭標(biāo)定信號(hào)的傳輸這三個(gè)任務(wù)。同軸電纜主要用于視頻通訊領(lǐng)域，主要有50歐和75歐兩種。聲發(fā)射儀器多使用阻抗50歐的同軸電纜，電纜的長(zhǎng)度一般選擇在100米以內(nèi)。

4.5.2前置放大器

傳感器輸出的信號(hào)的電壓水平為微伏數(shù)量級(jí)，這樣微弱的信號(hào)，若經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離的傳輸，信噪比必然要降低?？拷鼈鞲衅髟O(shè)置前置放大器，將信號(hào)提到一定程度，常用有34、40到60分貝，再經(jīng)過(guò)高頻同軸電纜傳輸給信號(hào)的處理單元。前放的輸入是傳感器輸出的模擬信號(hào)，輸出是放大后的模擬信號(hào)，前放是模擬電路。

圖4.5 前置放大器

傳感器的輸出阻抗比較高，前置放大器需要具有阻抗匹配和變換的功能。有時(shí)傳感器的輸出信號(hào)過(guò)大，要求前置放大器具有抗電沖擊的保護(hù)能力和阻塞現(xiàn)象的恢復(fù)能力。并且具有比較大的輸出動(dòng)態(tài)范圍。

前置放大器的一個(gè)主要技術(shù)指標(biāo)是噪聲電平，一般應(yīng)小于10微伏。有些特殊用途的前置放大器，噪聲電平應(yīng)小于2微伏。

對(duì)于單端傳感器要配用單端輸入前置放大器，對(duì)于差動(dòng)傳感器要配用差動(dòng)輸入前置放大器，后者比前者具有一定的抗共模干擾能力。

在聲發(fā)射系統(tǒng)中，前置放大器占有重要的地位，整個(gè)系統(tǒng)的噪聲由前置放大器的性能所左右。前置放大器在整個(gè)系統(tǒng)中的作用就是要提高信噪比，要有高增益和低噪聲的性能。除此以外，還要有具有調(diào)節(jié)方便，一致性好，體積小等優(yōu)點(diǎn)。此外，由于聲發(fā)射檢測(cè)通常在強(qiáng)的機(jī)械噪聲(頻帶通常低于50KHz)、液體噪聲(通常100KHz~1MHz)和電氣噪聲的環(huán)境中進(jìn)行，因此前放還應(yīng)具有一定的強(qiáng)抗干擾能力和排除噪聲的能力。

前置放大器也可與傳感器組成一體化的帶前置放大器的傳感器，即將前置放大器置入傳感器外殼內(nèi)，通常需要設(shè)計(jì)體積小的前置放大器電路。

4.5.3濾波器

在聲發(fā)射檢測(cè)儀器中，為了獲得高質(zhì)量的數(shù)據(jù)，避免噪聲的影響，在整個(gè)系統(tǒng)的適當(dāng)位置插入濾波器?？梢杂袨V波器的位置有前置放大器，模數(shù)轉(zhuǎn)換前的調(diào)理電路，模數(shù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)處理電路和PC計(jì)算機(jī)的軟件濾波器。濾波器的工作頻率是根據(jù)環(huán)境噪聲(多數(shù)低于50千赫)及材料本身聲發(fā)射信號(hào)的頻率特性來(lái)確定，通常在60到500千赫范圍內(nèi)選擇。若采用帶通濾波器在確定工作頻率f后，需要確定頻率窗口的寬度，即相對(duì)寬度Δf/f。若Δf/f太寬易于引入外界噪聲，失去了濾波作用;若Δf/f太窄，檢測(cè)到的聲發(fā)射信號(hào)太少，降低了檢測(cè)靈敏度。因此，一般采用Δf=+0.1f到+0.2f。此外，在確定濾波器的工作頻率時(shí)，應(yīng)注意濾波器的通頻帶要與傳感器的諧振頻率相匹配。濾波器可采用有源濾波器，也可采用無(wú)源濾波器。

4.5.3.1前置放大器濾波

固定頻帶，內(nèi)置在前置放大器中

4.5.3.2采集卡模擬濾波

多組高通與低通相互組合，用戶可通過(guò)軟件選擇，實(shí)現(xiàn)對(duì)波形實(shí)時(shí)連續(xù)濾波，并利用濾波重構(gòu)后的波形生成聲發(fā)射特征參數(shù)。

4.5.3.3采集卡數(shù)字濾波

可任意設(shè)置頻率窗口，任選帶通、帶阻、高通、低通等濾波方式，與采集卡現(xiàn)有的模擬濾波可聯(lián)合使用，濾波阻帶衰減可累加增強(qiáng)濾波效果。實(shí)現(xiàn)對(duì)波形實(shí)時(shí)連續(xù)數(shù)字濾波，并利用濾波重構(gòu)后的波形生成聲發(fā)射特征參數(shù)。

4.5.3.4上位機(jī)軟件濾波

事后分析可靈活使用，可任意設(shè)置頻率窗口，任選帶通、帶阻、高通、低通等濾波方式，使用結(jié)果不影響已生成的參數(shù)

4.5.4傳感器信號(hào)線

傳感器信號(hào)線用于連接傳感器與前置放大器，一般采用屏蔽良好的同軸電纜。由于傳感器的信號(hào)輸出非常微弱且阻抗很高，信號(hào)在傳輸過(guò)程中非常容易受到來(lái)自外界電磁信號(hào)的干擾。通過(guò)盡量縮短傳感器信號(hào)線的長(zhǎng)度來(lái)降低干擾是主要方法，一般信號(hào)線的長(zhǎng)度選擇都在1米左右。

傳感器信號(hào)線的另一個(gè)重要技術(shù)指標(biāo)是電容量，這個(gè)電容量會(huì)影響傳感器的輸出阻抗，從而對(duì)前置放大器的增益精度產(chǎn)生影響。

4.6聲發(fā)射檢測(cè)儀器的選用

4.6.1通道數(shù)選用依據(jù)

高壓球罐聲發(fā)射檢測(cè)通道數(shù)選擇方案

通道數(shù)的選擇直接影響傳感器的間距，而傳感器的間距會(huì)影響聲發(fā)射信號(hào)的衰減量，為保證聲發(fā)射信號(hào)的有效接收形成定位，衰減量必須在可控的范圍內(nèi)，表中的推薦方案是大多數(shù)情況下可有效檢測(cè)的推薦配置。由于聲發(fā)射信號(hào)的衰減還受到被測(cè)物材質(zhì)、板厚、溫度、信號(hào)頻率的影響，表中"最佳效果方案"可以保證在有導(dǎo)致衰減增加的惡劣情況出現(xiàn)時(shí)也能正常檢測(cè)。如果被測(cè)物的信號(hào)衰減較小，"最經(jīng)濟(jì)方案"推薦的通道數(shù)是有可能正常使用的。

4.6.2采樣率與采樣精度的選用

4.6.2.1采樣率選型:

提高采樣率的目的是減少采集高頻信號(hào)時(shí)產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差。

不同采樣速度對(duì)應(yīng)的信號(hào)幅度測(cè)量誤差會(huì)有一定差別，以2M采樣率與4M采樣率為例，對(duì)于400KHz的正弦波信號(hào)，下圖第一個(gè)周期為10倍頻率即4M采樣率下重構(gòu)波形(藍(lán)色)，右側(cè)周期為2M采樣率下的重構(gòu)波形(紅色)，可以很明顯看出理論最大誤差的區(qū)別。

測(cè)量幅度誤差ΔA可用以下算式求出:

ΔA=1-cos(2πt/T )

其中T=1/f(T被測(cè)信號(hào)的周期，f為被測(cè)信號(hào)頻率);

t=T/2n(t為波形峰值偏離實(shí)際信號(hào)峰值的最大偏離時(shí)間)，

如果n=s/f(s為最大采樣率)，那么t=1/2s

將以上T=1/f，t=1/2s代入，可以推算出

ΔA=1-cos(πf/s)

按上面可計(jì)算得到400KHz正弦信號(hào)對(duì)應(yīng)各種采樣率的幅度誤差計(jì)算結(jié)果如下表，

表1:不同采樣速度對(duì)應(yīng)的信號(hào)幅度測(cè)量誤差(400KHz)

以GB-18182中對(duì)聲發(fā)射檢測(cè)儀的上限頻率400KHz要求為例，采樣率為3MSPS時(shí)，誤差為0.7854dB,對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)中誤差小于1dB的使用要求，有些勉強(qiáng)。

采樣率為5MSPS時(shí)誤差為0.2772dB，完全可滿足GB18182的使用要求。

采樣率為10MSPS時(shí)誤差為0.06876dB。由采樣率帶來(lái)的系統(tǒng)誤差已經(jīng)可以忽略不計(jì)，遠(yuǎn)超出GB18182的使用要求，至于40M采樣率如此高精度，主要用于科學(xué)研究領(lǐng)域，對(duì)一般的檢測(cè)過(guò)度的投入已經(jīng)沒有實(shí)際意義。

考慮到科研應(yīng)用采樣率高可保留更多的原始信息，對(duì)后期的波形FFT、小波、及模式識(shí)別等分析會(huì)有很大幫助，故建議選用10M以上甚至40M采樣率的系統(tǒng)來(lái)滿足分析要求。

4.6.2.2采樣精度選型:

提高采樣精度，可以提高微小信號(hào)的分辨率，降低采集小幅度信號(hào)時(shí)的系統(tǒng)誤差。

16位精度的信號(hào)分辨率為1.53uV，18位精度的信號(hào)分辨率為0.38uV，在有效信號(hào)幅度不同時(shí)，其影響測(cè)量的系統(tǒng)誤差是不同的，詳情可參考下表所示:

表2:不同有效信號(hào)幅度兩種采樣率的測(cè)量系統(tǒng)誤差

對(duì)于一般工程檢測(cè)，信號(hào)門限設(shè)置一般都在40dB左右，對(duì)應(yīng)剛過(guò)門限的小信號(hào)，由表2可以看出，16位系統(tǒng)誤差為0.13dB，而對(duì)于60-70dB的有效信號(hào)，16位系統(tǒng)誤差為0.01dB的水平，完全能夠滿足使用要求。

而18位系統(tǒng)在30dB左右的有效信號(hào)時(shí)，誤差在0.1dB水平，而對(duì)于40dB的有效信號(hào)，18位系統(tǒng)誤差就已經(jīng)縮小到為0.03dB的水平，所以對(duì)于某些特別需要采集30dB左右微弱有效信號(hào)的研究領(lǐng)域，18位系統(tǒng)是和合適的選擇。