聲發(fā)射采集卡

Hit驅動參數(shù)--

1.幅度 Amplitude

2.能量 Energy

3.振鈴計數(shù) Counts

4.持續(xù)時間 Duration

5.RMS信號均方根值

6.ASL平均信號電平

7.上升時間 Rise time

8.峰值計數(shù)Counts to Peak

9.平均頻率Average Frequency

10.回蕩頻率:Reverberation Frequency:(Count-Count to peak)/(duration- rise time)

11. 初始頻率:Initiation (Counts to peak)/(rise time)

12. 信號強度:Signal strength

13. 絕對頻率:Absolute Frequency

14. FFT質(zhì)心:Centroid

15. Partial Power: 在FFT功率譜圖上，給出不同頻率段信號所占的百分比。

此外，Hit驅動的參數(shù)還包括Hit，外參數(shù)輸入，循環(huán)計數(shù)，波形及FFT等。

需要說明的是:上述15個AE特征參數(shù)都是實時采集/分析/處理。并且都是由PXDAQ卡的硬件實現(xiàn)的。

時間驅動參數(shù)--

· RMS

· ASL

· 外參數(shù)輸入 Parametrics

· 循環(huán)計數(shù) Cycle Counter

· 門檻值 Threshold

· 絕對能量 Absolute energy

該功能用于疲勞試驗關聯(lián)載荷循環(huán)過程的AE采集。對于去除來自于裂紋表面的磨擦噪聲，其他磨擦噪聲非常有用。在其他公司的聲發(fā)射卡中，該功能由獨立的硬件來實現(xiàn)(選件)。在PXDAQ系統(tǒng)中，該功能已集成在PXDAQ卡上(非選件)。

PXDAQ系統(tǒng)由于采用標準的PCI總線結構，不但數(shù)據(jù)結果是開放式的，可單獨形成AE特征參數(shù)及波形的ASCII格式。而且還可提供PXDAQ卡的底層開發(fā)環(huán)境即C語言動態(tài)連接庫SDK 及用于LAB VIEW 開發(fā)的驅動程序PCI BOARD LAB VIEW DRIVERS。用戶可根據(jù)不同需要進行硬件編程，開發(fā)出不同需要的實時采集處理系統(tǒng)。而且PXDAQ卡可嵌在其他系統(tǒng)或控制其他硬件構成的綜合采集或控制系統(tǒng)，比如過程控制，柔性加工、綜合診斷/控制系統(tǒng)。

PXDAQ聲發(fā)射卡所處理的信號主要功能如下:

· 通道選擇:

選擇AE通道

· A/D采樣率設置:

· Hit長度設置:

· 門檻值設置:

包括:固定值設置，浮動及智能門檻值設置

· 在線門檻修正:

· 參數(shù)記錄設定(8個外參數(shù)輸入):

· 疲勞循環(huán)計數(shù)設定:

· 帶通濾波設定

這是PXDAQ數(shù)字化聲發(fā)射卡的獨有功能。4個高通包括1KHz, 20KHz，100KHz，200KHz;6個低通包括:100KHz，200KHz，400KHz，1MHz, 2MHz, 3MHz。4個低通與6個高通相互組合可組成19個頻率濾波段。

· Hit驅動的AE特征設置

包括15個特征參數(shù)的設置及采集

· 時間驅動的參數(shù)設置及采集(8個)

· 三個重要的時間參數(shù)HDT、PDT、HLT的設置

· 前端濾波功能(對AE HIT特征)

對每個通道的上升時間，峰值計數(shù)，計數(shù)，能量，持續(xù)時間，幅度，平均頻率等主要AE特征參數(shù)進行數(shù)字化濾波設置。對于不滿足濾波設置要求的信號，將不予采集及處理。該功能對去除噪聲信號或主動采集所關心的AE信號非常有用。

· 波形前端濾波

設置同上，滿足濾波條件的AE波形進行記錄。

· 圖解濾波

在圖形顯示時進行多種數(shù)字濾波處理。

· 報警設置

· 聲頻設置

· 遠程通訊功能

需要說明的是:PXDAQ的帶通濾波功能，前端濾波功能，波形前端濾波功能及PDT、HDT、HLP的選擇設置，是基于幾十年來大量的AE工程應用經(jīng)驗，對于各種環(huán)境下AE應用的噪聲去除及采集所需要的有用AE信號非常有用。此外，增加的浮動門檻設定及智能門檻設定方式大大改進了傳統(tǒng)的固定門檻設定的弊端，對復雜背景噪聲下AE應用很有用。

聲發(fā)射源(缺陷)在外力誘導下發(fā)出一種應力脈沖波即聲發(fā)射信號。這種機械振動波在聲發(fā)射源所在材料中傳播。當機械波傳播到材料表面時，聲發(fā)射傳感器接收聲發(fā)射信號，并將機械信號轉換為電信號后通過與之相連的前置放大器放大后送到采集卡上，采集卡再將其轉換為數(shù)字信號。聲發(fā)射特征參數(shù)都是通過采集卡上的可編程閘門陣列提取的，與采集的波形數(shù)據(jù)同時存儲在采集卡上的瞬時存儲器中?？刂破髂軓牟杉ㄉ系乃矔r存儲器上讀取波形數(shù)據(jù)到計算機硬盤上的瞬時數(shù)據(jù)文件中。這一過程就是數(shù)據(jù)的傳輸過程，傳輸速率高低對系統(tǒng)的性能至關重要。

聲發(fā)射系統(tǒng)是由多個平行的檢測通道構成的聲發(fā)射系統(tǒng)。每一通道均是由類似的測量部件、信號數(shù)字處理程序及計算程序，即功能強大的計算機，再配以完整的外圍部件組成。此處所指系統(tǒng)的每一通道測量部件包括聲發(fā)射傳感器、前置放大器及采集卡。

基于PCI專用數(shù)據(jù)采集卡的聲發(fā)射系統(tǒng)的聲發(fā)射采集卡是通過PCI總線與計算機相連的，并且與計算機系統(tǒng)共用一個機箱、通過計算機電源給其供電。

PCI聲發(fā)射系統(tǒng)的采集卡直接插在計算機系統(tǒng)機箱中，通過PCI總線與計算機連接，并且通過其電源供電，再配以基本的傳感器和前置放大器，如圖2，就組成了PCI聲發(fā)射系統(tǒng)。其關鍵點在:采集卡直接插在計算機系統(tǒng)機箱中的PCI插槽上，通過PCI總線與計算機連接，由計算機系統(tǒng)供電，高度集成，結構相對簡單，節(jié)約了硬件成本。

2.1 基于USB2.0數(shù)據(jù)采集卡的聲發(fā)射系統(tǒng)組成

基于USB2.0專用數(shù)據(jù)采集卡的聲發(fā)射系統(tǒng)的聲發(fā)射采集卡是插在一個專用的聲發(fā)射采集機箱中，機箱的USB2.0端口再與計算機的USB口相連，并且USB2.0聲發(fā)射機箱有獨立供電系統(tǒng)。

USB2.0聲發(fā)射系統(tǒng)的采集卡插在專用的聲發(fā)射采集機箱中，有獨立的供電系統(tǒng)，通過USB連線與計算機連接，再配以基本的傳感器和前置放大器，如圖3，就組成了USB2.0聲發(fā)射系統(tǒng)。其關鍵點在:采集卡內(nèi)置于專用的機箱中、獨立供電，只需通過USB連線便可與任意計算機相連，采集機箱攜帶方便，系統(tǒng)安裝簡單，降低了對計算機系統(tǒng)的要求。 3 USB2.0聲發(fā)射系統(tǒng)與PCI聲發(fā)射系統(tǒng)的對比在2和3部分簡單的介紹了PCI聲發(fā)射系統(tǒng)與USB2.0聲發(fā)射系統(tǒng)的結構結構與設計區(qū)別，二者的基本原理及基本構成都是相同的，最大的區(qū)別在于采集卡與計算機是否"集成"、通訊方式及采集卡供電形式的不同，前者的采集卡與計算機共用機箱、通過PCI總線與計算機連接、通過計算機系統(tǒng)供電，后者的采集卡具有獨立機箱、通過USB2.0實現(xiàn)與計算機的連接、獨立供電。同時USB2.0聲發(fā)射系統(tǒng)通過采集卡軟、硬件技術的改進，使其有了比PCI聲發(fā)射系統(tǒng)更優(yōu)越的性能，突出表現(xiàn)在海量數(shù)據(jù)的通信和存儲、更弱小信號的采集、更好的穩(wěn)定性、更好的便攜性及堅固性等方面。下面對兩個系統(tǒng)的主要幾方面的性能作出對比。 3.1 數(shù)據(jù)傳輸速率為充分滿足現(xiàn)場和實驗室的各種應用要求(波形采集分析為基礎和或參數(shù)采集分析為基礎)，聲發(fā)射系統(tǒng)需能夠實時采集和顯示聲發(fā)射信號波形和參數(shù)。如果可以采集、記錄盡量完全的聲發(fā)射原始波形數(shù)據(jù)，使用者就可以根據(jù)需要應用各種信號分析處理工具進行后續(xù)深入信號分析，包括定義更有針對性的聲發(fā)射參數(shù)等，從而聲發(fā)射系統(tǒng)就可以滿足更多的應用場合。但聲發(fā)射信號的波形數(shù)據(jù)是海量的，計算機是否能記錄更多的聲發(fā)射波形數(shù)據(jù)，基本取決于數(shù)據(jù)從采集卡到計算機的實際傳輸速率，因此，提高傳輸速率就成了提高聲發(fā)射系統(tǒng)性能的一個關鍵。一、用"聲發(fā)射卡專用測試軟件1.2"測試USB2.0聲發(fā)射系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸速率測試目的測試理想狀態(tài)下USB2.0聲發(fā)射系統(tǒng)安裝不同數(shù)量采集卡時數(shù)據(jù)傳輸速率。測試環(huán)境測試用計算機:HP V3000，雙核1.73G CPU，2G內(nèi)存操作系統(tǒng):WindowsXPSP2測試軟件:聲發(fā)射卡專用測試軟件1.2測試時計算機系統(tǒng)情況:關閉系統(tǒng)中其他所有應用軟件聲發(fā)射采集系統(tǒng):SAEU2S-10 USB2.0采集機箱，220V DC 電源供電，插1-5塊USB2.0專用數(shù)據(jù)采集卡測試過程所有采集通道短接采集機箱通過USB連線與計算機連接測試軟件設置:直通分別在測試采集機箱中插1塊采集卡、2塊采集卡、3塊采集卡、4塊采集卡和5塊采集卡時系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率記錄結果結果記錄表1 理想狀態(tài)下USB2.0聲發(fā)射系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸速率采集卡數(shù)量(塊)12345系統(tǒng)傳輸速率(MB/sec)31.3031.2931.3230.9727.17測試結論通過以上結果可以看出，理想狀態(tài)下USB2.0聲發(fā)射系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸速率可超過31MB/sec，并且當采集卡超過4塊時，系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸速率受到采集卡數(shù)量增加的影響，較明顯降低。二、用"USB2.0聲發(fā)射專用采集軟件SAERT"測試USB2.0聲發(fā)射系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸速率

測試目的

測試在擬應用狀態(tài)下USB2.0聲發(fā)射系統(tǒng)最大數(shù)據(jù)傳輸速率。

測試環(huán)境

測試用計算機:Dell VOSTRO1400標配操作系統(tǒng):WindowsXPSP2測試軟件:USB2.0聲發(fā)射系統(tǒng)專用采集軟件SAERT測試時計算機系統(tǒng)情況:關閉系統(tǒng)中其他所有應用軟件模擬信號:Agilent 33220A信號發(fā)生器output端口連接SR150M傳感器耦合到鋼板聲發(fā)射采集系統(tǒng):SAEU2S-10 USB2.0采集機箱，220V DC 電源供電，插2塊USB2.0專用數(shù)據(jù)采集卡，共4通道，各通道連接PAⅠ前置放大器，SR150M傳感器

測試過程

USB2.0采集機箱裝兩塊USB2.0專用采集卡，共4個通道，分別連接PA Ⅰ前置放大器及SR150M傳感器，傳感器耦合到鋼板上采集機箱通過USB連線與計算機連接信號發(fā)生器output端口連接SR150M傳感器，傳感器耦合到鋼板上，且距離其他四個與采集卡連接的傳感器約10cm 調(diào)節(jié)信號發(fā)生器輸出150Hz，3.0v正弦信號設置USB2.0聲發(fā)射系統(tǒng)專用采集軟件SAERT

測波形傳輸速率時:

板卡參數(shù)設置

采集卡選擇:1#和2#

板卡設置:

采樣頻率:10MHz

采樣長度(點數(shù)):見"結果記錄"(不同采樣長度各采集一次)

參數(shù)間隔:2000

閉鎖時間:2000

觸發(fā)模式:內(nèi)觸發(fā)

文件存儲設置

不保存采樣文件

通道參數(shù)

波形門限:40dB

前放增益:40dB

功能選擇:波形

濾 波 器:100-400KHz

測參數(shù)傳輸速率時:

板卡參數(shù)設置

板卡選擇:1#和2#

板卡設置:

采樣頻率:10MHz

采樣長度(點數(shù)):2048

參數(shù)間隔:0

閉鎖時間:0

觸發(fā)模式:內(nèi)觸發(fā)

文件存儲設置

不保存采樣文件

通道參數(shù):

參數(shù)門限:40dB

前放增益:40dB

功能選擇:參數(shù)

濾波器:100-400KHz

采集波形數(shù)據(jù)各種采樣長度分別采集約30sec;采集參數(shù)數(shù)據(jù)，同種設置重復采集6次，每次約10sec，記錄測試結果

結果記錄

表2 不同采樣長度時四通道USB2.0聲發(fā)射系統(tǒng)波形連續(xù)傳輸速率

注:1個采樣點=2Byte

表3 四通道USB2.0聲發(fā)射系統(tǒng)參數(shù)傳輸速率

測試結論

通過以上結果可以看出，擬應用狀態(tài)下USB2.0聲發(fā)射系統(tǒng)的波形數(shù)據(jù)連續(xù)傳輸速率可超過28MB/sec，參數(shù)連續(xù)傳輸速率可超過14萬組/sec，且波形數(shù)據(jù)連續(xù)傳輸速率受所設采樣長度影響，總的來看采樣長度設置較大時，波形數(shù)據(jù)連續(xù)傳輸速率較高。這個測試結果已明顯高于我公司現(xiàn)有的PCI聲發(fā)射系統(tǒng)，其最大可提供10MB/sec的波形數(shù)據(jù)連續(xù)傳輸速率，4萬組/sec的參數(shù)連續(xù)傳輸速率。也顯著優(yōu)于目前市場上能看到的PCI板卡式的聲發(fā)射儀所宣稱的最高波形數(shù)據(jù)通過率10Msample/s相當于20MB/s和最高聲發(fā)射參數(shù)的通過率是4萬組/s。

通過以上測試得出，USB2.0聲發(fā)射系統(tǒng)有比PCI聲發(fā)射系統(tǒng)更好的連續(xù)數(shù)據(jù)傳輸速率，可將采集數(shù)據(jù)丟失比例降到更低，尤其適用于超多通道的聲發(fā)射系統(tǒng)的海量波形及特征參數(shù)的采集。

聲發(fā)射系統(tǒng)性能提高的另一個關鍵是解決對弱小信號的采集問題。由于聲發(fā)射系統(tǒng)自身噪聲使得一些缺陷如腐蝕等活動產(chǎn)生的弱小信號無法從噪聲信號中分離，因此不斷降低系統(tǒng)噪聲成了提高聲發(fā)射系統(tǒng)性能及應用范圍的另一個關鍵，而聲華公司最新研制的基于USB2.0專用數(shù)據(jù)采集卡的聲發(fā)射系統(tǒng)在這一問題上有了新的突破，主要表現(xiàn)在USB2.0專用采集卡及專用機箱的噪聲測試結果上。

用"USB2.0聲發(fā)射專用采集軟件SAERT"測試USB2.0專用采集卡及專用機箱的噪聲:

測試目的

測試USB2.0專用采集卡及專用機箱的噪聲。

測試環(huán)境

測試用計算機:Dell VOSTRO1400標配操作系統(tǒng):WindowsXPSP2測試軟件:USB2.0聲發(fā)射系統(tǒng)專用采集軟件SAERT測試時計算機系統(tǒng)情況:關閉系統(tǒng)中其他所有應用軟件聲發(fā)射采集系統(tǒng):USB2.0采集機箱，220V DC 電源供電，插2塊USB2.0專用數(shù)據(jù)采集卡，共4通道，全部短接

測試過程

USB2.0采集機箱裝兩塊USB2.0專用采集卡，共4個通道，全部短接采集機箱通過USB連線與計算機連接設置USB2.0聲發(fā)射系統(tǒng)專用采集軟件SAERT如下

板卡參數(shù)設置

采集卡選擇:1#和2#

板卡設置:

采樣頻率:10MHz

采樣長度(點數(shù)):2048

參數(shù)間隔:2000

閉鎖時間:2000

觸發(fā)模式:內(nèi)觸發(fā)

文件存儲設置

不保存采樣文件

通道參數(shù)

參數(shù)門限:10dB、8dB(各采集一次)

前放增益:40dB

功能選擇:參數(shù)

濾 波 器:100-400KHz

采集參數(shù)數(shù)據(jù)，記錄測試結果

結果記錄

參數(shù)門限設為10dB時，參數(shù)表中無任何參數(shù)出現(xiàn)。

參數(shù)門限設為9dB時，參數(shù)表中幅值均顯示為9.7dB。

測試結論

通過以上結果可以看出，USB2.0聲發(fā)射專用采集卡及機箱的噪聲小于10dB，不足以觸發(fā)參數(shù)門限設為10dB時系統(tǒng)采集信號，而能觸發(fā)參數(shù)門限設為9dB時系統(tǒng)采集信號，說明USB2.0聲發(fā)射采集卡及機箱的噪聲在9-10dB范圍之內(nèi)。

之前PCI聲發(fā)射系統(tǒng)采集卡及機箱噪聲為24dB，遠遠高于USB2.0聲發(fā)射采集卡及機箱小于10dB的噪聲水平。分析原因在于后者采用了專用的采集機箱，并且機箱為金屬外殼，具有很好的屏蔽性，再加上獨立的供電系統(tǒng)，從而大大減少了來自計算機系統(tǒng)等的噪聲干擾及電磁干擾。

PCI聲發(fā)射系統(tǒng)與USB聲發(fā)射系統(tǒng)的采集卡的裝配形式有了較大的改變，使USB2.0聲發(fā)射系統(tǒng)具有比PCI聲發(fā)射系統(tǒng)更好的便攜性、穩(wěn)定性及堅固性。

PCI聲發(fā)射系統(tǒng)的采集卡直接插在計算機系統(tǒng)的PCI插槽上，通過PCI總線連接與計算機的處理系統(tǒng)置于同一個機箱中，并且由同一個電源系統(tǒng)供電。因此配置聲發(fā)射系統(tǒng)時要根據(jù)通道數(shù)要選擇不同類型計算機及選配不同電源，超多通道時需選配大型工控機系統(tǒng)，便攜性降低，并且由于計算機故障導致整個聲發(fā)射系統(tǒng)故障的比例較高，而計算機替換又困難，另外，系統(tǒng)會受計算機電磁干擾及發(fā)熱影響，致使抗干擾能力和穩(wěn)定性大大降低。

而USB2.0聲發(fā)射系統(tǒng)采集卡安裝在獨立金屬機箱中，只需通過USB連線便可實現(xiàn)與任意計算機通訊，這樣就可避免來自于計算機系統(tǒng)的電磁干擾，還能使采集卡不受計算機系統(tǒng)發(fā)熱影響，使整個系統(tǒng)具有更出色的抗干擾能力及穩(wěn)定性，且獨立機箱便于攜帶，獨立供電系統(tǒng)使之不需要根據(jù)通道數(shù)選擇計算機，對計算機的要求相對降低，可替換性也增強，從而減少因計算機故障導致系統(tǒng)故障帶來的不便，也使用戶可充分利用已有的計算機，節(jié)約資源。

USB聲發(fā)射系統(tǒng)除上述幾種性能優(yōu)勢外，還因硬件和軟件的其他相應改進使其有了比PCI聲發(fā)射系統(tǒng)更優(yōu)越的性能，如USB2.0聲發(fā)射采集卡增加了10種可選濾波器，方便用戶根據(jù)實際情況選擇需要的信號頻率范圍;增加外參采集功能，最多可達12通道;系統(tǒng)增加了數(shù)據(jù)觸發(fā)指示燈，使用戶可更直觀地獲知各通道的信號觸發(fā)情況;動態(tài)范圍擴大到了90dB，適合更多不同幅度信號的采集;增加了預/后采樣功能;軟件增加了FFT、小波變換、神經(jīng)網(wǎng)絡等數(shù)據(jù)分析功能，方便對波形實時與事后傅立葉變換(FFT)做頻譜分析、小波分析(wavelet)、神經(jīng)網(wǎng)絡(NN)模式識別;指定波形或參數(shù)可以單獨保存為一個數(shù)據(jù)文件，便于用戶有選擇的回放。