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声发射检测仪

归档日期:07-12       文本归类:发射法      文章编辑:爱尚语录

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  声发射检测仪由传感器、前置放大器、数据采集处理系统和记录分析显示系统4个部分组成

  拾取声发射信号并测量其表征参数的仪器。一般指单通道、两通道的声发射测量仪器。

  机械工程(一级学科),试验机(二级学科),无损检测仪器-声发射检测仪器(三级学科)

  声发射检测仪由传感器、前置放大器、数据采集处理系统和记录分析显示系统4个部分组成。声发射检测仪原理如图4.1-1,声发射仪器中传感器接收采集来自声发射源的声波信号即声发射信号,经前置放大器放大后,并由信号采集采集处理系统对声发射信号做处理后,由记录显示系统进行记录分析显示达到检测声发射源的目的。所有的声发射仪器都有这4个部分,只是有些会合并某几部分在一起,例如内置放大器的声发射传感器,集放大器、数据采集处理和记录分析显示于一体的手持声发射仪等。下面按这4个部分分别具体介绍。

  4.1.1传感器的作用是转变接收到的声发射的声信号成为声发射的电信号。

  4.1.2与传感器连接的放大器通常称作前置放大器,其主要作用是将传感器输出的微弱驱动能力的声发射电信号放大或驱动能力提高成为能远距离传输被数据采集系统接收的声发射电信号。前置放大器也常具有模拟信号滤波器的功能和发射标定声发射信号的功能。根据图4.1中数据采集处理系统的形式需要,前置放大器可以有内置于传感器内和内置于数据采集系统如无线声发射采集模块/手持声发射系统等,也可独立外置于传感器和数据采集系统之间由电缆连接。

  4.1.3数据采集处理系统一般会集成多个采集卡,每个采集卡会有多个独立通道,采集卡根据采样频率通常会有40MHz、10MHz、5MHz等不同的型号、采样精度用常会有18bit、16bit等不同的型号。

  4.1.4记录分析显示系统通常由电脑加专用声发射软件组成,电脑选用包括笔记本电脑和台式机。

  数据采集处理系统是变化发展较快部分,也是决定声发射仪器主要功能性能的部分。声发射仪器也主要按声发射仪器中的数据采集处理系统的结构和内容来进行分类。

  4.2.1按声发射检测仪器的数据采集处理系统与记录分析显示系统之间的通讯架构来分类

  在上世纪,声发射检测仪引入计算机技术后不久,PCI接口的声发射检测仪立即成为主流架构。这种结构的一种方式是,将声发射采集卡直接插在电脑主板的PCI插槽上,在台式机为主流的时期,使仪器有较好的集成度。其另一种方式是采用PCI总线扩展连线,将声发射采集卡插在有独立机箱扩展PCI板上,这样可以解决电脑本身PCI插槽不足问题。

  自从2007年开发出出了世界第一台USB2.0通讯的多通道数字声发射系统后,USB2.0多通道数字声发射仪因为实测数据通过率的提高,可直接连接笔记本电脑的方便性,通道数不受计算机箱内插槽数的限制,目前已经取代了一定数量的原台式计算机插槽PCI架构的声发射仪,已经成为多通道数字声发射仪的主要通讯接口和各厂商的未来技术发展方向。

  将数据采集处理装置与电脑用网络接口连接,基于TCP/IP协议进行数据通讯,可以实现数据采集处理装置与电脑任何距离的连接,连接部件采用市场通用的五类双绞线,网络交换机,光纤,光端机等

  基于网络接口数据通讯方式,数据采集前移至传感器甚至与传感器一体化形成智能数字化传感器的系统将会得到更多的应用,以满足采用网络/无线/光纤等数据通讯传输的需要,也满足分布式远距离遥控遥测的应用需求。

  无线声发射仪的特点是不用拖拽长电缆,无线通讯距离通常都达数公里,而有线电缆声发射仪安装电缆工作繁重而且电缆长度通常只能允许50米或最大也就百米之内。这使得无线声发射仪成为转动装置、桥梁、风电、矿山设备、土木地质检测等不能采用有线电缆声发射仪的唯一声发射应用的选择,也成为传统有线电缆声发射应用但数据量不大希望免除安装电缆繁琐工作的选择。无线声发射仪目前数据通过率低只有每秒几千数万声发射撞击参数组/每秒,远远低于目前有线电缆声发射仪的数十万声发射撞击数/每秒,这使得很多数据量大且不允许数据丢失的场合不能使用无线声发射仪。另外目前无线声发射仪的时差测量由GPS信号完成要求良好GPS信号条件也限制了部分要求无GPS信号条件时也能做时差定位功能的无线采用zigbee无线Kbps,由于带宽的限制,一般用于单通道的无线按通道之间连接架构分类

  单通道手持声发射仪器是将前置放大器、采集卡、电脑等所有部件集成到一个机壳内,便于携带与手持操作,电池供电,成为用于阀门泄漏、故障诊断等的快速诊断专用声发射仪器。

  集中式声发射检测仪器的架构是将所有的采集卡集中插在一个主板或几个有同步关系的主板上,是目前各厂家的主要仪器架构,很多声发射应用都要求检测的区域较大需要多个声发射传感器才能满足,因此多通道声发射仪仍是很多声发射应用的最主要的选择。

  分布式声发射检测仪是由多个独立的单通道声发射采集器与计算机组成多通道实时声发射采集系统,是由无线多通道声发射采集系统演变而来。多个独立的声发射采集器通过有线及无线网络交换机及远程Wi-Fi或LAN与计算机建立通讯连接,组成一个多通道采集系统。按照PC机软件设置的条件对声发射数据进行采集,将数据传输给至距远程的监控端PC机,每个采集器之间的数据时间同步通过接收GPS时间或连线数据采集处理系统的处理功能分类

  处理功能两大主要类型是数字声发射仪器及全波形声发射仪器,其主要的差别在于声发射参数是数据采集系统硬件产生还是上位机计算机的软件产生。数字信号处理是声发射数据采集系统与通用数据采集系统差异最大的部分,其功能是在大数据量的数字声发射波形信号基础上计算处理提取出小数据量的幅度、计数、持续时间等声发射参数,通常数据量的减少可达到数千数万倍。除声发射参数产生功能外,数字信号处理还可以提供实时连续数字滤波器、频谱分析、波形前后采样、门限触发等功能,极大地提高了声发射检测的能力。

  大多数实际声发射应用都要求不允许任一时间段的信号丢失,例如裂纹开裂瞬间信号丢失就是漏检等。普通计算机与数据采集系统的数据通过率尚不能满足声发射信号大数据量波形数据传输的不丢失要求。为了保证时间段数据不丢失,数字声发射仪器的声发射参数是硬件产生的,数据采集单元对大数据量波形数据进行连续实时信号处理,提取转换成为小数据量的声发射参数数据后再传送到计算机,这种数据压缩的方式,保证了任何时间段信号不丢失都有信息

  采样速度为10M,采样精度16位,通道数4,则波形数据量为10MHz×4通道 × 16位=640Mbit/s,对于带宽为133Mbit/s的PCI总线接口,这个数据量都已经超过通过率的极限,波形全部上传必然产生数据丢失。特别是PCI总线,还必须满足网络、硬盘控制卡之类的带宽占用,实际数据采集系统的数据通过率更是远小于理论数据通过率。

  波形数据产生参数的原理和数据量减少的原理是将数字波形信号转换成数字波形包络,再进而用幅度、持续时间、上升时间,到达时间等这个包络的声发射参数表达来描述声发射信号来代替用数字波形描述声发射信号。声发射撞击的特征参数持续时间比较典型的都在0.1-2mS水平,每通道的撞击频率最大不会超过10KHz,通过将每个撞击波形用提炼出的参数来替代,4通道的采集仪在声发射信号大数据量条件下,参数生成不会超过40KHz,而每个撞击的参数一般不会超过100字节(800bit),这样4通道的采集系统的参数数据最多占用32Mbit/s的带宽,数据量压缩为原来波形数据的1/20,数据基本不会丢失。对于大多数大型构件工程应用,撞击的频率会呈几何级数降低,数据压缩的比例会进一步增加到1/1000的水平,这样就保证了采集系统的通道数即使增加到100通道以上,也不用担心数据传输的丢失。由于保证不漏检是大多数声发射应用的必要要求,因此目前市场上绝大多数商业声发射仪器都是这种采用硬件方式产生声发射参数的数字声发射仪。

  全波形声发射仪是采用通用数据采集装置先传送波形数据到计算机,然后再由计算机软件产生声发射参数(幅度等)。

  4.2.3.2.1这种方式参数(幅度等)的产生要求大数据量的波形数据先送到计算机,目前显然会受计算机通讯能力瓶颈的限制,不适用多通道高采样率的应用情况。对于数据量大又不允许丢失数据的声发射应用场合例如压力容器等大型工程结构的声发射检测,在某个特定的瞬间有可能会产生突发大量声发射事件,在这种情况下全波形系统不能保证数据的完整性,会有数据丢失的可能。目前主要仪器厂商的仪器只能做到保全5M采样率16位精度2通道的数据不丢失。

  4.2.3.2.2全波形采集遇到的另外一个瓶颈是硬盘的容量。对于USB2.0架构声发射仪40MB/s的上传速率,每小时会产生160GB的数据量,1TB的主流硬盘会在6个小时内被填满,而且数据回放过程也会需要如此漫长的等待,如果在回放过程附加数据处理的功能,过程会更长一些,工作效率会可能因此降低。

  4.2.3.2.3全波形采集遇到的另外一个瓶颈是硬盘的存取速度。目前主流串口硬盘的存取速度在40-50MB/s,与USB2.0接口的速度相当。这就限制了采用更新技术USB3.0接口的可行性,USB3.0接口的速度虽然已经达到5Gbit/s(640MB/s),但如此大的数据量上传后,不能及时存入硬盘,数据的无序丢失是无法避免的。

  4.2.3.2.4全波形声发射仪可采用通用数据采集卡结构简单,价格低廉,是数据量小或容许丢失数据情况的选择。除价格低廉优点外,全波形声发射仪还有存储了全部波形数据可做深入全面波形分析的可能性和声发射参数可以试验后改变参数产生条件如改变更低的门限改变参数定义时间HDT等再次产生的优点。随着计算机通讯能力的提高,全波形声发射仪的应用仍然有增长甚至成为主流仪器的可能性。

  多通道标准声发射检测仪器,各领域都能应用,但需要操作人有使用经验并自行设置采集及分析显示条件,一般用于定期检测,检测完成后仪器会撤出检测现场。

  一般都是定制的专用声发射检测系统,专用传感器、专用信号处理方法、专用遥测要求组网要求等特殊专用需要。

  主要用于工业过程的控制与报警,声发射检测系统一旦安装完成,将不再拆除,会与被检测目标一起长期24小时连续工作。

  系统应用前需要做判定依据与条件的分析,一旦应用采集设置及分析显示条件被固化,

  多通道声发射系统的软件按数据类型来说可分为两大类:基于参数数据的分析软件和基于波形数据的分析软件。按分析内容划分可分为特征分析、定位分析和模式识别。

  参数分析软件的输入数据是参数,其特征分析主要是各种参数关联图分析如幅度分布、撞击数在时间的分布等。定位分析有多种不同的定位方法,如线性定位、平面定位、三维定位、三角形定位、矩形定位区域定位等。模式识别有两大类:有教师训练和无教师训练。

  波形分析软件的输入数据是波形数据,其特征分析主要是各种波形数据的时域和频域分析如小波分析频谱分析等。由于波形数据可以产生参数数据并可任意设置产生参数的条件如门槛电压撞击定义时间等甚至设计新的参数,因此波形分析软件可以包括所有参数分析的功能并具有更大的灵活性。

  多通道数字声发射仪的功能结构框图。主要由多个通道的采集卡,主板,电源,外接参数等模块组成。多路采集卡同步采集,独立处理各通道的波形与参数,在通过主板上通讯接口上传到电脑。各声发射采集卡之间有时钟同步功能,可以实现误差小于1uS的时间同步,这样就为多通道信号时差定位打好了基础。

  采集开始前,电脑软件将用户录入的采集设置数据传送给每个采集卡,这些设置主要包括波形的采样频率、采样长度,参数生成依据(触发门限,HDT,HLT等)。

  采集卡采集到的数据按次序通过通讯接口上传到电脑,电脑中的分析软件完成同步存储与分析

  模拟信号调理电路功能是通过信号放大、缩小、阻抗变换、滤波使前置放大器输入的模拟信号调理成为模数转换电路能输入的信号。

  随着无线数据通讯技术的发展,达到实际应用要求的通用无线声发射仪已经在市场上出现,在某些特殊领域正在取代越来越多的有线电缆声发射仪,呈现出类似无线手机取代有线座机,无线应变仪取代有线应变仪的发展趋势。

  WiFi无线数据通讯的技术指标已达到无线Mbps,传输距离超过10公里,能满足大多数声发射应用的要求。随着3数据流及4数据流WiFi的实现,传输速度技术指标还在不断的被刷新为450 Mbps及 600 Mbps,新的更高指标的无线声发射仪也会不断出现。

  无线声发射仪可采用GPS授时技术实现高精度无线多通道同时钟数据采集从而实现时差定位的功能。

  声发射仪的技术指标就是量化衡量判断声发射仪能力的指标。声发射仪的能力就是声发射信号采集和声发射信号处理分析显示的功能。好的声发射仪获得声发射信号的能力强丢失少甚至无丢失,获得的信号失真小,信号分析处理显示功能强大实用操作方便。获得声发射信号的能力可以用信号采样精度、最大采样速度、数据通过率、最小信号水平、最大信号水平、信号频率范围等技术指标来表示。信号分析处理显示能力可以用滤波器指标,参数种类数量,参数数据分析和波形数据的分析方法种类数量等来表示。

  最大通道数决定能检测结构的大小,通道数少只能检测小容器,通道数多可检测很大的容器等

  每秒连续实时能被接收到的声发射撞击参数组的数量(Hit Number),

  声发射检测仪的信号数据处理速度瓶颈目前在于采集卡与电脑之间的通讯通过率,参数通过率不足情况数据会有丢失。

  声发射检测仪的信号数据处理速度瓶颈目前在于采集卡与电脑之间的通讯通过率,参波形通过率不足情况数据会有丢失。

  最大采样速率越高,在时间方向刻度越细,所采波形数据失真误差越小,包括幅度失真。采样速率对高频信号影响较大

  精度越高,波形信号在幅度方向的刻度越细,信号失真越小。精度对于信号幅度大的情况影响较大。

  整个声发射仪的系统噪声水平与主机、前置放大器传感器均有关。噪声水平的高低决定了系统可采集的最小有效信号水平

  越大越好,信号的最大不失真幅度与最小可检出信号之间的范围,最小有效信号通常与噪声水平相当

  对于通用仪器,频率范围越宽应用范围越广,适合未知信号的前期分析。 但对于特定已知情况的应用,常常使用滤波器来限制带宽范围,以达到滤除噪声的目的

  带内与带外幅度的比值越大,表明滤波效果越好。可选择频带的数量越多,使用越方便。对于数字电路实现的信号滤波器,可自由设置滤波器频率窗口,带通或带阻等,可选择频带的数量无上限,阶数越高滤波效果越好,

  除上述主要基本技术指标外,还有声发射参数种类数量、定位分析、参数分析、小波分析等常用声发射技术性能指标和功能,未在此具体罗列。

  从前置放大器到多通道数字声发射检测仪主机即数字采集系统,往往需要很长的信号传输线和前置放大器的供电电缆,通常采用同轴电缆完成信号传输和前放供电还有探头标定信号的传输这三个任务。同轴电缆主要用于视频通讯领域,主要有50欧和75欧两种。声发射仪器多使用阻抗50欧的同轴电缆,电缆的长度一般选择在100米以内。

  传感器输出的信号的电压水平为微伏数量级,这样微弱的信号,若经过长距离的传输,信噪比必然要降低。靠近传感器设置前置放大器,将信号提到一定程度,常用有34、40到60分贝,再经过高频同轴电缆传输给信号的处理单元。前放的输入是传感器输出的模拟信号,输出是放大后的模拟信号,前放是模拟电路。

  传感器的输出阻抗比较高,前置放大器需要具有阻抗匹配和变换的功能。有时传感器的输出信号过大,要求前置放大器具有抗电冲击的保护能力和阻塞现象的恢复能力。并且具有比较大的输出动态范围。

  前置放大器的一个主要技术指标是噪声电平,一般应小于10微伏。有些特殊用途的前置放大器,噪声电平应小于2微伏。

  对于单端传感器要配用单端输入前置放大器,对于差动传感器要配用差动输入前置放大器,后者比前者具有一定的抗共模干扰能力。

  在声发射系统中,前置放大器占有重要的地位,整个系统的噪声由前置放大器的性能所左右。前置放大器在整个系统中的作用就是要提高信噪比,要有高增益和低噪声的性能。除此以外,还要有具有调节方便,一致性好,体积小等优点。此外,由于声发射检测通常在强的机械噪声(频带通常低于50KHz)、液体噪声(通常100KHz~1MHz)和电气噪声的环境中进行,因此前放还应具有一定的强抗干扰能力和排除噪声的能力。

  前置放大器也可与传感器组成一体化的带前置放大器的传感器,即将前置放大器置入传感器外壳内,通常需要设计体积小的前置放大器电路。

  在声发射检测仪器中,为了获得高质量的数据,避免噪声的影响,在整个系统的适当位置插入滤波器。可以有滤波器的位置有前置放大器,模数转换前的调理电路,模数转换后的数字信号处理电路和PC计算机的软件滤波器。滤波器的工作频率是根据环境噪声(多数低于50千赫)及材料本身声发射信号的频率特性来确定,通常在60到500千赫范围内选择。若采用带通滤波器在确定工作频率f后,需要确定频率窗口的宽度,即相对宽度Δf/f。若Δf/f太宽易于引入外界噪声,失去了滤波作用;若Δf/f太窄,检测到的声发射信号太少,降低了检测灵敏度。因此,一般采用Δf=+0.1f到+0.2f。此外,在确定滤波器的工作频率时,应注意滤波器的通频带要与传感器的谐振频率相匹配。滤波器可采用有源滤波器,也可采用无源滤波器。

  多组高通与低通相互组合,用户可通过软件选择,实现对波形实时连续滤波,并利用滤波重构后的波形生成声发射特征参数。

  可任意设置频率窗口,任选带通、带阻、高通、低通等滤波方式,与采集卡现有的模拟滤波可联合使用,滤波阻带衰减可累加增强滤波效果。实现对波形实时连续数字滤波,并利用滤波重构后的波形生成声发射特征参数。

  事后分析可灵活使用,可任意设置频率窗口,任选带通、带阻、高通、低通等滤波方式,使用结果不影响已生成的参数

  传感器信号线用于连接传感器与前置放大器,一般采用屏蔽良好的同轴电缆。由于传感器的信号输出非常微弱且阻抗很高,信号在传输过程中非常容易受到来自外界电磁信号的干扰。通过尽量缩短传感器信号线的长度来降低干扰是主要方法,一般信号线米左右。

  传感器信号线的另一个重要技术指标是电容量,这个电容量会影响传感器的输出阻抗,从而对前置放大器的增益精度产生影响。

  通道数的选择直接影响传感器的间距,而传感器的间距会影响声发射信号的衰减量,为保证声发射信号的有效接收形成定位,衰减量必须在可控的范围内,表中的推荐方案是大多数情况下可有效检测的推荐配置。由于声发射信号的衰减还受到被测物材质、板厚、温度、信号频率的影响,表中“最佳效果方案”可以保证在有导致衰减增加的恶劣情况出现时也能正常检测。如果被测物的信号衰减较小,“最经济方案”推荐的通道数是有可能正常使用的。

  不同采样速度对应的信号幅度测量误差会有一定差别,以2M采样率与4M采样率为例,对于400KHz的正弦波信号,下图第一个周期为10倍频率即4M采样率下重构波形(蓝色),右侧周期为2M采样率下的重构波形(红色),可以很明显看出理论最大误差的区别。

  按上面可计算得到400KHz正弦信号对应各种采样率的幅度误差计算结果如下表,

  以GB-18182中对声发射检测仪的上限频率400KHz要求为例,采样率为3MSPS时,误差为0.7854dB,对于标准中误差小于1dB的使用要求,有些勉强。

  采样率为5MSPS时误差为0.2772dB,完全可满足GB18182的使用要求。

  采样率为10MSPS时误差为0.06876dB。由采样率带来的系统误差已经可以忽略不计,远超出GB18182的使用要求,至于40M采样率如此高精度,主要用于科学研究领域,对一般的检测过度的投入已经没有实际意义。

  考虑到科研应用采样率高可保留更多的原始信息,对后期的波形FFT、小波、及模式识别等分析会有很大帮助,故建议选用10M以上甚至40M采样率的系统来满足分析要求。

  提高采样精度,可以提高微小信号的分辨率,降低采集小幅度信号时的系统误差。

  16位精度的信号分辨率为1.53uV,18位精度的信号分辨率为0.38uV,在有效信号幅度不同时,其影响测量的系统误差是不同的,详情可参考下表所示:

  对于一般工程检测,信号门限设置一般都在40dB左右,对应刚过门限的小信号,由表2可以看出,16位系统误差为0.13dB,而对于60-70dB的有效信号,16位系统误差为0.01dB的水平,完全能够满足使用要求。

  而18位系统在30dB左右的有效信号时,误差在0.1dB水平,而对于40dB的有效信号,18位系统误差就已经缩小到为0.03dB的水平,所以对于某些特别需要采集30dB左右微弱有效信号的研究领域,18位系统是和合适的选择。

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