聲發射檢測儀

4.1聲發射檢測儀器的組成

聲發射檢測儀由感測器、前置放大器、數據採集處理系統和記錄分析顯示系統4個部分組成。聲發射檢測儀原理如圖4.1-1，聲發射儀器中感測器接收採集來自聲發射源的聲波信號即聲發射信號，經前置放大器放大后，並由信號採集採集處理系統對聲發射信號做處理后，由記錄顯示系統進行記錄分析顯示達到檢測聲發射源的目的。所有的聲發射儀器都有這4個部分，只是有些會合併某幾部分在一起，例如內置放大器的聲發射感測器，集放大器、數據採集處理和記錄分析顯示於一體的手持聲發射儀等。下面按這4個部分分別具體介紹。

圖4.1-1聲發射檢測原理

4.1.1感測器的作用是轉變接收到的聲發射的聲信號成為聲發射的電信號。

4.1.2與感測器連接的放大器通常稱作前置放大器，其主要作用是將感測器輸出的微弱驅動能力的聲發射電信號放大或驅動能力提高成為能遠距離傳輸被數據採集系統接收的聲發射電信號。前置放大器也常具有模擬信號濾波器的功能和發射標定聲發射信號的功能。根據圖4.1中數據採集處理系統的形式需要，前置放大器可以有內置於感測器內和內置於數據採集系統如無線聲發射採集模塊/手持聲發射系統等，也可獨立外置於感測器和數據採集系統之間由電纜連接。

4.1.3數據採集處理系統一般會集成多個採集卡，每個採集卡會有多個獨立通道，採集卡根據採樣頻率通常會有40MHz、10MHz、5MHz等不同的型號、採樣精度用常會有18bit、16bit等不同的型號。

4.1.4記錄分析顯示系統通常由電腦加專用聲發射軟體組成，電腦選用包括筆記本電腦和台式機。

4.2聲發射檢測儀器的分類

數據採集處理系統是變化發展較快部分，也是決定聲發射儀器主要功能性能的部分。聲發射儀器也主要按聲發射儀器中的數據採集處理系統的結構和內容來進行分類。

聲發射儀器主要有如下幾種分類方式：

4.2.1按聲發射檢測儀器的數據採集處理系統與記錄分析顯示系統之間的通訊架構來分類

4.2.1.1採用PCI介面通訊的發射檢測儀器

在上世紀，聲發射檢測儀引入計算機技術后不久，PCI介面的聲發射檢測儀立即成為主流架構。這種結構的一種方式是，將聲發射採集卡直接插在電腦主板的PCI插槽上，在台式機為主流的時期，使儀器有較好的集成度。其另一種方式是採用PCI匯流排擴展連線，將聲發射採集卡插在有獨立機箱擴展PCI板上，這樣可以解決電腦本身PCI插槽不足問題。

4.2.1.2採用USB介面通訊

自從2007年開發出出了世界第一台USB2.0通訊的多通道數字聲發射系統后，USB2.0多通道數字聲發射儀因為實測數據通過率的提高，可直接連接筆記本電腦的方便性，通道數不受計算機箱內插槽數的限制，目前已經取代了一定數量的原台式計算機插槽PCI架構的聲發射儀，已經成為多通道數字聲發射儀的主要通訊介面和各廠商的未來技術發展方向。

4.2.1.3採用網路介面通訊

將數據採集處理裝置與電腦用網路介面連接，基於TCP/IP協議進行數據通訊，可以實現數據採集處理裝置與電腦任何距離的連接，連接部件採用市場通用的五類雙絞線，網路交換機，光纖，光端機等

基於網路介面數據通訊方式，數據採集前移至感測器甚至與感測器一體化形成智能數字化感測器的系統將會得到更多的應用，以滿足採用網路/無線/光纖等數據通訊傳輸的需要，也滿足分散式遠距離遙控遙測的應用需求。

4.2.1.4採用WiFi無線介面

無線聲發射儀的特點是不用拖拽長電纜，無線通訊距離通常都達數公里，而有線電纜聲發射儀安裝電纜工作繁重而且電纜長度通常只能允許50米或最大也就百米之內。這使得無線聲發射儀成為轉動裝置、橋樑、風電、礦山設備、土木地質檢測等不能採用有線電纜聲發射儀的唯一聲發射應用的選擇，也成為傳統有線電纜聲發射應用但數據量不大希望免除安裝電纜繁瑣工作的選擇。無線聲發射儀目前數據通過率低只有每秒幾千數萬聲發射撞擊參數組/每秒，遠遠低於目前有線電纜聲發射儀的數十萬聲發射撞擊數/每秒，這使得很多數據量大且不允許數據丟失的場合不能使用無線聲發射儀。另外目前無線聲發射儀的時差測量由GPS信號完成要求良好GPS信號條件也限制了部分要求無GPS信號條件時也能做時差定位功能的無線聲發射儀的應用。

4.2.1.5採用zigbee無線介面

目前最先進的2.4G頻率的通訊帶寬在250Kbps，由於帶寬的限制，一般用於單通道的無線聲發射儀

4.2.2按通道之間連接架構分類

4.2.2.1單通道手持聲發射檢測儀器

單通道手持聲發射儀器是將前置放大器、採集卡、電腦等所有部件集成到一個機殼內，便於攜帶與手持操作，電池供電，成為用於閥門泄漏、故障診斷等的快速診斷專用聲發射儀器。

4.2.2.2多通道集中式聲發射檢測儀器

集中式聲發射檢測儀器的架構是將所有的採集卡集中插在一個主板或幾個有同步關係的主板上，是目前各廠家的主要儀器架構，很多聲發射應用都要求檢測的區域較大需要多個聲發射感測器才能滿足，因此多通道聲發射儀仍是很多聲發射應用的最主要的選擇。

4.2.2.3多通道集分散式聲發射檢測儀器

分散式聲發射檢測儀是由多個獨立的單通道聲發射採集器與計算機組成多通道實時聲發射採集系統，是由無線多通道聲發射採集系統演變而來。多個獨立的聲發射採集器通過有線及無線網路交換機及遠程Wi-Fi或LAN與計算機建立通訊連接，組成一個多通道採集系統。按照PC機軟體設置的條件對聲發射數據進行採集，將數據傳輸給至距遠程的監控端PC機，每個採集器之間的數據時間同步通過接收GPS時間或連線同步來實現。

4.2.3數據採集處理系統的處理功能分類

處理功能兩大主要類型是數字聲發射儀器及全波形聲發射儀器，其主要的差別在於聲發射參數是數據採集系統硬體產生還是上位機計算機的軟體產生。數字信號處理是聲發射數據採集系統與通用數據採集系統差異最大的部分，其功能是在大數據量的數字聲發射波形信號基礎上計算處理提取出小數據量的幅度、計數、持續時間等聲發射參數，通常數據量的減少可達到數千數萬倍。除聲發射參數產生功能外，數字信號處理還可以提供實時連續數字濾波器、頻譜分析、波形前後採樣、門限觸發等功能，極大地提高了聲發射檢測的能力。

4.2.3.1數字聲發射儀器

大多數實際聲發射應用都要求不允許任一時間段的信號丟失，例如裂紋開裂瞬間信號丟失就是漏檢等。普通計算機與數據採集系統的數據通過率尚不能滿足聲發射信號大數據量波形數據傳輸的不丟失要求。為了保證時間段數據不丟失，數字聲發射儀器的聲發射參數是硬體產生的，數據採集單元對大數據量波形數據進行連續實時信號處理，提取轉換成為小數據量的聲發射參數數據后再傳送到計算機，這種數據壓縮的方式，保證了任何時間段信號不丟失都有信息

採樣速度為10M，採樣精度16位，通道數4，則波形數據量為10MHz×4通道 × 16位=640Mbit/s，對於帶寬為133Mbit/s的PCI匯流排，帶寬為480Mbit/s的USB2.0介面，這個數據量都已經超過通過率的極限，波形全部上傳必然產生數據丟失。特別是PCI匯流排，還必須滿足網路、硬碟控制卡之類的帶寬佔用，實際數據採集系統的數據通過率更是遠小於理論數據通過率。

。

波形數據產生參數的原理和數據量減少的原理是將數字波形信號轉換成數字波形包絡，再進而用幅度、持續時間、上升時間，到達時間等這個包絡的聲發射參數表達來描述聲發射信號來代替用數字波形描述聲發射信號。聲發射撞擊的特徵參數持續時間比較典型的都在0.1-2mS水平，每通道的撞擊頻率最大不會超過10KHz，通過將每個撞擊波形用提煉出的參數來替代，4通道的採集儀在聲發射信號大數據量條件下，參數生成不會超過40KHz，而每個撞擊的參數一般不會超過100位元組（800bit），這樣4通道的採集系統的參數數據最多佔用32Mbit/s的帶寬，數據量壓縮為原來波形數據的1/20，數據基本不會丟失。對於大多數大型構件工程應用，撞擊的頻率會呈幾何級數降低，數據壓縮的比例會進一步增加到1/1000的水平，這樣就保證了採集系統的通道數即使增加到100通道以上，也不用擔心數據傳輸的丟失。由於保證不漏檢是大多數聲發射應用的必要要求，因此目前市場上絕大多數商業聲發射儀器都是這種採用硬體方式產生聲發射參數的數字聲發射儀。

4.2.3.2全波形聲發射儀器，

全波形聲發射儀是採用通用數據採集裝置先傳送波形數據到計算機，然後再由計算機軟體產生聲發射參數（幅度等）。

4.2.3.2.1這種方式參數（幅度等）的產生要求大數據量的波形數據先送到計算機，目前顯然會受計算機通訊能力瓶頸的限制，不適用多通道高採樣率的應用情況。對於數據量大又不允許丟失數據的聲發射應用場合例如壓力容器等大型工程結構的聲發射檢測，在某個特定的瞬間有可能會產生突發大量聲發射事件，在這種情況下全波形系統不能保證數據的完整性，會有數據丟失的可能。目前主要儀器廠商的儀器只能做到保全5M採樣率16位精度2通道的數據不丟失。

4.2.3.2.2全波形採集遇到的另外一個瓶頸是硬碟的容量。對於USB2.0架構聲發射儀40MB/s的上傳速率，每小時會產生160GB的數據量，1TB的主流硬碟會在6個小時內被填滿，而且數據回放過程也會需要如此漫長的等待，如果在回放過程附加數據處理的功能，過程會更長一些，工作效率會可能因此降低。

4.2.3.2.3全波形採集遇到的另外一個瓶頸是硬碟的存取速度。目前主流串口硬碟的存取速度在40-50MB/s，與USB2.0介面的速度相當。這就限制了採用更新技術USB3.0介面的可行性，USB3.0介面的速度雖然已經達到5Gbit/s（640MB/s），但如此大的數據量上傳后，不能及時存入硬碟，數據的無序丟失是無法避免的。

4.2.3.2.4全波形聲發射儀可採用通用數據採集卡結構簡單，價格低廉，是數據量小或容許丟失數據情況的選擇。除價格低廉優點外，全波形聲發射儀還有存儲了全部波形數據可做深入全面波形分析的可能性和聲發射參數可以試驗后改變參數產生條件如改變更低的門限改變參數定義時間HDT等再次產生的優點。隨著計算機通訊能力的提高，全波形聲發射儀的應用仍然有增長甚至成為主流儀器的可能性。

4.2.4按用途分類

4.2.4.1通用的聲發射檢測儀器，

多通道標準聲發射檢測儀器，各領域都能應用，但需要操作人有使用經驗並自行設置採集及分析顯示條件，一般用於定期檢測，檢測完成後儀器會撤出檢測現場。

4.2.4.2專用聲發射儀器，

一般都是定製的專用聲發射檢測系統，專用感測器、專用信號處理方法、專用遙測要求組網要求等特殊專用需要。

主要用於工業過程的控制與報警，聲發射檢測系統一旦安裝完成，將不再拆除，會與被檢測目標一起長期24小時連續工作。

系統應用前需要做判定依據與條件的分析，一旦應用採集設置及分析顯示條件被固化，

典型的應用案例如下：

礦井、壩體等地質等結構聲發射長期監測系統，

橋樑監測的遙測聲發射檢測系統等

風力發電設備的監控系統

風洞試驗設備的監控

4.2.5軟體分類

多通道聲發射系統的軟體按數據類型來說可分為兩大類：基於參數數據的分析軟體和基於波形數據的分析軟體。按分析內容劃分可分為特徵分析、定位分析和模式識別。

參數分析軟體的輸入數據是參數，其特徵分析主要是各種參數關聯圖分析如幅度分佈、撞擊數在時間的分佈等。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、矩形定位區域定位等。模式識別有兩大類：有教師訓練和無教師訓練。

波形分析軟體的輸入數據是波形數據，其特徵分析主要是各種波形數據的時域和頻域分析如小波分析頻譜分析等。由於波形數據可以產生參數數據並可任意設置產生參數的條件如門檻電壓撞擊定義時間等甚至設計新的參數，因此波形分析軟體可以包括所有參數分析的功能並具有更大的靈活性。

4.3多通道數字聲發射儀工作原理

4.3.1多通道數字聲發射儀系統

多通道數字聲發射儀的功能結構框圖。主要由多個通道的採集卡，主板，電源，外接參數等模塊組成。多路採集卡同步採集，獨立處理各通道的波形與參數，在通過主板上通訊介面上傳到電腦。各聲發射採集卡之間有時鐘同步功能，可以實現誤差小於1uS的時間同步，這樣就為多通道信號時差定位打好了基礎。

採集開始前，電腦軟體將用戶錄入的採集設置數據傳送給每個採集卡，這些設置主要包括波形的採樣頻率、採樣長度，參數生成依據（觸發門限，HDT，HLT等）。

採集卡採集到的數據按次序通過通訊介面上傳到電腦，電腦中的分析軟體完成同步存儲與分析

4.3.2採集卡原理

圖4.2數字聲發射儀採集卡能結構框圖

分為模擬信號調理、模擬濾波、摸/數轉換、數字信號處理、通訊等模塊

模擬信號調理電路功能是通過信號放大、縮小、阻抗變換、濾波使前置放大器輸入的模擬信號調理成為模數轉換電路能輸入的信號。

數字信號處理的主要功能是數字濾波、頻譜分析、參數提取等。

4.3.3 新技術應用-無線聲發射儀

隨著無線數據通訊技術的發展，達到實際應用要求的通用無線聲發射儀已經在市場上出現，在某些特殊領域正在取代越來越多的有線電纜聲發射儀，呈現出類似無線手機取代有線座機，無線應變儀取代有線應變儀的發展趨勢。

WiFi無線數據通訊的技術指標已達到無線數據傳輸速度300Mbps,傳輸距離超過10公里，能滿足大多數聲發射應用的要求。隨著3數據流及4數據流WiFi的實現，傳輸速度技術指標還在不斷的被刷新為450 Mbps及 600 Mbps，新的更高指標的無線聲發射儀也會不斷出現。

無線聲發射儀可採用GPS授時技術實現高精度無線多通道同時鐘數據採集從而實現時差定位的功能。

圖4.3-1 多通道無線聲發射儀系統功能結構框圖

圖4.3-2 無線聲發射儀的無線數據採集模塊功能框圖

4.4聲發射儀的主要技術指標

聲發射儀的技術指標就是量化衡量判斷聲發射儀能力的指標。聲發射儀的能力就是聲發射信號採集和聲發射信號處理分析顯示的功能。好的聲發射儀獲得聲發射信號的能力強丟失少甚至無丟失，獲得的信號失真小，信號分析處理顯示功能強大實用操作方便。獲得聲發射信號的能力可以用信號採樣精度、最大採樣速度、數據通過率、最小信號水平、最大信號水平、信號頻率範圍等技術指標來表示。信號分析處理顯示能力可以用濾波器指標，參數種類數量，參數數據分析和波形數據的分析方法種類數量等來表示。

聲發射儀的基本技術指標如下表：

表1：多通道數字聲發射儀器的基本技術指標

4.5聲發射儀的輔件

4.5.1放大器信號電纜

從前置放大器到多通道數字聲發射檢測儀主機即數字採集系統，往往需要很長的信號傳輸線和前置放大器的供電電纜，通常採用同軸電纜完成信號傳輸和前放供電還有探頭標定信號的傳輸這三個任務。同軸電纜主要用於視頻通訊領域，主要有50歐和75歐兩種。聲發射儀器多使用阻抗50歐的同軸電纜，電纜的長度一般選擇在100米以內。

4.5.2前置放大器

感測器輸出的信號的電壓水平為微伏數量級，這樣微弱的信號，若經過長距離的傳輸，信噪比必然要降低。靠近感測器設置前置放大器，將信號提到一定程度，常用有34、40到60分貝，再經過高頻同軸電纜傳輸給信號的處理單元。前放的輸入是感測器輸出的模擬信號，輸出是放大后的模擬信號，前放是模擬電路。

圖4.5 前置放大器

感測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。有時感測器的輸出信號過大，要求前置放大器具有抗電衝擊的保護能力和阻塞現象的恢復能力。並且具有比較大的輸出動態範圍。

前置放大器的一個主要技術指標是雜訊電平，一般應小於10微伏。有些特殊用途的前置放大器，雜訊電平應小於2微伏。

對於單端感測器要配用單端輸入前置放大器，對於差動感測器要配用差動輸入前置放大器，後者比前者具有一定的抗共模干擾能力。

在聲發射系統中，前置放大器佔有重要的地位，整個系統的雜訊由前置放大器的性能所左右。前置放大器在整個系統中的作用就是要提高信噪比，要有高增益和低雜訊的性能。除此以外，還要有具有調節方便，一致性好，體積小等優點。此外，由於聲發射檢測通常在強的機械雜訊（頻帶通常低於50KHz）、液體雜訊(通常100KHz～1MHz)和電氣雜訊的環境中進行，因此前放還應具有一定的強抗干擾能力和排除雜訊的能力。

前置放大器也可與感測器組成一體化的帶前置放大器的感測器，即將前置放大器置入感測器外殼內，通常需要設計體積小的前置放大器電路。

4.5.3濾波器

在聲發射檢測儀器中，為了獲得高質量的數據，避免雜訊的影響，在整個系統的適當位置插入濾波器。可以有濾波器的位置有前置放大器，模數轉換前的調理電路，模數轉換后的數字信號處理電路和PC計算機的軟體濾波器。濾波器的工作頻率是根據環境雜訊（多數低於50千赫）及材料本身聲發射信號的頻率特性來確定，通常在60到500千赫範圍內選擇。若採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，即相對寬度Δf/f。若Δf/f太寬易於引入外界雜訊，失去了濾波作用；若Δf/f太窄，檢測到的聲發射信號太少，降低了檢測靈敏度。因此，一般採用Δf=+0.1f到+0.2f。此外，在確定濾波器的工作頻率時，應注意濾波器的通頻帶要與感測器的諧振頻率相匹配。濾波器可採用有源濾波器，也可採用無源濾波器。

4.5.3.1前置放大器濾波

固定頻帶，內置在前置放大器中

4.5.3.2採集卡模擬濾波

多組高通與低通相互組合，用戶可通過軟體選擇，實現對波形實時連續濾波，並利用濾波重構后的波形生成聲發射特徵參數。

4.5.3.3採集卡數字濾波

可任意設置頻率窗口，任選帶通、帶阻、高通、低通等濾波方式，與採集卡現有的模擬濾波可聯合使用，濾波阻帶衰減可累加增強濾波效果。實現對波形實時連續數字濾波，並利用濾波重構后的波形生成聲發射特徵參數。

4.5.3.4上位機軟體濾波

事後分析可靈活使用，可任意設置頻率窗口，任選帶通、帶阻、高通、低通等濾波方式，使用結果不影響已生成的參數

4.5.4感測器信號線

感測器信號線用於連接感測器與前置放大器，一般採用屏蔽良好的同軸電纜。由於感測器的信號輸出非常微弱且阻抗很高，信號在傳輸過程中非常容易受到來自外界電磁信號的干擾。通過盡量縮短感測器信號線的長度來降低干擾是主要方法，一般信號線的長度選擇都在1米左右。

感測器信號線的另一個重要技術指標是電容量，這個電容量會影響感測器的輸出阻抗，從而對前置放大器的增益精度產生影響。

4.6聲發射檢測儀器的選用

4.6.1通道數選用依據

高壓球罐聲發射檢測通道數選擇方案

通道數的選擇直接影響感測器的間距，而感測器的間距會影響聲發射信號的衰減量，為保證聲發射信號的有效接收形成定位，衰減量必須在可控的範圍內，表中的推薦方案是大多數情況下可有效檢測的推薦配置。由於聲發射信號的衰減還受到被測物材質、板厚、溫度、信號頻率的影響，表中“最佳效果方案”可以保證在有導致衰減增加的惡劣情況出現時也能正常檢測。如果被測物的信號衰減較小，“最經濟方案”推薦的通道數是有可能正常使用的。

4.6.2採樣率與採樣精度的選用

4.6.2.1採樣率選型：

提高採樣率的目的是減少採集高頻信號時產生的系統誤差。

不同採樣速度對應的信號幅度測量誤差會有一定差別，以2M採樣率與4M採樣率為例，對於400KHz的正弦波信號，下圖第一個周期為10倍頻率即4M採樣率下重構波形（藍色），右側周期為2M採樣率下的重構波形（紅色），可以很明顯看出理論最大誤差的區別。

測量幅度誤差ΔA可用以下算式求出：

ΔA=1-cos(2πt/T )

其中T=1/f（T被測信號的周期，f為被測信號頻率）；

t=T/2n（t為波形峰值偏離實際信號峰值的最大偏離時間），

如果n=s/f（s為最大採樣率），那麼t=1/2s

將以上T=1/f，t=1/2s代入，可以推算出

ΔA=1-cos(πf/s)

按上面可計算得到400KHz正弦信號對應各種採樣率的幅度誤差計算結果如下表，

表1：不同採樣速度對應的信號幅度測量誤差（400KHz）

以GB-18182中對聲發射檢測儀的上限頻率400KHz要求為例，採樣率為3MSPS時，誤差為0.7854dB,對於標準中誤差小於1dB的使用要求，有些勉強。

採樣率為5MSPS時誤差為0.2772dB，完全可滿足GB18182的使用要求。

採樣率為10MSPS時誤差為0.06876dB。由採樣率帶來的系統誤差已經可以忽略不計，遠超出GB18182的使用要求，至於40M採樣率如此高精度，主要用於科學研究領域，對一般的檢測過度的投入已經沒有實際意義。

考慮到科研應用採樣率高可保留更多的原始信息，對後期的波形FFT、小波、及模式識別等分析會有很大幫助，故建議選用10M以上甚至40M採樣率的系統來滿足分析要求。

4.6.2.2採樣精度選型：

提高採樣精度，可以提高微小信號的解析度，降低採集小幅度信號時的系統誤差。

16位精度的信號解析度為1.53uV，18位精度的信號解析度為0.38uV，在有效信號幅度不同時，其影響測量的系統誤差是不同的，詳情可參考下表所示：

表2：不同有效信號幅度兩種採樣率的測量系統誤差

對於一般工程檢測，信號門限設置一般都在40dB左右，對應剛過門限的小信號，由表2可以看出，16位系統誤差為0.13dB，而對於60-70dB的有效信號，16位系統誤差為0.01dB的水平，完全能夠滿足使用要求。

而18位系統在30dB左右的有效信號時，誤差在0.1dB水平，而對於40dB的有效信號，18位系統誤差就已經縮小到為0.03dB的水平，所以對於某些特別需要採集30dB左右微弱有效信號的研究領域，18位系統是和合適的選擇。