第4章 声发射检测仪器系统Word格式文档下载.docx

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而用5MHz的正弦波进行测量时,它的值不超过6.0db（12db/公里）。

（3）同轴电缆的传播速度需要的最低传播速度为0.77C（C为光速）。

（4）同轴电缆直流回路电阻电缆的中心导体的电阻与屏蔽层的电阻之和不超过10毫欧/米（在20Ω下测量）。

4.1.2双绞电缆

双绞电缆（TP）：

将一对以上的双绞线封装在一个绝缘外套中，为了降低信号的干扰程度，电缆中的每一对双绞线一般是由两根绝缘铜导线相互扭绕而成，也因此把它称为双绞线。

双绞线是现在最普通的传输介质，它由两条相互绝缘的铜线组成，典型直径为1毫米。

两根线绞接在一起是为了防止其电磁感应在邻近线对中产生干扰信号。

双绞线分为分为非屏蔽双绞线（UTP）和屏蔽双绞线（STP）。

目前市面上出售的UTP分为3类，4类，5类和超5类四种：

3类：

传输速率支持10Mbps，外层保护胶皮较薄，皮上注有“cat3”；

4类：

网络中不常用；

5类（超5类）：

传输速率支持100Mbps或10Mbps，外层保护胶皮较厚，皮上注有“cat5”；

超5类双绞线在传送信号时比普通5类双绞线的衰减更小，抗干扰能力更强，在100M网络中，受干扰程度只有普通5类线的1/4，目前较少应用。

屏蔽式双绞线具有一个金属甲套（sheath），对电磁干扰EMI（ElectromagneticInterference）具有较强的抵抗能力。

声发射仪器中仅用双绞电缆传输数字信号，如采用前端数字化的声发射检测系统。

4.1.3光导纤维电缆

光导纤维电缆是由一组光导纤维组成的用来传播光束的、细小而柔韧的传输介质。

应用光学原理，由光发送机产生光束，将电信号变为光信号，再把光信号导入光纤，在另一端由光接收机接收光纤上传来的光信号，并把它变为电信号，经解码后再处理。

与其它传输介质比较，光纤的电磁绝缘性能好、信号衰减小、频带宽、传输速度快、传输距离大。

主要用于要求传输距离大于100米的声发射应用。

光纤为圆柱状，由3个同心部分组成——纤芯、包层和护套，每一路光纤包括两根，一根接收，一根发送。

用光纤作为网络介质的LAN技术主要是光纤分布式数据接口（Fiber－opticDataDistributedInterface，FDDI）。

与同轴电缆比较，光纤可提供极宽的频带且功率损耗小、传输距离长（2公里以上）、传输率高（可达数千Mbps）、抗干扰性强（不会受到电子监听），是构建安全性网络的理想选择。

由于光纤传输相对同轴电缆结构复杂，两端需要光电编码器和解码器，目前应用较少，但有可能成为需要长距离传输声发射信号的最佳选择。

4.1.4电缆中的噪音问题

电子设备中噪声有从信号电缆和电源电缆上产生的传导噪声和空间辐射的辐射噪声两大类。

这两大类中有分为共模噪声和差模噪声两种。

差模传导噪声是电子设备内噪声电压产生的与电源电流或信号电流相同路径的噪声电流，如图4.1所示。

减小这

种噪声的方法是在电源线和信号线上串联电感（差模扼流圈）、并联电容或用电感和电容组成低通滤波器，减小高频的噪声，如图4.2所示。

图4.1差模噪声的产生

图4.2差模噪声的抑制

图4.3共模噪声

的产生

共模传导噪声是在设备内噪声电压的驱动下，经过设备与大地之间的寄生电容，在电缆与大地之间流动的噪声电流，如图4.3所示。

减小共模噪声的方法是在电源线或信号线中串联电感（共模扼流圈）、在导线与地之间并联电容器、使用LC滤波器，图4.4所示。

共模扼流圈是将电源线的火线和零线（或信号线和回流线）同方向绕在铁氧体磁芯上构成的，它对线间流动的差模电源电流和信号电流阻抗很小，而对两根导线与地之间流过的共模电流阻抗很大。

共模辐射是由于电缆端口上有共模电压，在这个共模电压的驱动下，从电缆到大地之间有共模电流流动而产生的。

辐射的电场强度与观测点到电缆的距离成反比，（当电缆长度比电流的波长短时）与电缆的长度和频率成正比。

减小这种辐射的方法有：

通过在线路板上使用地线网格或地线面降低地线阻抗，在电缆的端口处使用共模扼流圈或LC低通滤波器。

另外，尽量缩短电缆的长度和使用屏蔽电缆也能减小辐射。

图4.4共模噪声的抑制

4.1.5阻抗匹配

一件器材的输出阻抗和所连接的负载阻抗之间所应满足的某种关系，以免接上负载后对器材本身的工作状态产生明显的影响。

对电子设备互连来说，例如信号源连放大器，前级连后级，只要后一级的输入阻抗大于前一级的输出阻抗5-10倍以上，就可认为阻抗匹配良好；

对于放大器连接音箱来说，电子管机应选用与其输出端标称阻抗相等或接近的音箱，而晶体管放大器则无此限制，可以接任何阻抗的音箱。

4.1.6接头

同轴电缆两端可以连接BNC接头，BNC接头由BNC接头本体、屏蔽金属套筒、芯线插针由三件组成，芯线插针用于连接同轴电缆芯线；

剥好线后请将芯线插入芯线插针尾部的小孔中，用专用卡线钳前部的小槽用力夹一下，使芯线压紧在小孔中。

4.2信号调理

4.2.1前置放大器

传感器输出的信号的电压有时低至微伏数量级，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。

前置放大器一般采用宽频带放大电路。

频带宽度可以在50千赫到2兆赫范围内，在通频带内增益的变动量不超过3分贝。

使用这种前置放大器时，往往插入高通或者带通滤波器抑制噪声。

这种电路结构的前置放大器适应性强，应用较普遍。

但也有采用调谐或电荷放大电路结构的前置放大器。

综上所述，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。

前放的主要性能指标为：

放大倍数：

34、40或者60dB

通频带：

50KHz～300KHz、20KHz～1000KHz等

输入噪声电压：

<

5uv

前置放大器主要由输入级放大电路、中间级放大电路、滤波电路、输出级电路组成。

输入级前置放大是控制噪声的关键部分，最好选用超低噪声的宽带集成放大器；

中间级放大电路主要作用提高放大电路，采用宽带、高增益、低噪声运算放大器，主要问题是如何防止和消除自激；

滤波电路是有效地监测出我们所关心的声发射信号；

输出级放大电路要选择低输出阻抗的运放，以便提高带负载能力。

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。

4.2.2主放大器

AE信号经前置放大器前级放大后，通常需进行二级主放大以提高系统的动态范围。

主放大器的输入信号是前放输出的模拟信号，输出是放大后的模拟信号，因此主放大器是模拟电路。

要求主放大器具有一定的增益，与前置放大器一样，要具有50千赫导1兆赫（或2兆赫）的频带宽度，在频带宽度范围内增益变化量不超过3分贝。

另外，还要具有一定的负载能力和较大的动态范围。

通常主放大器提供给前置放大器直流工作电源，交流AE信号经隔直流后再进行主放大。

为了更好的适用不同信号幅度大小、不同频带的AE信号，主放大器往往具有放大倍数调整、频带范围调节等功能。

4.2.3滤波器

在声发射检测工作中，为了避免噪声的影响，在整个电路系统的适当位置（例如主放大器之前）插入滤波器，用以选择合适的“频率窗口”。

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，一般都要求衰减大于每倍频程24分贝。

也可采用软件数字滤波器进行信号滤波。

软件数字滤波器的特点是设置使用灵活方便功能强大，但需要首先要求信号波形数字化，有时会导致数据量过大，目前多通道情况软件数字滤波实时性能较差。

4.3信号探测硬件设置

4.3.1门槛比较器

为了剔除背景噪声，设置适当的阈值电压，也称为门限电压。

低于所设置阈值电压的噪声被剔出，高于这个阈值电压的信号则通过。

门槛比较器就是将输入声发射信号与设置的门槛电平进行比较，高则通过低则滤掉的硬件电路。

通常是在模拟电路部分，但也可在数字电路中进行门槛比较。

4.3.2门槛测量单元

门槛测量单元通常由声发射信号输入、门槛电平产生、门槛比较器及信号输出4部分组成，其中主要部分为门槛电平产生和门槛比较器。

门限电压可以分为固定门限电压和浮动门限电压两种。

对于固定门限电压，可在一定信号水平范围内连续调整或者断续调整，可采用D/A数摸转换器件产生需要的门槛电压。

早期的门槛比较器电路采用施密特触发电路，由于电子器件集成化的发展，目前多采用电压比较器电路。

图4.5浮动门限阈值电平随噪声电平的变化

放大器输出信号

电压比较器

噪声检波器

无倒向电压相加器

图4.6浮动门限电路方框图

浮动门限的阈值电压随背景噪声的高低而浮动，如图4.5所示。

能够最大限度地检测真正有用的声发射信号，基本上不受噪声起伏的影响。

此外，也可以采用浮动门限表示连续型声发射信号的大小，观察其活动随时间的变化规律。

图4.6示出浮动门限的工作原理（电路方框图），它由一个噪声电平检波器、无倒向电压相加器和一个门限比较器组成。

由放大器的输出包括声发射信号和背景噪声信号，由噪声电平检波器检出噪声电平包络信号，这个信号与一个可控制的参考门限电平在无倒向电压相加器中相加，其输出就是浮动门限电平，将其作为参考电平输入给门限比较器，与主放大器的输出信号比较，若主放大器的输出信号高于浮动门限电平，比较器就有信号输出，反之则没有。

4.3.3由增益或门限确定的灵敏度

传感器灵敏度的定义是传感器电压幅度输出与给定声发射信号输入的比值，例如对某传感器采用声发射铅笔芯折断方式在指定的材料如钢板相距一定的距离如15米产生的声发射信号使传感器输出10毫伏幅度电压信号。

如同样条件对另一个传感器得到12毫伏输出信号则认为后者比前者灵敏度高，是前者的1.2倍。

声发射系统的灵敏度是对给定声发射信号系统输出的可分辨的输出信号，分辨率高信号幅度大则认为灵敏度高，反之则灵敏度低。

声发射系统的灵敏度主要由传感器灵敏度和放大器的增益或门限确定。

声发射检测中人们约定传感器输出的电信号1uv即1微伏为0dB。

其它经过增益放大得到的信号幅度和设在不同部位的门槛电压都可依此推算。

例如40dB前放后即放大100倍后得到10伏幅度的信号可推算出是100dB信号，而该前放后设置门槛电压1伏则是80dB门槛电压。

应该注意上述规定和推算没有考虑信号频率的影响，实际标定测试中会有一定误差，通常高频信号实际放大要小于标称放大。

由增益或门限确定的灵敏度时要注意避免出现仅使用部分系统动态范围和超出动态范围两者情况，前者使信号分辨率降低，后者使部分大幅度信号处于饱和状态。

4.4声发射检测系统

声发射检测系统按硬件获取并输出存储的数据区分可分为参数和波形两大类声发射仪。

参数声发射仪硬件获取并输出存储的数据是幅度、计数等声发射波形信号的特征参数，数据量小信息相对波形数据少但数据通讯存储容易，通常只有波形数据

（b）典型数字参数-波形混合声发射仪器的功能框图

数据通讯模块

AD模数转换模块

（a）典型模拟参数声发射仪器的功能框图

模拟电路

参数生成模块

数数据通讯模块

存储显示分析模块

模拟输入模块

（传感器、放大器）

模拟输入模块

数字参数生成模块

（DSP或FPGA）

存储显示分析模块（包括参数产生）

（c）典型全波形声发射仪器的功能框图

图4.7典型声发射仪器功能框图

的几千分之几。

波形声发射仪硬件获取并输出存储的数据是波形数据，数据量大信息丰富但数据通讯存储困难。

获得参数数据的方法又有三种：

硬件模拟电路获得参数其特征是获得参数前没有将模拟声发射波形信号经过A/D模数转换成为数字波形信号、硬件数字电路获得参数其特征是获得参数前已经将模拟声发射波形信号经过A/D模数转换成为数字波形信号、和软件分析产生参数其特征是硬件只获取波形数据不产生参数又称全波形声发射仪。

图4.7是典型声发射仪的特征结构框图。

早期的声发射系统都是硬件模拟参数声发射仪而没有波形数据存储记录，现在的大多数声发射系统是全部通道硬件数字参数+部分通道波形数据存储记录声发射仪，也有硬件仅获取波形数据不产生参数而采用软件处理获得参数的全波形声发射仪。

4.4.1单通道系统

单通道系统声发射检测仪一般采用一体结构，也可以采用组件组合结构。

模拟参数声发射仪由传感器、前置放大器、衰减器、主放大器、门槛电路、声发射率计数器、总数计数器以及数模转换器组成。

对于组合结构的仪器，也可以增加峰值振幅、有效值电压和能量等多功能测量插件。

声发射信号由传感器接收并转化为电信号，传感器根据特定的校准方法，给出频率—灵敏度曲线，据此可根据检测目的和环境选择不同种类、不同频率和灵敏度的传感器。

在一般情况下，传感器的灵敏度要求不低于0.5千伏/米秒-1。

由传感器接收到的信号转换为电信号后，由同轴屏蔽电缆馈送给前置放大器。

在前置放大器中信号得到放大，提高信噪比。

一般要求前置放大器具有40到60分贝的增益，噪声电平不超过5微伏，并有比较大的输出动态范围和频带宽度。

在工作频率范围内增益变化量不超过3分贝。

前置放大器的输出信号，由相当长的同轴电缆输送给仪器的主体。

由衰减器调节输入信号的大小，经过滤波器滤掉工作频率以外的信号。

根据噪声和声发射信号性质可以选用高通滤波器，也可以选择带通滤波器。

滤波器的组带衰减一般要求每倍频程24分贝以上。

信号再由主放大器放大40到60分贝，使整个系统增益达到80分贝乃至120分贝。

主放大器也应具有足够的动态范围和频带宽度，一般在50千赫兹到1兆赫兹的范围内增益变动量不超过3分贝，动态范围为10伏左右。

信号越过门限的阈值电平便形成振玲脉冲信号或事件脉冲信号，供声发射率计数器和总数计数器计数。

声发射率和总数计数器除具有数字显示外，尚有模拟量输出，供X-Y函数记录仪绘制声发射率、总数和时间（或力或应变）之间的关系曲线。

对于插件组合式结构的仪器，也可以根据需要增加峰值振幅、有效值电压和能量等各种表征参数的测量和显示插件。

4.4.2多通道系统

（1）多通道声发射检测仪器历史及现状

随着计算机技术和信号处理技术的迅速发展，声发射仪器也从早期模拟式仪器发展到现在的全数字式仪器；

仪器的功能也由过去简单的采集声发射参数进行有限的分析处理发展到今天的全数字式声发射波形的采集、参数和波形分析的深入数据处理。

声发射仪器按采集数据方式分可分为模拟和数字两种。

模拟仪器主要由传感器、前置放大器、主放大器、模拟参数产生电路、通道控制器、集总通道控制器，主机和外部设备以及软件部分等组成，仅采用声发射参数来进行源定位和信号分析；

数字仪器主要由传感器、前置放大器、主放大器、A/D数据采集卡、FPGA可编程逻辑器件或/和DSP数字信号处理提取声发射参数硬件、主机和外部设备以及响应的分析处理软件等部分组成。

还有仅硬件采集波形数据经软件处理得到声发射参数的全波形声发射系统即只有传感器、前置放大器、主放大器、A/D数据采集卡、主机和外部设备以及响应的分析处理软件等部分。

（2）多通道声发射检测仪器硬件技术的发展与现状

自1965年美国的Dunegan公司首次推出声发射商业仪器以来,声发射的硬件技术已经历三十多年的更新发展。

从具有代表性的技术更新来看，这三十多年主要分为三个阶段。

第一阶段1965年～1983年，这一阶段主要是模拟声发射仪器的发展。

这其中包括声发射传感器、前置放大器、模拟滤波技术以及特征提取硬件技术的完善与发展。

然而由于硬件技术本身存在的缺陷，如增益过大易于导致前置和后置放大器阻塞；

模拟滤波难以处理一些噪声信号；

由于各个通道的信号采集、传递、计算、存储和显示都要占中央处理单元的时间，不但速度慢而且系统极易出现闭锁状态等。

该阶段声发射仪器的可靠性并不令人满意，这也使得该期间应用技术的发展也较缓慢。

自1983年至1994年是声发射仪器发展的第二阶段，以美国物理声学公司（PAC）1983年开发的世界的SPARTAN－AT为代表。

该系统采用专用模块组合式，第一次应用多个微处理器组成系统，把采集功能和存储及计算功能向分离，并且利用IEEE488标准总线和利用并行处理技术解决实时数据通讯和数据处理。

SPARTAN仪器每二个通道形成一个单元，配有专用微处理器，形成独立通道控制单元（ICC），完成实时数据采集的任务，而数据处理的任务比较合理地分配给一些并行的计算单元，仪器的实时性得到增强。

1994年至今，全数字化声发射仪器的问世可以说是声发射仪器发展的第三个阶段。

所谓全数字化声发射仪，其主要特点是，由AE传感器接受到的声发射信号经过放大器放大后，直接经高速A/D变换器转换为数字信号后，再采用专用数字硬件提取各种相应的参数特征量，而不象早期的模拟声发射仪那样，经过一系列模拟、数字电路才形成数字特征量。

这种全数字声发射仪的优点是，系统设计模块化、积木式并行结构，其基本单元是模拟波形数据的A/D转换和数字信号处理（DSP）或/和可编程逻辑来提取声发射参数。

数字声发射仪的另一重要功能就是能记录瞬态波形以及进行波形分析和处理，虽然目前市场上能见到的有硬件参数产生功能的声发射仪都不能全部通道或多通道高速度获得波形数据，但就是单通道或少通道断续获取波形数据已经大大提高声发射仪器的功能。

这类数字仪器有很高的信噪比、良好的抗干扰性、宽的动态范围、可靠性高，不易受到温度等环境因素的影响。

现阶段另一个声发射仪的发展动向是全数字全波形声发射仪，其特点是硬件仅采集得到数字声发射信号波形，其它任务如参数产生，滤波甚至门槛功能都可实时或事后由软件完成。

如果声发射技术走向以波形信号分析为主，全波形声发射仪将自然成为唯一的选择。

（3）多通道声发射检测仪器软件技术的发展与现状

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。

4.4.3专用的工业系统

很多情况需要专用声发射系统，如应用于地质等结构测试的低频信号声发射监测系统，应用于桥梁等设备监测的遥测声发射检测系统等。

这些专用系统和通用系统的主要差异在传感器的差异、前端数字化的要求及遥测要求等特殊需要。

4.5数据显示和记录附件

4.5.1扬声器记录

扬声器实际上是一种把一定范围内的音频电功率信号通过换能器（扬声器单元），把它转变为具有足够声压级的可听声音。

通常希望能用相对较小的信号功率输入获得足够大的声压级，即要求扬声器具有高效率的电功率转换成声压的灵敏度。

还要求扬声器系统在输入信号适量过载的情况下，不会受到损坏，即要有较高的可靠性。

声发射检测系统中可把声发射信号幅度转换成音频电功率信号使扬声器发声，即声音的大小对应于声发射信号幅度的大小。

同样道理可使声音大小对应于其它声发射参数如计数、撞击数率、过门限信号指示等。

通常扬声器记录输出作为辅助的报警和提醒功能，使检测人员及时注意到当时的声发射信号基本状态。

4.5.2X-Y和长条纸记录仪

X-Y和长条纸记录仪可实时打印记录声发射信号参数和波形，适用与长时间监测情况不允许停机处理分析显示数据和不能可靠长时间存储数据情况。

随着计算机的发展功能不断加强现在已很少使用X-Y和长条纸记录仪的方式

4.5.3示波器

示波管由电子枪、偏转系统和荧光屏三部分组成，可用于显示模拟声发射信号波形。

实验室和早期的声发射仪有用示波器显示模拟声发射信号波形。

现在的声发射系统通常不用示波器做数据显示，但常作为检查工具检查声发射系统模拟信号部分的工作状态。

4.5.4磁记录仪

磁记录仪可直接记录声发射模拟波形信号，但不