声发射仪技术指标浅谈

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[导读]声发射仪技术指标浅谈      摘要：本文介绍了声发射仪的种类、技术指标的含义及对性能的影响，提出了比较选择声发射仪的一般思
声发射仪技术指标浅谈
      摘要：本文介绍了声发射仪的种类、技术指标的含义及对性能的影响，提出了比较选择声发射仪的一般思路和技术考虑，对于正确分析声发射仪的性能有一定的借鉴意义。
      关键词：声发射 ADC 波形分析 参数分析
      1 引言
　　声发射检测作为一种逐渐成熟的无损检测技术得到越来越多的应用，而进行声发射检测、监测和研究就需要声发射仪。声发射仪具有较高的技术含量，非专业仪器公司自己开发存在诸多困难，一般做声发射检测、监测和研究工作都选择直接采购商品化的声发射仪器。
　　在市场上的声发射仪器有多种，每个厂家都给出了很多技术指标、参数。由于这些参数比较专业，给参与决策选择的技术人员造成了一定的困难，常常有无从下手之感。笔者多年从事声发射检测和仪器开发研究，将自己对各个指标、参数（不考虑价格因素）的理解整理成文，希望抛砖引玉，不当之处请不吝赐教。
      2 声发射仪的种类
      2．1声发射仪的分类方法有多种，按照采集信号通道数的多少可以分为单通道和多通道。
　　单通道声发射仪只有1个通道，主要用于对单点或者小区域的检测、监测等，一般无法完成对信号源位置的定位。2通道或更多通道的声发射仪称为多通道声发射仪。前者可以完成对较大区域的检测、监测，可完成在线状区域内声发射信号源的定位；3通道声发射仪器除可完成上述功能外，还可以完成三角区域和线状区域内声发射信号源的定位；超过3个则可以完成更大区域内信号源的检测、监测及对上述区域内的声发射信号源的多种算法的定位。仪器制造厂一般都配有依据上述定位算法的分析、显示软件，对球形、柱形等特定外形的设备，有的制造厂开发了更为直观的定位分析软件。
　　选择购买单通道还是多通道，或具体多少个通道，需要根据特定的需求进行选择。考虑的因素有：待测设备的材质（影响频率、声速和衰减）、待测设备的最大几何尺寸、几何形状、需要的定位类型等。几何尺寸大、材质衰减大、形状特殊的检测应用需要的通道数就多，反之就少。一般在钢材中，声发射信号可以接收的传播距离在5m内为宜，超过此长度应考虑增加通道数。而狭长的设备，例如长管拖车则需要考虑定位类型，一般采用线定位时就可以减少所需要的通道数。
　　另外，在采购时可考虑比需要的通道数多1～2个通道，作为备用通道用。
      2．2按照声发射信号所采用的技术，可分为以模拟电路为主的模拟式声发射仪和以数字电路为主的数字电路式声发射仪。
　　模拟式声发射仪投用历史较长，技术相对成熟、仪器相对稳定和可靠、操作软件简单、便于学习等优点。但这类仪器存在着温度漂移大、易受干扰、功耗大、重量大、体积大等缺点。数字仪器一般采用CPLD、FPGA、DSP等技术，由于模拟电路较少所以其整体体积较小、重量轻、功耗低、温漂影响小。但是，由于在数字声发射仪的处理软件上叠加了许多功能，功能强大；但学习相对困难，对于工程检测反而麻烦了不少。另外，这类设备投用历史相对较短，对其可靠性、稳定性等要多加注意，由于采用了许多新技术，处理不好反而易出问题。
　　需要说明的是，没有真正意义上的全数字声发射仪。因为自然界的信号都是连续的（宏观而言），所以，即使最为理想的情况是将传感器来的信号直接予以模拟-数字转换（ADC），也需要要模拟电路（ADC本身就应归为模拟电路）；而一般在传感器之后还要加前置放大器、信号调理电路等，所以根本不可能是全数字化仪器。而一般意义上的全数字声发射仪指其除了ADC和信号调理电路外，不再有其它影响参数和波形的模拟电路而已！
      2．3 按照信号的处理方式，可以将声发射仪分为参数式声发射仪、直接波形式声发射仪和参数-波形式声发射仪。
      2．3．1 参数式声发射仪是目前使用范围最广、应用时间最长的声发射仪，其分析方法也被大多数业内人士认可，分析方法比较成熟，操作简单，大多数多通道声发射仪都是这类仪器。参数声发射仪是指在信号处理通道的电路中，借助模拟或者数字电路将声发射信号直接处理成一定意义的参数数据，然后再送到计算机进行显示、分析、处理和保存的仪器。这种仪器一般需要设置门槛（阈值）、HDT（撞击定义时间），有的需要设置增益、PDT、HLT等。由于参数数据的数据量少，所以对声发射信号的实时响应能力强、数据流量小、对计算机的显示、分析、数据存储等能力的要求低，一般计算机均可满足要求，无论PCI总线、ISA总线等均可，同时，参数式仪器丢失信号的几率相对低。由于电路直接生成参数数据，无法传递波形，所以丧失了更多的有效信息。但就一般检测工程而言，参数采集可以满足大多数应用，而如果进行声发射信号分析和应用研究则参数式仪器有一定的局限性。
      2．3．2 直接波形式声发射仪器是指将声发射信号进行A/D转换，然后将此波形数据直接传递到计算机，由计算机再进行参数提取、显示、分析、数据存储等工作。在满足实时性的前提下无疑这是最为理想的仪器，因为这样一般的采集卡即可满足需要，价格将非常低廉。但是，在目前电子设计技术和计算机技术下，少数通道的直接波形采集和分析是可以满足实时性要求的；但是当通道数多、ADC的转换频率高、分析功能复杂时，实时性难以得到保证，势必存在丢失部分信号的可能，所以在选择时需要引起重视。为了达到高的数据传输速度、快的分析和计算时间，一般直接波形式声发射仪需要很高的计算机配置。
　　以目前大多数计算机支持的32位、33MPS的PCI总线为例，其数据传递的最大理论速度为132MB/S（字节/秒），实际受计算机系统设计水平、计算机操作系统采用非实时性操作系统、采集软件驱动设计水平、系统其它软件引入的延时等的影响，一般达到100MB/S已经是实际可看到几乎最高的采集速度了。而计算机系统除了进行数据采集外还进行参数数据提取、数据分析、存储、参数显示、波形显示等操作，再考虑系统多个采集卡之间切换的相互影响，整个系统的总体速度一般在60MB/S已经相当不错了。我们假定每个信号通道的采集速度为5MS/S（也记为MSPS--Mega-Sapmles Per Seconds，百万次采样每秒），考虑ADC的位数为12位以上，则每个通道的数据流速度为10MB/S（假定不做实时压缩处理）。显然，整个系统只能保证5MS/S的采集速度下6个信号通道的实时采集。上述估计已经假定在单位时间内声发射撞击的数量不多，不至于使得计算机写硬盘的时间过长而影响采集的速度。因此，对于通道数多、实时性要求很高、不需要波形数据的场合，似不宜选择直接波形式的声发射仪。
      2．3．3 参数-波形式声发射仪综合了参数式和直接波形式声发射仪各自的特点，在保证参数数据实时性的同时，在系统允许的情况下传递一定数量的波形。这种仪器首先在每个信号通道的处理电路中，一般通过设置门槛，直接生成部分或者全部参数数据，同时，保留部分或者全部波形数据，一般是过门槛后一定长度的波形数据。由于其照顾了参数数据的实时性要求且波形只取一定长度，所以，笔者这是在实时性和全波形之间的较好的折衷，一般认为，只要设计得当，此类仪器可满足大多数的应用需求。其缺点是由于兼顾波形和参数数据，电路稍微复杂些，成本也会增加一些；由于照顾了参数数据，波形数据在单位时间内声发射撞击数多时，仍然存在丢失部分的波形数据的问题；由于保存部分过门槛波形，可能会丧失部分有意义的细节。这类声发射仪对计算机的要求比较灵活，如果对波形数据的要求不十分苛刻则可以降低对计算机系统的配置要求。
      3 声发射仪的主要部件
　　声发射仪一般包括以下部件，但由于结构的差异，可能会有不同的表现形式。
      3．1 传感器类型
　　声发射传感器一般是压电陶瓷材料制造成的，选择时主要考虑其谐振频率、灵敏度、温度范围、结构形式、信号接口等因素。传感器的谐振频率应满足待测设备、材质、耦合介质等的需求。
      3．2 前置放大器
　　主要考虑增益、频率、供电方式和信号接口递范围。增益的选择要考虑传感器和后续信号处理通道的匹配问题，而接口方式则需要考虑传感器的接口、供电和信号输出接口等因素。前置放大器频率范围应覆盖所赶兴趣信号的频率范围。供电一般选择与信号复用的方式。
      3．3 信号处理板
　　一般由1个或者多个信号处理板构成整个系统，信号处理板主要完成对来自前置放大器的声发射信号的处理，得到满足要求的参数数据和/或波形数据。一个信号处理板可以包含一个或者多个信号处理通道。
      3．4 计算机系统
　　其功能是将各个信号处理卡得到的波形和/或数据读到计算机系统进行保存、处理和显示等操作。不同类型的声发射仪对计算机系统的要求不一样，如前所述，参数式声发射仪对计算机系统的要求较低，参数-波形式次之，直接波形式对计算机系统的要求最高。计算机系统应该有适当的升级和扩充能力。
      3．5 采集分析软件
　　采集、分析软件可以分成独立的几个软件，也可以是多个软件功能集合到一起，但都应该可以实现实时采集、分析、保存等的功能。如前所述，采集分析软件至少应可满足实时定位、实时关联分析和结果显示，并可实时将结果予以保存。如果有波形的系统应可实时观察部分或者全部的波形。
      软件最好有全中文界面，便于学习和操作。
      4 声发射仪的重要技术指标
      4．1信噪比（SNR）
　　一般是指信号系统允许无失真接收的最大信号和系统背景噪声的比值，常用此比值的常用对数乘以20得到分贝值来表示信噪比。作为仪器，信噪比越大越好；但是，一般信噪比大的仪器制造成本高，有时信号比的增加会急剧增加造价，势必售价被提高。SNR和系统的最小门槛相关，一般可以选择无机械信号时系统允许的最小门槛来估算SNR的水平。
      4．2 频率范围
　　频率范围是指前置放大器和信号处理板的模拟信号带宽，它取决于滤波器和信号通道的整体特征，而非某个部件的频率范围。一般通过滤波器的组合可以覆盖10KHz～2MHz的范围就可满足大多数应用。对于特定的应用，应该选择最为接近其频率范围的滤波器组合以实现对噪声的抑制，并不是带宽越宽越好。一般而言，滤波器带宽越宽其信噪比越低。
      4．3 声发射参数
　　无论是何种技术和何种处理方法制造的仪器，一般应该包括：上升时间、持续时间、峰值幅度、计数值、能量等参数，最好还可以包括到峰计数、均方根电压、信号平均电平参数。
      4．4 软件功能
　　应可以实时采集各个通道的数据，实时定位分析、滤波处理，以特定的方式显示数据处理的结果、保存处理结果。应可离线处理所保存的数据，输出分析结果。一般国产仪器采用中文界面的缘故比较容易学习，进口仪器大多都是英文界面，但功能较为强大，在选择时是一个值得考虑的因素。软件至少应该提供线定位、三角形定位（如需要）算法，最好提供球形定位、矩形定位算法，定位精度在50mm以下为宜。
      4．5 每秒撞击数（HITs/S）
　　这个指标是衡量一台声发射仪实时性最为重要的指标，如果对仪器的实时性非常关心，请仔细考虑这个指标。这个指标进一步分解为单个通道每秒撞击数和整台仪器的每秒撞击数。单个通道的每秒撞击数实际上衡量了单个通道接收声发射信号和由此产生的参数或者波形数据的能力；而整台仪器的每秒撞击数则用来衡量仪器整体的信号接收和处理能力，它是指各个声发射信号处理通道处理声发射撞击的总和。一般前者指标可以做的很高，但是后者则需要倚赖许多因素，例如：ADC采样频率、通道数、软件的影响等。采购时这两个指标都非常重要，要统筹考虑。无论何种仪器，此指标都适用。
      4．6 ADC的采样频率
　　在数字声发射仪中，此参数决定了对信号的分析能力，它直接影响定位精度、到达时间、上升时间、峰值幅度等参数的数值。笔者认为，ADC的采样频率滤波器最高频率的10～20倍左右为宜，倍数太高会增加数据的流量、影响实时性，而倍数太低会丢失有效的细节。例如，如果声发射信号的谐振频率为300KHz，滤波器的范围为100～500KHz，则ADC需要达到的采样频率在5MHz～10MHz为宜。
      4．7 ADC的分辨率
　　ADC的分辨率决定了仪器对小信号的分辨能力，一般用12～16位分辨率的ADC，个别可选择18位。ADC的分辨率和SNR相比，SNR更能表征仪器的设计和制造水平，因为ADC分辨率高的ADC的不一定可以实现SNR高。
      4．8 增益
　　模拟和数字声发射仪都可以有增益选择，此参数用来改善系统的动态范围和可接收的信号范围。增益可以是对模拟信号加增益放大，也可以对ADC结果进行抽样得到"处理增益"。
      4．9 附加接口
　　声发射仪一般都具有测量附加参数的接口，主要用来测量声发射测试时的环境温度、设备的压力等，但这些都不属于声发射技术本身所必须的参数，只是实验条件而已！部分仪器提供其它接口用来通讯、同步等功能，一般可根据需要选择考虑。
      5、结论
　　上述各项是选择、比较声发射仪的一些重要技术考虑。作为一个集多种技术于一体的技术产品，声发射仪的比较和选择是比较复杂的，需要考虑诸多因素，除了上述各因素外，还应该考虑重量、体积、价格、服务等因素。任何因素对采购的决策不应起决定的影响，应该在考虑技术指标、服务、价格等各个因素后，做出最终的决策。