结构损伤演化声发射监测系统

一、概述

设备的局部损伤源主要有金属塑性变形和断裂等，其中裂纹的产生、扩展及断裂最为突出，是主要的声发射源，对需周期性加载的设备金属结构进行早期裂纹扩展的准确监测，在预防灾难性重大事故方面可以起到关键作用。

带裂纹金属结构在全寿命周期内的疲劳破坏一般会经历三个阶段：裂纹萌生阶段、稳态扩展阶段和失稳扩展阶段。许多设备在服役之初在其结构内部已经存在裂纹源，裂纹源形成的主要原因是结构缺陷和承受较大应力。裂纹源在疲劳交变应力作用下会进一步扩展，逐步进入稳态扩展阶段。设备在作业时往往会经历较长时间的工作循环，每一个工作循环均会包含空载—加载—卸载（空载）的载荷历程，是典型的承受频繁交变应力作用的机械。因此，含有裂纹源的设备金属结构会很快地进入裂纹扩展阶段。

声发射技术作为一种无损检测技术，可以通过声发射检测系统，及早地判断出裂纹的萌生位置及扩展情况。声发射参数的相关曲线直接表征了裂纹的萌生及扩展过程，曲线的拐点或突变点直接对应曲线的特征点及裂纹发展的三个阶段。因此，采用声发射技术对设备的活性裂纹进行监测。

声发射又称为应力波发射，是材料局部因能量的快速释放而发出瞬态弹性波的现象。声发射是一种常见的物理现象，大多数材料变形和断裂时有声发射发生，如果释放的应变能足够大，就产生可以听得见的声音，如在耳边弯曲锡片，就可以听见“噼啪”声，这是由于锡受力产生孪晶变形的发声。大多数金属材料塑性变形和断裂时也有声发射发生。声发射检测的主要目的是确定声发射源的部位，分析声发射源的性质，确定声发射发生的时间或载荷和评定声发射源的严重性。声发射检测方法在许多方面不同于其他常规无损检测方法，其特点主要表现为：

1）声发射是一种动态检验方法，声发射探测到的能量来自被测试物体本身，而不是像超声或射线探伤方法一样由无损检测仪器提供。

2）对大型构件，可提供整体或大范围的快速检测。由于不必进行繁杂的扫查操作，而只要布置好足够数量的传感器，经一次加载或试验过程，就可确定缺陷的部位，从而易于提高检测效率。

3）可提供活性缺陷随载荷、时间、温度等外变量而变化的实时或连续信息，因而适用于工业过程在线监控及早期或临近破坏预报。

4）由于对被检件的接近要求不高，而适于其他方法难于或不能接近环境下的检测，如高低温、核辐射、易燃、易爆及极毒等环境。

5）由于对构件的几何形状不敏感，而适于检测其他方法受到限制的形状复杂的构件。

装备结构裂纹的形成和扩展与材料的塑性变形有关，一旦裂纹形成，材料局部地区的应力集中得到卸载，产生声发射，当裂纹扩展至一定限度即会发生断裂，此时的声发射信号强度最大。监视裂纹的形成与扩展、断裂（包括腐蚀致裂纹、疲劳裂纹、焊接致裂纹等）是采用声发射技术进行局部监测的主要目的。

二、声发射监测理论基础

1.声发射波的传播

1)传播模式

声发射波在固体构件中的传播，可构成纵波、横波、表面波（瑞利波）和Lamb波等不同传播模式。

（1）纵波

在形成声发射波的过程中，若质点振动方向与波的传播方向一致，称为纵波。

纵波质点位置的分布特点是：疏密相间。随着振动的传播，疏密相间的状态向右移动，因而纵波也被称为稀疏波。

（2）横波

若质点的振动方向和波的传播方向垂直，称为横波。横波在弹性材料的传播过程中，各质点的位置相对平衡点分布，各质点之间彼此有弹性力相互联系。沿着波的传播方向，凸起的波峰和凹下的波谷交替排列向波的传播方向移动，形成完整的横波波形。横波只能在固体介质中传播。

（3）表面波

质点在介质表面的运动形式为纵横向变化的复合振动，其运动路径为椭圆形，质点位移的长轴垂直于传播方向，质点位移的短轴平行于传播方向。表面波是英国物理学家瑞利于1885年研究并证实的，又称为瑞利波。该波在介质中仅沿表面传播，其能量随着介质深度的增加而快速下降，且受环境因素影响，如强度、压力和加速度等的影响。表面波只能在固体介质中传播。

（4）板波（Lamb波）

对于薄壁材料如板材、壳体、空心棒材等制成的容器等，当材料厚度小于声发射的波长时，材料中就不会产生平面波，而只能产生各种类型的板波。板波为横波和纵波的合成波，质点的振动做椭圆轨迹运动。板波的传播满足Lamb方程，其方程的解称为Lamb波，通常所说的板波泛指Lamb波。Lamb波由无限多个不同阶次的波构成，发射源在板厚远小于波长的薄板中主要激励出不同阶次的对称波和反对称波。其中，对称波波幅小、频率高、速度高；反对称波波幅大、频率低、速度低。Lamb波在固体内传播时，质点的运动轨迹为椭圆形，质点转动会有扩展波和弯曲波两种模式。

2)波的传播速度

波的传播速度是与介质的弹性模量和密度有关的材料特性，因而不同的材料，声发射波的传播速度也不同。在均匀介质中，纵波与横波的速度分别可用式(1)表达。

式中，vL为纵波速度；vS为横波速度；σ为泊松比；E 为弹性模量；G 为切变模量；ρ为材料密度。

在同种材料中，不同模式的波速之间有一定比率关系。例如，横波速度约为纵波速度的60%，表面波速度约为横波的90%。纵波、横波、表面波的速度与波的频率无关，而板波的速度则与波的频率有关，即具有频散现象，其速度介于纵波速度和横波速度之间。在实际结构中，传播速度还受到诸如材料类型、各向异性、结构形状与尺寸、内容介质等多种因素的影响，具有一定的不确定性。

传播速度主要用于声发射源的时差定位计算，而其不确定性成为影响源定位精度的主要因素。在实际应用中，波速难以用理论计算，需要用实验测量。对于大多数铁基金属材料容器，声发射波的典型传播速度约为3000m/s，在无法测得波速的情况下，可以将此值作为定位计算的初设值。

3)反射、折射与模式转换

在固体介质中，声发射源处同时产生纵波和横波两种传播模式。它们传播到不同材料界面时，可产生反射、折射和模式转换。入射横波和入射纵波除各自产生反射（或折射）纵波与横波外，在半无限体自由表面上，一定的条件下还可转换成表面波，如图1所示；在厚度接近波长的薄板中又会发生板波；厚度远大于波长的厚板结构中，波的传播变得更为复杂，其示意如图2所示。

图1 半无限大固体内的声发射波传播

O—波源L—纵波S—横波R—表面波

图2 厚板中的传播示意图

O—波源L—纵波S—横波R—表面波

声发射波经界面反射、折射和模式转换后，将产生多种不同模式的波，以不同波速、不同波程、不同时序到达传感器。因此，若声发射源产生的声发射波为一个尖脉冲波，则到达传感器时，可能以纵波、横波、表面波或板波及其多波程迟达波等复杂方式，分离成数个尖脉冲或经相互叠加而成为持续时间很长的复杂波形，有时长达数毫秒。此外，传感器频响特性及传播衰减等也会对仪器接收的声发射信号产生影响，使信号波形的上升时间变慢、幅度下降、持续时间变长、到达时间延迟、频率成分向低频偏移。这种变化将对声发射波波形的定量分析及常规参数分析带来一定的困难。

2 凯赛尔效应和费利西蒂效应

1)凯赛尔效应

凯赛尔效应是德国学者凯赛尔在1963年研究金属声发射特性时发现的。材料被重新加载期间，在应力值达到上次加载最大应力之前不产生声发射信号。多数金属材料和岩石中，可观察到明显的凯赛尔效应。但是，重复加载前，如产生新裂纹或其他可逆声发射机制，则凯赛尔效应会消失。

凯赛尔效应在声发射技术中有着重要用途，包括：

1）在役构件新生裂纹的定期过载声发射检测；

2）岩体等原先所受最大应力的推测：

3）疲劳裂纹起始与扩展的声发射检测；

4）通过预载措施消除加载销孔的噪声干扰；

5）加载过程中常见的可逆性摩擦噪声的鉴别。

2)费利西蒂效应和费利西蒂比

材料重复加载时，重复载荷到达原先所加最大载荷前发生明显声发射的现象，称为费利西蒂效应，也可以认为是反凯赛尔效应。重复加载时的声发射起始载荷（PAE）对原先所加最大载荷（Pmax）之比（PAE/Pmax），称为费利西蒂比。

费利西蒂比作为一种定量参数，较好地反映了材料中原先所受损伤或结构缺陷的严重程度，已成为缺陷严重性的重要评定判据。费利西蒂比大于1表示凯赛尔效应成立，而小于1则表示不成立。在一些复合材料构件中，费利西蒂比小于0.95作为声发射源超标的重要判据。

3 声发射监测原理

许多材料的声发射信号强度很弱，人耳不能直接听见，需要借助灵敏的电子仪器才能检测出来，用仪器探测、记录、分析声发射信号和利用声发射信号推断声发射源的技术称为声发射技术。声发射监测原理如图3所示，从声发射源发射的弹性波最终传播到达材料的表面，引起可以用声发射传感器探测的表面位移，这些探测器将材料的机械振动转化为电信号，然后再被放大、处理和记录，人们根据观察到的声发射信号进行分析与推断，以了解材料产生声发射的机制。

图3 声发射监测原理

三、声发射监测传感技术

1.传感器工作原理

某些晶体受力产生变形时，其表面出现电荷，而又在电场的作用下，晶片发生弹性变形，这种现象称为压电效应。压电转换元件具有自发电和可逆两种重要性能，加上它体积小、质量轻、结构简单、工作可靠、固有频率高、灵敏度和信噪比高等优点，压电式传感器的应用得到迅速的发展。常用声发射传感器的工作原理，基于晶体元件的压电效应，将声发射波所引起的被检件表面振动转换成电压信号，传输至信号处理器。

压电材料多为非金属介电晶体，包括锆钛酸铅、钛酸铅、钛酸钡等多晶体和铌酸锂、碘酸锂等单晶体。其中，锆钛酸铅（PZT-5）接收灵敏度高，是声发射传感器常用的压电材料。铌酸锂晶体居里点高达1200℃，常用作高温传感器。

传感器的特性参数包括频响宽度、谐振频率、幅度灵敏度。传感器特性参数取决于许多因素，包括：①晶片的形状、尺寸及其弹性和压电常数；②晶片的阻尼块及壳体中的安装方式；③传感器的耦合、安装及试件的声学特性。

2.传感器的类型

传感器可分为压电型、电容型和光学型。其中，常用的压电型又可分为谐振式（单端和差动式）、宽频带式、锥形式、高温式、微型、前放内置式、潜水式、定向式、空气耦合式和可转动式，其主要类型、特点和适用范围如表1所示。

表1 传感器的类型、特点和适用范围

3.传感器的结构

声发射传感器一般由壳体、保护膜、压电晶片、阻尼块、连接导线及高频插座等组成，其中谐振式高灵敏度传感器是声发射检测中使用最多的一种，结构形式如图4所示。

图4 压电型传感器的结构

压电元件多采用锆钛酸铅陶瓷晶片（PZT-5），起着声电转换作用。两表面镀上5～19μm厚的银膜，起着电极作用。陶瓷保护膜起着保护晶片及传感器与被检体之间的电绝缘作用。金属外壳对电磁干扰起着屏蔽作用。导电胶起着固定晶片与导电的作用。在差动式传感器中，正负极差接而成的两个晶片可输出差动信号，起着抑制共模电噪声的作用。传感器材料的选择，还应考虑诸如温度、腐蚀、核辐射、压力等检测环境因素。

声发射传感器阵列由声发射传感器和阵列固定装置组成，声发射传感器主要用于检测微弱的声发射信号，将信号变为系统可识别的电信号。起重装备钢材中焊接缺陷产生的声发射源其频率范围为25～750kHz，选用频率为150kHz的谐振式窄带声发射传感器来测量起重装备的声发射信号。阵列固定装置将几个传感器进行集成，通过磁吸附方式将声发射传感器与被测物很好地耦合。为了方便开展对起重装备的局部损伤监测，设计了多种阵列固定装置，如图5所示。阵列传感装置为每个传感器都预留了活动区域，保证在进行监测时声发射传感器的距离相对可调。

图5 声发射传感器阵列

四、声发射信号处理方法

1.声发射信号的参数分析方法

经过数十年的研究和生产实践，声发射参数分析法已经广泛应用并成为经典的声发射信号分析方法，在当前的声发射检测中广泛应用，且大部分声发射源的判断标准均采用简化波形的特征参数。尽管参数分析法还有很多需要完善的地方，但在多数情况下，它已被证明可以解决工程实践中的很多问题，并具有简单、易于计算处理的优势。

图6所示为突发型标准声发射信号简化波形参数的定义。由这一模型可得到撞击（事件）计数、振铃计数、能量、幅度、持续时间和上升时间等参数。对于连续型声发射信号，上述模型只有振铃计数和能量参数可以适用。为了更确切地描述连续型声发射信号的特征，引入了平均信号电平和有效值电压两个参数。

图6 声发射参数定义

表2列出了常用声发射信号参数的含义和用途。这些参数可定义为随时间或试验参数变化的函数，如声发射事件计数率、声发射振铃计数率和声发射信号能量率等。也可定义为时间或试验参数的函数，如总事件计数、总振铃计数和总能量计数等。这些参数之间也可以任意两个组合进行关联分析，如声发射事件—幅度分布、声发射事件能量—持续时间关联图等。

表2 声发射信号参数

以下介绍几种参数分析方法。

1)声发射信号单参数分析法

早期声发射仪器只有计数、能量或幅度等很少参数可以测量，因此，单参数分析方法是早期对声发射信号的分析和评价的主要方法，其中计数分析法、能量分析法和幅度分析法是早期最常用的分析方法。

计数分析法是处理声发射脉冲信号的一种常用方法。目前应用的计数分析法有声发射撞击（或事件）计数率法与振铃计数率法及混合计数法，另外还有一种对振幅加权的计数方式，称加权振铃计数法。声发射事件是材料内局域变化产生的单个突发型信号，声发射计数（振铃计数）是声发射信号超过某一设定门槛值的次数，计数率是单位时间内信号超过门槛值的次数，声发射计数率依赖于换能器的响应频率、换能器的阻尼特性、结构的阻尼特性和阈值的水平。对于一个声发射事件，由换能器探测到的声发射计数为

式中，f0为换能器响应中心频率；β为波形的衰减系数；Vp为声发射信号峰值电压；Vt为阈值电压。

计数分析法的缺点是受被测物体几何形状、门槛值电压、换能器特性、放大器和滤波器工作状况等因素的影响较大。

能量分析法是定量测量声发射信号的主要方法之一。声发射信号的能量正比于声发射波形的面积，通常用方均根电压Vrms或均方电压Vms进行声发射信号能量测量，也可直接测量声发射信号波形的面积。对于突发型声发射信号可以测量每个事件的能量。声发射信号能量的测量与材料的声发射事件的机械能、应变率或形变机制等重要物理参数具有紧密的关系，而不需要建立声发射信号的模型。能量测量同样解决了小幅度连续型声发射信号的测量问题。

信号峰值幅度和幅度分布可以更多地反映声发射源的信息，信号幅度与材料中产生声发射源的强度有直接关系，幅度分布与材料的形变机制有关。声发射信号幅度的测量的影响因素包括换能器的响应频率、换能器的阻尼特性、结构的阻尼特性和门槛值水平等。通过应用对数放大器，不论声发射信号的大小都可以对其进行精确的峰值幅度测量。

2).声发射信号的经历图分析法

声发射信号的经历图分析法通过分析声发射信号参数随时间或外变量变化的情况，从而得到声发射源的活动情况和发展趋势。经历图分析是常用、直观的分析方法。经历图分析法可以对声发射源的活动性进行评价、对恒载声发射进行评价以及起裂点测量。

3).声发射信号的分布图分析法

声发射信号的分布图分析法是将声发射信号撞击计数或事件计数按信号参数值进行统计分布分析。一般纵轴表示撞击计数或事件计数，横轴表示声发射信号的任一参数，横轴表示的参数（如幅度分布、能量分布、振铃计数分布、持续时间分布及上升时间分布等）即为该参数的分布图。其中幅度分布图应用最为广泛。运用分布图分析可以发现声发射源的特征，这样可以鉴别声发射源类型，如金属材料的裂纹扩展、塑性变形和复合材料的纤维断裂等，也是检测声发射源强度的常用方法。

4).声发射信号的关联分析方法

关联分析方法也是声发射信号分析中常用的方法之一。对声发射信号的任意两个波形特征参数可做其关联图进行分析，图中二维坐标轴各表示一个参数，每个显示点对应于一个声发射信号撞击或事件。通过不同参量之间的关联图，可以分析不同AE源的特征，从而起到鉴别AE源的作用。如有些电子干扰传导通常具有很高的幅度，但能量却很小，通过幅度-能量关联图即可将其区分出来；对于压力容器来说，内部介质泄漏信号与容器壳体产生的信号相比，具有长得多的持续时间，通过能量-持续时间或幅度-持续时间关联图分析，很容易发现压力容器的泄漏。

5).声发射信号的列表显示法

列表显示法是将声发射信号参数进行时序排列并直接显示，包括信号到达的时间、各声发射信号参数、外变量和声发射源坐标等。可以通过对各声发射信号参数进行时序排列和直接显示，观察系统对模拟源的响应，并对声发射源的强度等这样的特殊问题进行分析。

由于声发射信号参数分析方法对声发射仪的要求较低，分析方式简单、直观，实时性好，分析速度快，且对于检测人员更容易掌握和操作，因此是工程检测中最主要使用的方法。然而，尽管每一个声发射参数都能提供与声发射源特征的相关信息，但对于不同的试验条件，不同的材料结构，以及不同的选用参数，在整个处理过程中所得到的声发射源的评价也会不同。另一个声发射参数分析方法的缺点在于，声发射参数只是描述声发射信号波形的有限特征，用其表征整个声发射源的特征尚存在一定偏差。

2.其他信号处理方法

声发射检测的主要目的之一是辨别产生声发射源的波形特征，由于声发射源处的波在传播过程中会发生衰减、吸收以及边界处发生折射、反射，而且信号经采集电路和放大电路处理后其波形已明显地畸变。因此，如何从采集到的声发射波来反推原始波形，将有用信号和噪声信号进行分离以及修正测量系统的误差一直是科研工作者面临的难题。

声发射信号处理技术是指利用计算机，通过数值计算对采集到的声发射信号进行变换、综合、评估以及识别等处理，以提取有实际意义的关于声发射源的信息。声发射信号处理技术依托计算机技术的进步，通过数值计算使面目全非的声发射源变得清楚明显。声发射信号处理的方法主要包括快速傅里叶变换、神经网络、模式识别、小波分析、相关性分析、典型滤波及自适应滤波等。

1).快速傅里叶变换（FFT）

FFT是离散傅里叶变换（DFT）的一种快速算法，在确定DFT系数时，使所要求的乘法及加法次数减少。FFT算法的实质是把一个长数据列x(n)经过几次分选抽取，分割成2个n/2序列，然后再分成4个n/4序列，直到最后每个序列只剩两项为止，对最后两项序列做DFT计算，分别算出分割后子序列的频谱，然后按照一定的规则组合，即可得到整个序列x(n)的频谱。

2).神经网络

神经网络是人工神经网络的简称，是模拟人类形象思维的重要方法之一。工程实践中，利用神经网络经过大量样本学习所具有的较强泛化能力的特点，可将传感器的每一次测量值作为一条证据，经过运算，得到该证据对各待识别目标的基本概率赋值函数后，再使用D-S证据理论将每条证据的基本概率赋值函数进行融合，得到最终的识别结果。常用的神经网络为B-P网络模型，由输入层及其节点、输出层及其节点、一层至多层隐层及其节点构成，如图7所示。输入值首先由输入层正向传至隐层节点，按照一定的误差算法（如最小二乘法、最小均方误差等）经特性函数（常用S型函数）作用后，再传至下一隐层，直到最终传至输出层输出，在传播过程中每经过一层都要由相应的特性函数进行变换。

图7 B-P网络

3.小波分析

小波是出现时间很短的振荡波，通常只有几个循环周期。小波分析是20世纪80年代后期形成的一门新兴的数学分支，它是在傅里叶变换的基础上发展起来的，但与傅里叶分析有明显的不同。小波变换可以将单一的时域信息变换为时间-频率域信息，可以将信号进行多尺度分解，分解成不同频段的时域信号，该方法已成为目前国际上应用较广的时频域分析工具，在非平稳的损伤信号识别中正发挥着越来越重要的作用。

当一个函数Ψ(t)∈L2 (R)满足以下性质时：

这个函数Ψ(t )可以称为小波或母小波。将母小波Ψ(t )经过尺度伸缩和时间平移后可得

式中，Ψa,b(t)为一个小波序列；b为平移参数；a为尺度参数。在不同尺度下小波的持续时间随a加大而增宽，幅度与a呈反比减小，但波的形状保持不变。

对于任意x(t)∈L2(R)的函数，关于小波基Ψa,b(t)的连续小波变换（CWT）定义为

连续小波变换的逆变换定义为

式中，Ψ(ω)为函数Ψ(t )的傅里叶变换。

五、典型声发射监测系统

1.声发射监测系统

声发射监测系统一般可分为功能单一的单通道型（或双通道型）、多通道多功能的通用型和工业专用型，其特点与适用范围如表3所示。

表3 声发射监测系统的类型、特点与适用范围

单通道声发射监测仪由传感器、前置放大器、数据采集处理系统、记录与显示单元等构成，如图8所示

图8 单通道声发射监测仪

声发射传感器是声发射信号拾取的关键部件，主要用于检测微弱的声发射信号，将信号变为系统可以识别的电信号，送入前置放大器中进一步放大。一般要求声发射传感器灵敏度要高、频带尽量宽，以利于检测到微弱的宽频带范围的声发射信号。

前置放大器置于传感器附近，传感器的输出信号先经过它放大后再经过长电缆传送到主机。其作用如下：

1）为高阻抗的传感器与低阻抗的传输电缆之间提供匹配，以减少信号衰减。

2）通过放大微弱的输入信号抑制电缆噪声，以提高信号的信噪比。

3）提供频率滤波。前置放大器可以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处理系统之间由电缆连接。

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等不同的规格型号，根据采样精度通常会有18bit、16bit等不同的规格型号。

记录与显示单元通常由计算机加专用声发射软件组成，计算机选用笔记本电脑或台式机，软件实现信号采集、数据处理、数据重放和显示，具有声发射特征参数提取、波形采集和显示、定位分析和频谱分析等功能，方便材料及构件的性能分析研究。

微机控制式多通道系统如图9所示，采用多处理器并行处理结构，由高速采集用传感器/前置放大器、独立采集用独立通道控制器、协调用总通道控制器、数据分析用主计算机构成。

图9 微机控制式多通道系统

独立通道控制器分别控制着两个独立信号通道，进行撞击参数组的测量，包括撞击与振铃计数、能量、幅度、持续时间、上升时间、有效值电压、平均信号电平和到达时间等常规参数，并快速存储于大容量输出缓冲器。缓冲器在前端高速测量与后续低速主处理器之间进行速率匹配，以防止主机丢失高频度信号数据。由于采用并行处理结构，在不降低采集速度的情况下，可扩展达数十个检测通道，原理上可扩展达128个通道。

总通道控制器具有容量更大的缓冲器，并在前端与主机之间起着协调作用，它将所读撞击参数组和外变量，以及每个撞击到达传感器的次序，逐个供给主机并存于硬盘。由于采用全局定时法，在每个通道的每个撞击的数据集中，都包含着精度为0.25μs的到达传感器的绝对时间，而不是时差。这种数据结构为检测人员事后任意选择其他定位软件提供了机会。

计算机可采用IBM兼容机，在各种软件的支持下，可实现实时或事后的分析与显示。软件的功能包括：①实时数据采集，包括条件设置、转存和显示方式选择；②源定位，包括一维、二维定位及事件集中区显示；③事后分析，包括数据滤波和编程功能；④三维图显示；⑤在附件支持下的波形记录与谱分析。

以美国物理声学PAC公司的多通道SAMOS声发射探测系统为例，如图10所示，该系统是全数字化系统，其核心是并行处理PCI总线的声发射功能卡PCI-8板，在一块板上具有8个通道的实时声发射特征提取、波形采集及处理的能力。技术性能指标如下：

1）直接集成于计算机PCI总线结构的、每卡8个通道的声发射系统。

2）每个通道具有至少4个高通及4个低通硬件滤波器，并可通过软件选择带宽组合。

3）每个通道具有独立的脉冲发生器以实现传感器的自动测试。

4）在声发射卡上有2个外参数输入通道。

5）每一通道具有内置的平方（Square）信号处理组件以实现真实能量与方均根（RMS）特征抽取。

6）系统为数字化，是16位A-D高分辨率系统。

7）系统的采样率为3 MSample/s。

8）系统的频率范围为1～400 kHz。

9）系统的动态范围不小于82dB。

10）系统输入电压范围为±10V。

11）系统配置数字化的I/O端口，具有输入控制和报警输出功能。

12）声发射探测系统可进行声发射特征、波形及外参数输入的实时同步采集与特征提取。

13）系统具有一体化的、基于Windows系统的同步声发射采集、特征抽取与信号分析软件（如可同步实现声发射及外参数特征抽取、波形采集、实时图形显示、FFT、定位、聚类分析和数字逻辑滤波等）。

14）系统提供LabView和C++ 驱动程序，方便用户进行二次开发。

图10 多通道SAMOS声发射探测系统

2.基于光纤传输的声发射监测系统

传统的声发射检测方法将声发射信号通过电缆传输，但电缆具有传输距离有限、易受干扰等缺点，使得传统的声发射监测系统无法满足远距离监测的要求。为此，设计基于光纤传输的装备局部损伤声发射监测系统，它主要由声发射传感器阵列、声发射预处理子系统、光纤传输子系统和声发射监测软件子系统等组成，如图11所示。该系统克服了传统声发射监测系统的缺点，实现了声发射信号的远距离传输，具有抗干扰能力强、信号传输距离远等特点。

图11 基于光纤传输的局部损伤声发射监测系统

声发射传感器阵列由声发射传感器和阵列固定装置组成，主要用于检测微弱的声发射信号，将信号变为系统可识别的电信号。

光纤声发射预处理子系统实现采集信号的数据处理功能。由于声发射传感器采集的信号比较微弱，首先对其进行放大、滤波等处理，然后将模拟信号转换为数字信号，由FPGA控制完成实时声发射特征提取及波形采集。由于输出的数据是USB协议的，为了保证光纤传输子系统的模块化和通用性，将其输入设计为RJ45协议形式，因此光纤声发射数据采集模块还负责将USB协议的信号转换为RJ45协议形式，为信号的传输做准备。

光纤声发射传输子系统输出的光信号通过该系统的光纤进行长距离传输，接收到的微弱光信号经过光电解调模块还原为电信号，送至计算机进行数据分析和处理。光纤声发射传输子系统主要由RJ45接口和隔离变压器、光电介质电路、光收发电路、电源和配置四部分组成，系统结构如图12所示。其工作原理为：从RJ45非屏蔽双绞线铜缆连接器的3和6脚引入以太网的数据，经过耦合滤波电路对信号进行滤波，然后将信号送到光电介质电路中，光电介质电路翻译或重定格式数据，完成一个电平转换，信号被传送到光收发电路中，光收发电路再把数据发送到光缆中，同时数据经过光纤传到另一个光收发电路中，进行与上面相反的工作，随后通过RJ45接口传出数据，这样就完成了数据的光纤传输。

图12 光纤声发射传输子系统结构

光纤声发射监测软件包括参数设置模块、数据采集模块和数据分析模块，主要完成对声发射监测信号的采集、处理、显示和存储等，直观展现装备的局部损伤状况。

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