付銅玲，李一博，靳世久

（天津大學(xué)精密測(cè)試技術(shù)及儀器國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072）

0 引言

近些年來(lái)，國(guó)內(nèi)外石油儲(chǔ)罐泄漏事件屢有發(fā)生，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)造成重大損失的同時(shí)也嚴(yán)重污染了環(huán)境。在儲(chǔ)罐泄漏事故中，儲(chǔ)罐底板腐蝕穿孔發(fā)生頻率最高［1］因此，對(duì)石油儲(chǔ)罐罐底腐蝕情況進(jìn)行檢測(cè)與監(jiān)控尤為重要。在眾多檢測(cè)方法中，基于聲發(fā)射技術(shù)的罐底腐蝕和泄漏在線(xiàn)檢測(cè)方法得到廣泛應(yīng)用［2～5］。傳統(tǒng)聲發(fā)射檢測(cè)方法不能有效消除來(lái)自?xún)?chǔ)罐內(nèi)部的噪聲干擾［6］，腐蝕信號(hào)中混有的大量噪聲成為后續(xù)腐蝕區(qū)域準(zhǔn)確定位的障礙。針對(duì)這一問(wèn)題，對(duì)傳統(tǒng)儲(chǔ)罐罐底腐蝕聲發(fā)射檢測(cè)方法進(jìn)行改進(jìn)，提出一種儲(chǔ)罐罐底腐蝕聲發(fā)射內(nèi)檢測(cè)方法。

內(nèi)檢測(cè)方法打破了傳統(tǒng)檢測(cè)方式，搭載信號(hào)采集系統(tǒng)的內(nèi)檢測(cè)器在儲(chǔ)罐油品內(nèi)部近距離地對(duì)腐蝕區(qū)域進(jìn)行腐蝕聲發(fā)射檢測(cè)，多途效應(yīng)減弱，噪聲干擾大大減少。內(nèi)檢測(cè)器數(shù)據(jù)采集要求高速、高精度，需要一個(gè)處理能力強(qiáng)的嵌入式平臺(tái)，而PC104是一種優(yōu)化的小型堆棧式結(jié)構(gòu)的嵌入式控制系統(tǒng)，正好符合這一要求。本文設(shè)計(jì)一種基于PC104的儲(chǔ)罐罐底腐蝕聲發(fā)射信號(hào)的采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)內(nèi)檢測(cè)器對(duì)儲(chǔ)罐罐底聲發(fā)射信號(hào)的采集和存儲(chǔ)。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

基于PC104的聲發(fā)射采集系統(tǒng)由四部分組成，聲發(fā)射傳感器、前處理電路、基于PC104的數(shù)據(jù)采集模塊以及基于PC104的CPU模塊，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 基于PC104的聲發(fā)射采集系統(tǒng)框圖Fig 1 Block diagram of acoustic emission acquisition system based on PC104

聲發(fā)射傳感器是腐蝕聲發(fā)射檢測(cè)的關(guān)鍵裝置，是檢測(cè)系統(tǒng)的首要環(huán)節(jié)。系統(tǒng)選用美國(guó)物理聲學(xué)公司（PAC）的R3α型壓電式聲發(fā)射傳感器，中心頻率為30 kHz。

聲發(fā)射信號(hào)經(jīng)由聲發(fā)射傳感器接收進(jìn)入前處理電路，前處理電路由電荷放大電路和比例放大電路組成。

在聲發(fā)射波激勵(lì)下，聲發(fā)射傳感器輸出的電荷信號(hào)經(jīng)電荷放大器轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，電荷放大器實(shí)際等效電路如圖2所示。圖中Cs為聲發(fā)射傳感器等效的電容，其漏電阻為Rs，Cc是傳感器的電纜電容，Ri和Ci分別為運(yùn)算放大器的輸入阻抗和輸入電容。根據(jù)聲發(fā)射信號(hào)頻帶情況，綜合考慮聲發(fā)射信號(hào)的下限頻率、噪聲和漂移，需要合理地選擇R，C 值，本文選取 R=470 MΩ，C=510 pF。

圖2 電荷放大電路的實(shí)際等效電路圖Fig 2 Equivalent circuit of charge amplifier

電荷放大器輸出的電壓信號(hào)大小約為20dB，為有效地采集數(shù)據(jù)，需要增益為40 dB的放大器。單個(gè)AD820放大器的增益帶寬積（GBP）為1．8 MHz，在放大40 dB情況下，帶寬僅為18 kHz，不滿(mǎn)足聲發(fā)射信號(hào)帶寬要求，因此，選用2個(gè)各自增益更低、帶寬更寬的同相級(jí)級(jí)聯(lián)在一起，當(dāng)兩級(jí)增益相等即分別為20 dB時(shí)帶寬最寬，經(jīng)計(jì)算此時(shí)帶寬為64．3 kHz，滿(mǎn)足集聲發(fā)射信號(hào)帶寬要求。2個(gè)同相放大器級(jí)聯(lián)電路圖如圖3所示。

圖3 同相放大器級(jí)聯(lián)電路圖Fig 3 In-phase amplifier cascaded circuit

基于PC104的數(shù)據(jù)采集模塊和CPU模塊是系統(tǒng)核心硬件設(shè)備，分別選擇美國(guó)RTD公司的數(shù)據(jù)采集模塊DM6420和CPU模塊 CME137686LX。其中，DM6420模塊具有 16個(gè)單端輸入通道，12位分辨率，最高采樣率500kHz，滿(mǎn)足聲發(fā)射信號(hào)采集要求。同時(shí)，CME137686LX模塊在性能和速度上都很好地支撐數(shù)據(jù)采集模塊完成信號(hào)采集。

此外，系統(tǒng)工作在一個(gè)相對(duì)非穩(wěn)定的環(huán)境，內(nèi)檢測(cè)器在液體場(chǎng)運(yùn)動(dòng)時(shí)，不可避免地有晃動(dòng)出現(xiàn)，對(duì)各器件的抗震性提出了較高要求，而硬盤(pán)是系統(tǒng)中抗震性最差的器件。因此，固態(tài)硬盤(pán)是唯一的選擇?？紤]到游弋式傳感器機(jī)械體的空間限制，設(shè)計(jì)選用2．5 in（1 in=2．54 cm）寬溫固態(tài)硬盤(pán)，容量為256 GB，滿(mǎn)足了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)要求。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

主控系統(tǒng)軟件程序的開(kāi)發(fā)環(huán)境為L(zhǎng)abWindows，PC104 CPU板卡的操作系統(tǒng)選用Windows XP Embedded。程序的總體流程分為:設(shè)備的初始化和數(shù)據(jù)的采集與存儲(chǔ)。PC104CPU模塊和PC104數(shù)據(jù)采集模塊上電后，采集程序先對(duì)兩模塊進(jìn)行初始化，對(duì)所需功能進(jìn)行驗(yàn)證無(wú)誤后開(kāi)始數(shù)據(jù)的采集與存儲(chǔ)。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖Fig 4 Flow chart of system software design

儲(chǔ)罐罐底腐蝕產(chǎn)生的是典型的突發(fā)型聲發(fā)射信號(hào)，但因?yàn)閿?shù)據(jù)采集的連續(xù)性，采集的信號(hào)中2個(gè)聲發(fā)射信號(hào)之間是大量無(wú)用的噪聲信號(hào)。因此，需要對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行判斷，確定為聲發(fā)射信號(hào)后再存儲(chǔ)。

如圖5所示，突發(fā)型聲發(fā)射信號(hào)有個(gè)明顯的上升階段，系統(tǒng)采用閾值法對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行判斷。當(dāng)采集到的信號(hào)中有過(guò)閾值的數(shù)據(jù)點(diǎn)即認(rèn)為采集到的信號(hào)是聲發(fā)射信號(hào)，本設(shè)計(jì)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)值將閾值設(shè)為60 dB。

圖5 典型的突發(fā)型聲發(fā)射信號(hào)的波形Fig 5 Waveform of a typical burst acoustic emission signal

為實(shí)現(xiàn)將完整的聲發(fā)射信號(hào)記錄下來(lái)，本文設(shè)計(jì)提出以下方案:

1）選擇閾值方法對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，一旦發(fā)現(xiàn)有過(guò)閾值的數(shù)據(jù)點(diǎn)才斷定為所需信號(hào)，對(duì)其后的一定長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。從聲發(fā)射信號(hào)的波形圖可以看出:過(guò)閾值點(diǎn)之前一定還存在一部分信號(hào)數(shù)據(jù)段，這樣過(guò)閾值點(diǎn)之前的那部分信號(hào)的信息就會(huì)丟失。對(duì)于這一問(wèn)題，本文設(shè)定一定長(zhǎng)度的內(nèi)存段專(zhuān)門(mén)用于存放當(dāng)前采集點(diǎn)之前的N個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。在采集到過(guò)閾值的數(shù)據(jù)點(diǎn)后，將這N個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)與過(guò)閾值其后一定長(zhǎng)度的信號(hào)一并存儲(chǔ)，這方面數(shù)據(jù)丟失問(wèn)題即得到解決。

2）在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，有2種方式:非DMA傳輸方式和DMA傳輸方式。非DMA傳輸方式是采集卡采集到需要存儲(chǔ)的大量數(shù)據(jù)通過(guò)芯片進(jìn)入CPU，再由CPU傳輸?shù)紺PU板卡的內(nèi)存空間。由于傳輸速度比較慢，占用CPU工作時(shí)間，這期間要有部分?jǐn)?shù)據(jù)丟失。而系統(tǒng)采用的DMA傳輸方式可使大量數(shù)據(jù)不經(jīng)過(guò)CPU直接通過(guò)芯片進(jìn)入CPU板卡內(nèi)存，這樣不但極大提高了數(shù)據(jù)傳輸速度，減少數(shù)據(jù)丟失，同時(shí)還降低了CPU功耗與發(fā)熱量。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證本文所設(shè)計(jì)的腐蝕聲發(fā)射信號(hào)采集系統(tǒng)的采集效果，設(shè)計(jì)了一系列對(duì)比實(shí)驗(yàn)。使用標(biāo)準(zhǔn)的美國(guó)物理聲學(xué)公司（PAC）公司生產(chǎn)的大型聲發(fā)射儀和本文設(shè)計(jì)的基于PC104的聲發(fā)射采集系統(tǒng)對(duì)相同斷鉛聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行采集與存儲(chǔ)，并對(duì)二者的采集情況進(jìn)行比對(duì)。

將2個(gè)R3α型聲發(fā)射傳感器耦合在事先準(zhǔn)備的材質(zhì)均勻鋼板上，使用固定裝置固定好，再分別將其接入PC104采集系統(tǒng)和PAC聲發(fā)射儀。在傳感器位置連線(xiàn)中點(diǎn)上進(jìn)行斷鉛操作，兩系統(tǒng)對(duì)同一斷鉛信號(hào)進(jìn)行采集，實(shí)驗(yàn)布局示意圖如圖6所示。

圖6 實(shí)驗(yàn)布局示意圖Fig 6 Schematic diagram of experimental arrangement

實(shí)驗(yàn)分別對(duì)50組斷鉛信號(hào)進(jìn)行采集，選取其中一組PAC聲發(fā)射儀與基于PC104的聲發(fā)射采集系統(tǒng)采集的斷鉛信號(hào)波形圖，如圖7所示。

圖7 斷鉛信號(hào)波形對(duì)比圖Fig 7 Waveform comparison digaram of broken lead signal

聲發(fā)射標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的幾個(gè)重要特征值分別為:振鈴次數(shù)、幅值、持續(xù)時(shí)間、上升時(shí)間、初始頻率、絕對(duì)能量值。為了進(jìn)一步對(duì)比兩系統(tǒng)的采集情況，對(duì)PAC聲發(fā)射儀和基于PC104的聲發(fā)射采集系統(tǒng)采集到的50組聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)特征值提取并取平均值。特征值提取后分別計(jì)算本系統(tǒng)相對(duì)PAC聲發(fā)射儀各特征值的相對(duì)誤差。各特征值的提取與誤差情況如表1所示。

表1 各特征值的提取與誤差Tab 1 Extraction of eigenvalues and their errors

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明:本文設(shè)計(jì)的基于PC104的聲發(fā)射采集系統(tǒng)能夠采集到所需的聲發(fā)射信號(hào)，并與聲發(fā)射儀采集到的信號(hào)進(jìn)行了波形圖和特征值的比對(duì)，誤差最大約為1%，能夠滿(mǎn)足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

目前，在役的石油儲(chǔ)罐數(shù)量逐漸增多，但傳統(tǒng)的儲(chǔ)罐罐底腐蝕聲發(fā)射檢測(cè)方法已不能滿(mǎn)足現(xiàn)階段的需要。該基于PC104的儲(chǔ)罐罐底腐蝕聲發(fā)射采集系統(tǒng)，嵌入式結(jié)構(gòu)，采集信號(hào)準(zhǔn)確，適合儲(chǔ)罐內(nèi)部檢測(cè)，為儲(chǔ)罐罐底腐蝕聲發(fā)射內(nèi)檢測(cè)方法的實(shí)施創(chuàng)造了條件，具有廣闊應(yīng)用前景。

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