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（天津大學 精密儀器與光電子工程學院，天津 300072）

聲發(fā)射是材料中由局部應力集中源的能量迅速釋放而產生瞬時彈性波的現(xiàn)象。用儀器探測、記錄和分析聲發(fā)射信號以及利用聲發(fā)射信號推斷聲發(fā)射源的技術稱為聲發(fā)射檢測技術。由于該技術具有效率高、成本低、靈敏度高等優(yōu)點，已經廣泛用于對材料力學性能檢測、大型結構健康監(jiān)測等領域［1]。近些年，金屬腐蝕的聲發(fā)射在線檢測技術研究是國內外聲發(fā)射檢測領域的熱點［2－3]。根據(jù)研究，金屬腐蝕過程中會產生極其微弱的聲發(fā)射信號，而在腐蝕不同階段聲發(fā)射信號的特征也不盡相同，這就為檢測腐蝕類型和程度提供了依據(jù)［4]。尤其對于應力腐蝕開裂檢測來說，發(fā)現(xiàn)早期的裂紋萌生和擴展，對于金屬結構的安全監(jiān)測具有重要的現(xiàn)實意義［5]。

現(xiàn)代聲發(fā)射儀的結構一般由聲發(fā)射傳感器、信號調理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、主控制器、存儲器、通訊模塊和電源模塊等組成［6]。其中信號調理系統(tǒng)是實現(xiàn)檢測微弱聲發(fā)射信號的關鍵，其主要功能就是將聲發(fā)射傳感器輸出的微弱信號進行放大和濾波。將μV級的信號放大到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的量程至少需要百倍甚至千倍。要實現(xiàn)如此高的放大倍數(shù)，對電路的穩(wěn)定性和噪聲抑制能力均提出了更高的要求。筆者在分析噪聲的基礎上，針對金屬腐蝕聲發(fā)射信號的特點，設計并實現(xiàn)了一種結構簡單、信噪比高的聲發(fā)射信號調理系統(tǒng)。

(三)死刑的執(zhí)行。在刑事司法實踐中，死刑的執(zhí)行同樣留有余地，可以免除一死。這些余地，不僅是法律對人生命的尊重，更是給合法不合理案件留有修正的機會。死刑的執(zhí)行中，有緩刑、流放等多種替代方式。在彌爾松的《普通法的歷史基礎》中這樣記載：“在18、19世紀里，只有少部分死刑判決得到執(zhí)行，大部分都被以流放的形式執(zhí)行”。那個時候，大部分死刑犯人被流放到美國、澳大利亞等英國殖民地，而真正實行死刑的人并不多，可苔絲就不幸成為其中一位。

1)風機風筒內氣流流動類似于管道內氣體流動，參考管道內氣流速度分布特征，斷面Ⅰ—Ⅰ平面內風流并非均用分布，機殼附近氣流速度小而靜壓大，而風筒中心區(qū)域氣流速度大而靜壓小，而斷面Ⅰ—Ⅰ處靜壓測點布置在機殼上，因此測得斷面Ⅰ—Ⅰ靜壓大于斷面Ⅰ—Ⅰ實際平均靜壓，造成測得的風機風量大于真實風量。

1 信號調理系統(tǒng)設計

聲發(fā)射傳感器一般采用壓電陶瓷作為敏感元件，其在外部應力作用下會產生電荷，因此首先需要采用電荷放大電路將微弱的電荷信號轉換成電壓信號［7]。該電壓信號還需要進一步放大和濾波以滿足模數(shù)轉換的量程范圍和噪聲要求。整個信號調理系統(tǒng)包括電荷放大電路、電壓放大電路和帶通濾波電路。

1.1 電荷放大電路

式中：K為波爾茲曼常數(shù)（1.38×10－23J/K）；T為熱力學對溫度；B為帶寬；R為電阻。

圖1 電荷放大電路的實際等效電路模型

式中：1.3為濾波器修正系數(shù)；A為該噪聲信號的輸出總增益；VN為頻域的噪聲值。

從表1中可以看出，在電路中起決定作用的噪聲源為電荷放大器所用運放的電壓噪聲VN2，故選用輸入電壓噪聲小的運算放大器實現(xiàn)電荷放大器是減小整個系統(tǒng)噪聲的關鍵。

由于后面濾波器的存在，故可以忽略濾波頻帶以外的噪聲，于是按照式（3）計算各項輸出噪聲電壓VRMS：

由于輸入電纜電容的增大和反饋電容的減小會在輸出端引起較大的噪聲電壓，而運算放大器的零漂則會因反饋電阻的減小和放大器輸入電阻的減小而增大。因此經綜合考慮選取R＝22 kΩ，C＝100 p F，以在保證高電荷靈敏度的同時使信號的失真度控制在可接受的范圍內。

1.2 電壓放大電路

由于聲發(fā)射信號非常微弱，故經過電荷放大器的Q/U轉換后還需要對信號進行放大。當放大倍數(shù)為60 dB、帶寬達1 MHz時即可滿足金屬腐蝕聲發(fā)射檢測的要求［8]。在放大電路的實現(xiàn)上，考慮到反相放大電路輸入阻抗低，不能滿足低噪聲的要求，故采用同相放大電路，如圖2所示。

圖2 同相放大電路

考慮到對增益、帶寬的要求，需要高速放大器，故采用AD829，其單位增益帶寬積可達130 MHz，共模抑制比為120 dB，完全滿足信號帶寬和同相放大電路對運放共模抑制比的要求。補償電容C6可以使運放在低放大倍數(shù)條件下穩(wěn)定工作，R2和R1的比值決定了放大電路的放大倍數(shù)，C2做相位補償，C1限制信號的低頻通路，使放大電路表現(xiàn)為高通特性，濾除低頻信號，以抑制音頻干擾。

1.3 帶通濾波器設計

為進一步抑制音頻和高頻電磁噪聲的干擾，還必須在放大電路之后增加帶通濾波電路。由于壓控電壓源型（Sallen－key）濾波器對運放理想程度依賴性最低，故基于Sallen－key濾波器模型［9]，設計了一個由四階低通串聯(lián)二階高通組成的巴特沃斯型帶通濾波電路［10]，如圖3所示。其－3 dB帶寬為100～500 kHz。

圖3 Sallen－key帶通濾波器設計

2 電路噪聲分析

對于裂紋萌生、金屬點蝕等檢測，能夠檢測到越微弱的聲發(fā)射信號越有利于及時發(fā)現(xiàn)被檢測對象早期的缺陷。因此對電路噪聲進行分析，進而有針對性的進行抑制，是實現(xiàn)低噪聲聲發(fā)射信號調理系統(tǒng)的關鍵。

電路中噪聲源主要由運放的電壓噪聲、電源噪聲和電阻熱噪聲組成［11]。其中電阻熱噪聲可根據(jù)式（2）計算。

工序加工能耗包括工序加工過程中的切削過程能耗、空切過程能耗、工件裝夾過程能耗和磨頓換刀過程能耗[11]。因此，調度過程中的工序加工能耗

傳感器與電荷放大電路的等效電路模型，如圖1所示。

國家“十三五”規(guī)劃綱要提出，注重高校創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)：“實行學術人才和應用人才分類、通識教育和專業(yè)教育相結合的培養(yǎng)制度，強化實踐教學，著力培養(yǎng)學生創(chuàng)意創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力”；“加快學習型社會建設”[1]。這些規(guī)劃綱要的發(fā)展理念和建設目標，對高校通識教育發(fā)展方向有普遍的指導意義，通識教育成為各高校人才培養(yǎng)模式變革研究的熱點。

圖中，VN1和VN2分別代表運放U1和U2的電壓噪聲，VN＿R1代表電阻R1的熱噪聲。R6為聲發(fā)射傳感器的內阻，C4為聲發(fā)射傳感器的等效電容，由試驗測得。

圖4 前端放大電路的噪聲模型

由于電路中前端的電荷放大電路和同相比例放大電路的信號增益很大，是主要噪聲源，故主要分析這部分電路的噪聲。其等效噪聲模型如圖4所示。

式中：K為運算放大器N的開環(huán)放大倍數(shù)；ω為傳感器供電角頻率。

圖1中Q，Cs以及漏電阻Rs并聯(lián)構成了聲發(fā)射傳感器的等效電路模型，Cc是電纜電容，Ri和Ci分別為所選的運算放大器的輸入阻抗和輸入電容。考慮到C電荷的泄放和加入直流負反饋以穩(wěn)定工作點，在C兩端并聯(lián)電阻R。則電路輸出為：

經計算得系統(tǒng)主要噪聲值如表1所示。

表1 系統(tǒng)噪聲主要噪聲源及其均方值

(5)穩(wěn)定運行8 h后，對液硫外輸泵(P-303)出口的液硫和氣相分別取樣，分析液硫中硫化氫含量、酸度以及氣相中硫化氫含量;若液硫中硫化氫質量分數(shù)仍大于15×10-6，提高流量調節(jié)閥FV-31201、FV-31301開度，將流量增至850 m3/h。

3.開拓創(chuàng)新，增強企業(yè)發(fā)展的適應性。數(shù)字化時代最大的特點是快，其將快速消費文化發(fā)揮得淋漓盡致。在此情形下，就要求企業(yè)更加具有創(chuàng)新意識，謹記“大眾創(chuàng)業(yè)，萬眾創(chuàng)新”理念，在國家政策的指引下積極投身于企業(yè)創(chuàng)新發(fā)展，增強企業(yè)對現(xiàn)代市場發(fā)展的適應性，促進企業(yè)快速發(fā)展。

3 試驗驗證

3.1 系統(tǒng)底噪測試與分析

為測試系統(tǒng)底噪，必須消除環(huán)境聲學噪聲通過傳感器耦合進電路的影響，故采用一個與傳感器等效電容大小相近的1 000 p F聚苯乙烯電容代替?zhèn)鞲衅?。經測試，噪聲峰峰值約為40.0 mV，如圖5所示。

圖5 噪聲測試結果

而利用噪聲模型計算得系統(tǒng)理論噪聲為：

2.圍繞提升專業(yè)能力素質構建專業(yè)支撐課程。支撐課程是對學員專業(yè)能力素質起基礎和支撐作用的課程，對打牢學員的學科專業(yè)基礎、掌握扎實的專業(yè)理論知識，提高對部隊裝備和訓練變換的適應能力有著重要作用。對于這類課程的定位，要充分考慮部隊任職崗位及未來崗位變化對學員專業(yè)能力的要求。既要注重讓學員掌握寬厚的專業(yè)基礎知識，又兼顧讓學員掌握專業(yè)技術學習和訓練的基本方法，形成知識遷移和自主學習的能力，為學員的后續(xù)發(fā)展進行知識儲備。

式中：A為信號增益，包括電荷放大增益和放大電路增益。

從理論計算結果看，電路實際噪聲與理論一致。由于電路放大倍數(shù)為1 000，故該系統(tǒng)實際底噪VNrms＝40 000μV/6.6/1 000≈6.6μV。能夠滿足金屬腐蝕聲發(fā)射信號采集的要求。

為了進一步驗證電荷放大電路中運放噪聲對系統(tǒng)噪聲的影響，將電荷放大電路中的AD745換成了輸入噪聲較大的AD820，經計算理論噪聲值為114.5 mV，測試得噪聲峰峰值為119.2 mV，比采用AD745時噪聲增大了3倍?？梢婋姾煞糯笃髦羞\算放大器的輸入電壓噪聲是影響整個系統(tǒng)噪聲的主要因素。

3.2 金屬腐蝕聲發(fā)射檢測試驗

為驗證系統(tǒng)的腐蝕聲發(fā)射信號檢測能力，設計了如圖6所示的試驗系統(tǒng)，在Q235鋼板上封裝了濃度為3.5%的NaCl溶液，在鋼板的另一面安裝美國物理聲學公司的wsα型寬頻聲發(fā)射傳感器接收腐蝕產生的聲發(fā)射信號。采用帶有AD采集卡的PC104進行信號采集。系統(tǒng)采樣率為1 MSPS，采樣精度12位，量程±5 V。經過6 h試驗，接收到大量聲發(fā)射信號，其典型波形如圖7所示。與文獻［12]中所述的因點蝕產生的聲發(fā)射信號相符。接收到的所有聲發(fā)射信號幅值與時間分布如圖8所示。從圖8中可以看出，隨著試驗時間增加，單位時間內產生的聲發(fā)射信號數(shù)量以及幅值呈現(xiàn)減少趨勢。該現(xiàn)象表明隨著腐蝕時間增加，腐蝕產物逐漸堆積，影響了腐蝕進一步的產生，同樣與文獻［12]結論相符。由此可見，系統(tǒng)能夠穩(wěn)定長時間捕獲微弱的腐蝕聲發(fā)射信號。

圖6 金屬腐蝕聲發(fā)射檢測試驗系統(tǒng)

圖7 典型聲發(fā)射信號波形及其頻譜圖

圖8 聲發(fā)射信號幅值隨時間的分布圖

4 結語

采用電荷放大電路、電壓放大電路和帶通濾波器三級結構設計了一種低噪聲聲發(fā)射信號調理系統(tǒng)。經試驗驗證，其系統(tǒng)噪聲指標約為6.6μV，可用于金屬腐蝕聲發(fā)射檢測。理論分析與試驗表明，電荷放大電路中運算放大器的輸入電壓噪聲是影響電路噪聲的主要原因，選用低噪聲高輸入阻抗運放可以明顯降低系統(tǒng)噪聲。該系統(tǒng)結構簡單，性能穩(wěn)定，可用于實現(xiàn)嵌入式聲發(fā)射檢測系統(tǒng)。

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