黎天標(biāo)，楊俊強(qiáng)，李茂東，董屹彪，劉時(shí)風(fēng)，張振頂，惠志全

（1.廣州特種承壓設(shè)備檢測(cè)研究院，廣東 廣州 510000；2.北京聲華興業(yè)科技有限公司，北京 100000）

1 概述

聲發(fā)射是指材料由于內(nèi)部晶間發(fā)生位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)位錯(cuò)在運(yùn)動(dòng)中遇到雜質(zhì)原子、晶界等障礙物時(shí)被迫停止運(yùn)動(dòng)而堆積。而聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)是指利用聲發(fā)射源釋放出的彈性波在結(jié)構(gòu)中傳播時(shí)攜帶有大量結(jié)構(gòu)或材料缺陷處的信息，用儀器檢測(cè)、記錄、分析聲發(fā)射信號(hào)和利用聲發(fā)射信號(hào)推斷設(shè)備存在的缺陷。傳統(tǒng)的聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)需要大量的信號(hào)電纜輔助傳輸數(shù)據(jù)，在一些大型的旋轉(zhuǎn)、運(yùn)動(dòng)設(shè)備，如游樂設(shè)施摩天輪、過山車等場(chǎng)合不適用用這種有線聲發(fā)射在線檢測(cè)的場(chǎng)合。而無線聲發(fā)射檢測(cè)儀采用無線采集器采集數(shù)據(jù)，不需要大量的傳輸信號(hào)電纜，能應(yīng)用于高陡露天邊坡、高架橋、大型水電庫壩等布線較為困難的聲發(fā)射實(shí)時(shí)檢測(cè)等領(lǐng)域有明顯的便利性，已經(jīng)成為熱點(diǎn)的研究方向。

2 無線聲發(fā)射系統(tǒng)組成

基于無線聲發(fā)射技術(shù)的新型無線聲發(fā)射檢測(cè)儀通過采用WiFi無線通訊方案和GPS授時(shí)無線多通道同時(shí)鐘方案實(shí)現(xiàn)。該新型無線聲發(fā)射檢測(cè)儀是由多個(gè)獨(dú)立的單通道無線聲發(fā)射采集器、傳感器、供電電池盒、時(shí)鐘同步模塊、小型化WiFi天線、多節(jié)點(diǎn)接入交換機(jī)、單節(jié)點(diǎn)遠(yuǎn)程交換機(jī)、移動(dòng)電源、多節(jié)點(diǎn)和單節(jié)點(diǎn)遠(yuǎn)程交換機(jī)供電電源轉(zhuǎn)換器、支架、網(wǎng)絡(luò)線纜、計(jì)算機(jī)及軟件等組成多通道實(shí)時(shí)無線聲發(fā)射采集系統(tǒng)。

新型無線聲發(fā)射數(shù)據(jù)采集器主機(jī)詳見圖1。

圖1 新型無線聲發(fā)射數(shù)據(jù)采集器主機(jī)

2.1 無線聲發(fā)射采集器工作原理

圖2為無線聲發(fā)射采集器的原理框圖：（1）一旦產(chǎn)生聲發(fā)射信號(hào)，則被傳感器接收；（2）傳感器接收到的聲發(fā)射信號(hào)通過傳感器信號(hào)線傳輸給無線聲發(fā)射采集器；（3）經(jīng)過無線聲發(fā)射采集器內(nèi)置的前置放大器進(jìn)行信號(hào)放大；（4）經(jīng)過無線聲發(fā)射采集器內(nèi)設(shè)置的模擬濾波器進(jìn)行濾波；（5）經(jīng)過放大后的信號(hào)再進(jìn)行信號(hào)調(diào)理，使其成為A/D轉(zhuǎn)換能夠接受的模擬信號(hào)；（6）A/D轉(zhuǎn)換根據(jù)同步模塊的授時(shí)時(shí)間和FPGA傳輸?shù)牟杉瘲l件進(jìn)行同步采樣，并將采樣后的數(shù)據(jù)傳輸給FPGA芯片；（7）FPGA芯片根據(jù)PC機(jī)軟件的設(shè)置，可對(duì)采樣后的聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行數(shù)字濾波、門限比較、繪制波形、生成參數(shù)等實(shí)時(shí)信號(hào)處理；（8）FPGA將處理好的信號(hào)發(fā)送給ARM處理器，ARM處理器將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為以太網(wǎng)能夠識(shí)別的格式發(fā)送給以太網(wǎng)電路；（9）以太網(wǎng)再將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為無線模塊能夠接收的信號(hào)，進(jìn)行無線收發(fā)；（10）最終無線傳輸給PC機(jī)，PC機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)定位和顯示操作。

圖2 無線聲發(fā)射采集器原理框圖

2.2 采集器聲發(fā)射信號(hào)輸入與輸出

當(dāng)來自傳感器的聲發(fā)射信號(hào)通過信號(hào)線輸入給無線聲發(fā)射采集器時(shí)，采集器判斷輸入信號(hào)的大小，過門限則被無線聲發(fā)射采集器采集，此時(shí)，采集器AE指示燈亮。

被采集的聲發(fā)射信號(hào)輸出是通過WiFi天線與多節(jié)點(diǎn)接入交換機(jī)之間的無線通訊進(jìn)行的，無有效信號(hào)上傳時(shí)，RUN燈1次/S頻率閃爍；有數(shù)據(jù)上傳時(shí)，RUN燈快速閃爍，AE指示燈閃爍。

2.3 采集器無線通訊

聲發(fā)射數(shù)據(jù)為每通道每秒數(shù)百撞擊組以上才能滿足大多數(shù)的實(shí)際應(yīng)用，相當(dāng)于數(shù)Mb以上的數(shù)據(jù)通過率。無線聲發(fā)射無線通訊距離至少要達(dá)到數(shù)百米以上才有實(shí)際意義，如橋梁、大型壓力容器檢測(cè)等。根據(jù)數(shù)Mb以上數(shù)據(jù)通過率和數(shù)百米以上無線通訊距離的技術(shù)指標(biāo)要求，綜合比較現(xiàn)在市場(chǎng)上應(yīng)用較廣的幾種無線通訊技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，該新型無線聲發(fā)射采集器選擇WiFi技術(shù)作為無線聲發(fā)射的無線通訊方案。

新型無線聲發(fā)射采集器配備小型化WiFi無線天線，通過采集器主機(jī)上的WiFi接口可將小型化WiFi無線天線與采集器主機(jī)相連，當(dāng)連接可靠時(shí)，采集器主機(jī)上的WiFi指示1次/S閃爍，WiFi連接中斷，采集器主機(jī)上的WiFi指示燈滅。

2.4 時(shí)鐘同步授時(shí)

聲發(fā)射時(shí)差定位是聲發(fā)射技術(shù)的一項(xiàng)基本功能。傳統(tǒng)的電纜連接聲發(fā)射儀很容易通過電纜連接所有通道使用同一個(gè)高精度時(shí)鐘，獲得每個(gè)通道信號(hào)之間的時(shí)間差，實(shí)現(xiàn)時(shí)差定位的功能。該新型采集器的無線聲發(fā)射通過時(shí)鐘同步電纜連接獨(dú)立的時(shí)鐘同步模塊，使得所有通道使用同一個(gè)時(shí)鐘，時(shí)鐘同步模塊采用GPS授時(shí)技術(shù)，所有通道使用同一個(gè)高精度的GPS時(shí)鐘，獲得通道間信號(hào)的時(shí)差，實(shí)現(xiàn)時(shí)差定位的功能。

新型采集器的無線聲發(fā)射檢測(cè)儀時(shí)鐘同步器采用小型化GPS天線獲取高精度時(shí)鐘，小型化GPS天線通過時(shí)鐘同步器上的GPS接口與采集器主機(jī)相連，且其可吸附在鐵磁性材料表面，方便固定。當(dāng)GPS天線接收到衛(wèi)星信號(hào)時(shí)，時(shí)鐘同步器上的GPS指示燈閃亮，此時(shí)，證明GPS天線成功獲取衛(wèi)星信號(hào)，保證準(zhǔn)確給同步器授時(shí)。

3 無線聲發(fā)射數(shù)據(jù)采集器實(shí)驗(yàn)研究

本文以某石化煉油廠4m3H-10高壓氫氮?dú)馄孔鳛閷?shí)驗(yàn)對(duì)象，采用無線聲發(fā)射數(shù)據(jù)采集儀對(duì)氫氮?dú)馄康娜毕葸M(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。

傳感器布置陣列如圖3。

圖3 4m3臥罐傳感器整體布置立體

加載程序如圖4。

各個(gè)階段的聲發(fā)射數(shù)據(jù)圖如下圖5～8。

圖4 加載程序圖

圖5 第一次升壓過程聲發(fā)射源定位圖

圖6 第一次保壓過程聲發(fā)射源定位圖

圖7 第二次升壓過程聲發(fā)射源定位圖

圖8 第二次保壓過程聲發(fā)射源定位圖

根據(jù)GB/T 18182-2000中聲發(fā)射源等級(jí)的評(píng)定方法，發(fā)現(xiàn)1個(gè)可疑的定位點(diǎn)AS1，綜合評(píng)定為D級(jí)，進(jìn)行反定位校準(zhǔn)，確定聲發(fā)射源的位置。由于為多層包匝容器，對(duì)該位置做磁粉和超聲均未發(fā)現(xiàn)缺陷，扒開第一層，在第二層上發(fā)現(xiàn)一條長20mm、深度5mm的裂紋。經(jīng)對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)該部位在10．8MPa的壓力下第一次出現(xiàn)聲發(fā)射定位源信號(hào)，下表1為在整個(gè)水壓試驗(yàn)過程中出現(xiàn)聲發(fā)射定位源信號(hào)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

表1 H-10號(hào)高壓儲(chǔ)氫罐的聲發(fā)射定位源統(tǒng)計(jì)結(jié)果

4 結(jié)語

本文基于聲發(fā)射技術(shù)的有關(guān)原理，研究了聲發(fā)射檢測(cè)儀無線數(shù)據(jù)采集器，并將其應(yīng)用于某石化煉油廠4m3H-10高壓氫氮?dú)馄康臒o線檢測(cè)中。結(jié)果表明，應(yīng)用了無線數(shù)據(jù)采集器的聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)同樣能夠精準(zhǔn)檢測(cè)出設(shè)備的缺陷所在，同時(shí)減少了運(yùn)輸大量的信號(hào)電纜到現(xiàn)場(chǎng)和布置信號(hào)電纜所需要花費(fèi)大量的時(shí)間和人力，提高檢測(cè)效率，也減低了檢測(cè)人員在復(fù)雜的檢測(cè)工作現(xiàn)場(chǎng)工作的危險(xiǎn)性，能夠推動(dòng)聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用到高陡露天邊坡、高架橋、大型水電庫壩等布線較為困難的領(lǐng)域，提高我國聲發(fā)射檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)和研制能力。