徐 源，邢蘭昌

(中國(guó)石油大學(xué)(華東)控制科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266580)

0 引言

聲發(fā)射(AE)是指材料局部受到外力作用發(fā)生斷裂或變形到達(dá)塑形變形階段并發(fā)出瞬態(tài)彈性波的現(xiàn)象[1]。聲發(fā)射技術(shù)是一種實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)檢測(cè)方法，能夠有效地監(jiān)測(cè)和識(shí)別材料缺陷[2]，基本原理是傳感器接收到聲發(fā)射源發(fā)出的信號(hào)，經(jīng)過放大后由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集，通過對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理[3]，最后定性和定量地獲得材料內(nèi)部缺陷的位置、大小和擴(kuò)展趨勢(shì)[4]等信息。AE技術(shù)在壓力容器檢驗(yàn)、鐵路焊接結(jié)構(gòu)疲勞損傷監(jiān)測(cè)、巖石結(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè)和應(yīng)力測(cè)量、機(jī)械制造過程中機(jī)械設(shè)備的監(jiān)測(cè)以及大型游樂設(shè)施的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷、植物水蒸發(fā)的聲發(fā)射監(jiān)測(cè)研究等領(lǐng)域中得到不同程度的應(yīng)用[5]。與傳統(tǒng)的無損檢測(cè)方法相比較，AE無損檢測(cè)在檢測(cè)對(duì)象、檢測(cè)過程和數(shù)據(jù)處理過程方面具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1)適用頻帶寬、對(duì)象廣泛，能適應(yīng)高溫、高輻射等惡劣復(fù)雜環(huán)境，被測(cè)介質(zhì)可以主動(dòng)的參與到檢測(cè)過程中，對(duì)材料的結(jié)構(gòu)尺寸不敏感；

2)動(dòng)態(tài)特性好，能夠完整地捕捉到聲發(fā)射源任意時(shí)刻發(fā)出的聲波，缺陷處釋放彈性波能量，不需要儀器外加能量[6]；

3)信號(hào)來源于測(cè)量對(duì)象本身，避免了外加激勵(lì)引起的測(cè)量誤差，可獲取缺陷的動(dòng)態(tài)變化及其擴(kuò)展趨勢(shì)信息。

AE檢測(cè)系統(tǒng)的研發(fā)開始于20世紀(jì)50年代末[7-8]，多通道AE檢測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展主要體現(xiàn)于主機(jī)性能的提升、每通道A/D轉(zhuǎn)換速率的增加、軟件功能逐漸完善等。美國(guó)PAC公司的LOCAN系列聲發(fā)射儀是基于PC機(jī)進(jìn)行并行數(shù)據(jù)處理的典型代表，其中LOCAN 320可以將聲發(fā)射特征提取與數(shù)字化波形相結(jié)合[9]；德國(guó)Vallen-systeme公司的VALLEN AMSY系列聲發(fā)射系統(tǒng)具有超高速、穩(wěn)定性強(qiáng)和使用靈活的優(yōu)點(diǎn)，包括多種數(shù)據(jù)分析軟件和定位算法。國(guó)內(nèi)聲華科技的全波形AE檢測(cè)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)多通道同步采樣，配有用于信號(hào)處理的芯片陣列、小波分析和譜分析等軟件[10-11]；中南大學(xué)研發(fā)了巖體聲發(fā)射智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[12]，具有噪音小、頻帶寬和靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，能夠完成聲發(fā)射波形的瞬間識(shí)別；中國(guó)地震局研發(fā)的32通道高速聲發(fā)射數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)精度高、采樣速率高且能夠?qū)崿F(xiàn)全波形記錄[13]；北京軟島時(shí)代科技有限公司推出的DS2-8B系列全信息聲發(fā)射信號(hào)分析儀能夠?qū)崿F(xiàn)8通道數(shù)據(jù)同步采集，且波形采集、參數(shù)提取完整、聲發(fā)射源定位結(jié)果精確[14]。國(guó)內(nèi)外商用聲發(fā)射系統(tǒng)雖然性能優(yōu)越，但是存在如下問題：系統(tǒng)的成本普遍較高，體積較大，可擴(kuò)展性弱且不能進(jìn)行二次開發(fā)。以上問題大大限制了聲發(fā)射系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域。

本文采用通用的硬件模塊和圖形化的編程語言，基于虛擬儀器技術(shù)設(shè)計(jì)開發(fā)了一套多通道聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用高速數(shù)據(jù)采集卡(PCIE-1840)對(duì)4路聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行同步采集，采用LabVIEW為平臺(tái)開發(fā)配套軟件。利用所開發(fā)的系統(tǒng)開展了一維直線和二維平面斷鉛實(shí)驗(yàn)，通過對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理實(shí)現(xiàn)了對(duì)斷鉛位置的定位，針對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了誤差分析，依據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)系統(tǒng)的性能實(shí)施了定性與定量評(píng)價(jià)。系統(tǒng)中傳感器、數(shù)據(jù)采集卡等硬件模塊可以根據(jù)檢測(cè)對(duì)象和精度要求靈活選擇，軟件功能可以依據(jù)實(shí)驗(yàn)條件靈活設(shè)計(jì)，系統(tǒng)的擴(kuò)展性強(qiáng)、成本低，而且可進(jìn)行二次開發(fā)，顯示了系統(tǒng)的優(yōu)越性。

1 總體功能分析與系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 總體功能分析

擬開發(fā)聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)的功能主要為獲取聲發(fā)射源發(fā)出的信號(hào)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析處理，通過計(jì)算實(shí)現(xiàn)對(duì)聲發(fā)射源的定位。為了保證信息的完整性，對(duì)每一通道進(jìn)行全波形數(shù)據(jù)采集與保存，并通過數(shù)據(jù)處理算法獲取所需的特征參數(shù)，此過程需要考慮采樣參數(shù)設(shè)置與數(shù)據(jù)處理方法選擇問題。分析信號(hào)的頻譜特性可以得到聲發(fā)射信號(hào)的主頻，根據(jù)信號(hào)主頻確定合適的濾波器參數(shù)，需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波以降低環(huán)境噪聲的影響。采用時(shí)差法對(duì)聲發(fā)射源進(jìn)行定位，需要考慮信號(hào)的首波時(shí)刻提取和傳感器陣列排布的問題。考慮到環(huán)境噪聲對(duì)檢測(cè)過程的影響，需要考慮傳感器的抗噪能力以及傳感器陣列的安裝位置，如避免安裝在振動(dòng)強(qiáng)烈的位置。

針對(duì)聲發(fā)射信號(hào)的突發(fā)性與不確定性，需要系統(tǒng)能夠長(zhǎng)期有效地工作，保證檢測(cè)過程的連續(xù)性與實(shí)時(shí)性[15-16]?？紤]到測(cè)試對(duì)象、參數(shù)指標(biāo)的多變性，要求系統(tǒng)具有較高的擴(kuò)展性，便于進(jìn)行二次開發(fā)與維護(hù)等。

1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

擬開發(fā)的系統(tǒng)需達(dá)到如下指標(biāo)：(1)對(duì)4路聲發(fā)射信號(hào)同步采集，單路采集頻率可調(diào)且不低于100 MHz，采樣長(zhǎng)度可調(diào)；(2)信號(hào)放大器增益可調(diào)且能夠可達(dá)到60 dB；(3)可自由設(shè)定數(shù)據(jù)保存的路徑、開始與結(jié)束保存的時(shí)間；(4)對(duì)聲發(fā)射源的定位精度應(yīng)滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)的規(guī)定，即定位誤差不超過傳感器陣列中最大傳感器間距的5%。

硬件部分包括聲發(fā)射傳感器單元、放大器單元、數(shù)據(jù)采集單元和控制計(jì)算機(jī)單元。系統(tǒng)硬件部分組成如圖1所示.聲發(fā)射傳感器單元用來檢測(cè)聲發(fā)射信號(hào)并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出到下一級(jí)。前置放大器單元用來放大傳感器獲取的原始微弱聲發(fā)射信號(hào)，提高信噪比。數(shù)據(jù)采集單元實(shí)現(xiàn)對(duì)放大后4路聲發(fā)射信號(hào)的同步采集。通過所開發(fā)的虛擬儀器軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集單元與控制計(jì)算機(jī)之間的相互通信。

圖1 聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)組成

軟件部分實(shí)現(xiàn)的功能主要包括：(1)控制數(shù)據(jù)采集單元的啟動(dòng)停止等工作狀態(tài)；(2)配置數(shù)據(jù)采集卡的相應(yīng)參數(shù)以適應(yīng)頻帶不同的聲發(fā)射信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)4路信號(hào)的同步采集；(3)對(duì)采集的聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行處理和顯示，并對(duì)處理前后的聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行保存。

2 檢測(cè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

2.1 硬件部分

考慮到聲發(fā)射源的頻帶較寬、工作環(huán)境多變的特點(diǎn)，本系統(tǒng)選用PXR15高靈敏度諧振式聲發(fā)射傳感器，諧振頻率150 kHz，其10 dB帶寬為100～400 kHz，靈敏度可達(dá)67 dB工作溫度范圍-20～+70攝氏度。傳感器外殼為不銹板材料，匹配層為陶瓷材料，使用環(huán)氧樹脂進(jìn)行密封。

考慮到采集的AE源信號(hào)十分微弱，選用PXPA6型雙端輸入、增益可調(diào)的聲發(fā)射信號(hào)放大器，增益可在20 dB、40 dB、60 dB之中進(jìn)行選擇；工作帶寬為4 kHz～3.4 MHz，且PXPA6噪聲抑制能力強(qiáng)；輸出阻抗低(50 Ω)、驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)；工作溫度-30～+70攝氏度。

考慮到對(duì)AE信號(hào)波形的采樣頻率要盡量高并且降低硬件成本，系統(tǒng)選用通用高速數(shù)據(jù)采集卡PCIE-1840。該采集卡能夠?qū)崿F(xiàn)4通道同步數(shù)據(jù)采集，具有16位A/D轉(zhuǎn)換分辨率，采樣頻率最高為125 MS/s，可提供高達(dá)2 GB的FIFO內(nèi)存以保持不間斷的數(shù)據(jù)流功能，提供可選擇的輸入范圍(±10 V，±5 V，±2 V，±1 V，±0.2 V，±0.1 V)，支持啟動(dòng)觸發(fā)、延遲啟動(dòng)觸發(fā)、停止觸發(fā)、延遲停止觸發(fā)多種觸發(fā)采樣模式。

2.2 軟件部分

系統(tǒng)的軟件部分包括總體狀態(tài)控制模塊、采集卡參數(shù)配置模塊、數(shù)據(jù)處理、顯示和數(shù)據(jù)保存模塊。實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)采集過程的控制和數(shù)據(jù)處理、顯示及保存功能，使整個(gè)系統(tǒng)具有較高的自動(dòng)化程度。能夠根據(jù)檢測(cè)條件、檢測(cè)對(duì)象和信號(hào)的特點(diǎn)對(duì)軟件部分進(jìn)行二次開發(fā)，包括功能設(shè)計(jì)和參數(shù)選擇，使得系統(tǒng)具有較強(qiáng)的可拓展性。以LabVIEW為開發(fā)平臺(tái)，采用模塊化和數(shù)據(jù)流思想[17]所開發(fā)軟件的人機(jī)交互界面如圖2所示。

圖2 軟件界面

總體狀態(tài)控制模塊實(shí)現(xiàn)軟件初始化、測(cè)試系統(tǒng)的啟動(dòng)、停止與退出。設(shè)定了軟件界面上的所有默認(rèn)參數(shù)(可修改)，點(diǎn)擊初始化按鈕后參數(shù)自動(dòng)恢復(fù)到默認(rèn)值。點(diǎn)擊開始后數(shù)據(jù)采集卡按照預(yù)設(shè)狀態(tài)開始工作，并實(shí)現(xiàn)信號(hào)預(yù)處理與顯示。點(diǎn)擊停止后系統(tǒng)停止運(yùn)行，點(diǎn)擊退出后測(cè)試軟件退出。

參數(shù)配置模塊對(duì)數(shù)據(jù)采集卡的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行配置。需要設(shè)定采集卡的觸發(fā)采樣模式、輸入電平范圍、采樣通道信息，如啟動(dòng)觸發(fā)，輸入電平范圍-5～+5 V，采樣通道0和通道4。在界面上輸入采集頻率與采樣長(zhǎng)度，選擇采樣長(zhǎng)度時(shí)需確保獲取到完整的聲發(fā)射信號(hào)，可通過觀察信號(hào)波形圖進(jìn)行調(diào)整。

數(shù)據(jù)預(yù)處理、顯示和數(shù)據(jù)保存模塊功能包括：對(duì)原始聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行帶通濾波和頻譜分析；實(shí)時(shí)顯示濾波前后的信號(hào)波形圖和頻譜圖；設(shè)置數(shù)據(jù)保存路徑，以文本格式將采集數(shù)據(jù)保存至硬盤。

2.3 系統(tǒng)集成

首先將PCIE-1840數(shù)據(jù)采集卡插入工控機(jī)箱上的PCI板卡卡槽，然后將聲發(fā)射傳感器與放大器相連接，用BNC線將放大器輸出端口連接至數(shù)據(jù)采集卡的各采樣通道。所開發(fā)的多通道AE檢測(cè)系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 多通道聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)

3 系統(tǒng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)

3.1 傳感器延遲時(shí)間標(biāo)定

測(cè)定傳感器延遲時(shí)間所需設(shè)備包括：所開發(fā)的AE檢測(cè)系統(tǒng)、DPR300脈沖發(fā)生接收器(如圖3所示)、無損檢測(cè)用標(biāo)準(zhǔn)試塊、耦合劑(黃油)。DPR300用于產(chǎn)生高壓脈沖信號(hào)，輸出端口與發(fā)射傳感器相連接；無損檢測(cè)用標(biāo)準(zhǔn)試塊材質(zhì)為20號(hào)鋼，共分為7階厚度：1 mm、1.5 mm、2 mm、4 mm、6 mm、8 mm、10 mm，用作聲波傳播介質(zhì)；耦合劑用于排除接觸面之間的空氣。標(biāo)定實(shí)驗(yàn)步驟如下：

對(duì)4個(gè)AE傳感器進(jìn)行編號(hào)：#1、#2、#3、#4；將#1傳感器與DPR300脈沖發(fā)生接收器的發(fā)射端口相連接，并配置DPR300的工作模式為脈沖發(fā)射模式，設(shè)置激勵(lì)電壓100 V，將#2傳感器與數(shù)據(jù)采集卡上的0號(hào)通道相連接；將DPR300的觸發(fā)輸出端口與采集卡觸發(fā)輸入對(duì)應(yīng)的端子相連；在軟件中將采集卡配置成外部觸發(fā)采樣，設(shè)置采樣頻率為100 MHz，采樣點(diǎn)數(shù)為0.8 k；將#1和#2傳感器分別固定在試塊第一階的兩側(cè)，啟動(dòng)系統(tǒng)開始采集并保存；依次將#1和#2傳感器固定于試塊的另外6階兩側(cè)，數(shù)據(jù)保存完成后關(guān)閉程序；將#1和#2傳感器交換，#2做發(fā)射傳感器、#1做接收傳感器，重復(fù)上述操作；將傳感器更換成#3和#4，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)操作。

3.2 聲發(fā)射斷鉛實(shí)驗(yàn)

3.2.1 聲速測(cè)量數(shù)據(jù)獲取

將#1傳感器用作接收傳感器直接與放大器相連接，放大器的輸出端與數(shù)據(jù)采集卡相連接，#2用作發(fā)射傳感器與DPR300的輸出端口連接；將兩個(gè)傳感器分別固定于實(shí)驗(yàn)板材(錫鉛合金)表面的指定位置：#1(19 cm，11 cm)、#2(1 cm，11 cm)，即兩傳感器相距18 cm；傳感器與板材接觸面上需要均勻涂抹耦合劑；設(shè)置DPR300的工作模式及相應(yīng)參數(shù)，配置數(shù)據(jù)采集卡的工作模式為外部觸發(fā)并啟動(dòng)AE檢測(cè)系統(tǒng)，設(shè)置采樣頻率為100 MHz，采樣點(diǎn)數(shù)為10 k。

3.2.2 一維斷鉛實(shí)驗(yàn)

如圖4所示，首先對(duì)板材進(jìn)行了網(wǎng)格劃分，每個(gè)網(wǎng)格規(guī)格為2 cm×2 cm。

圖4 一維斷鉛實(shí)驗(yàn)圖

選用#1和#2傳感器開展一維斷鉛實(shí)驗(yàn)，傳感器的直徑為1.8 cm，把板材面看成坐標(biāo)平面，原點(diǎn)位于左下角，將#1和#2傳感器分別固定于坐標(biāo)(19 cm，11 cm)和(1 cm，11 cm)處并在接觸面上均勻涂抹耦合劑，將兩個(gè)傳感器與采集卡的0和1通道對(duì)應(yīng)連接。設(shè)置了4個(gè)斷鉛位置(參見圖4)：(3 cm，11 cm)、(5 cm，11 cm)、(7 cm，11 cm)和(9 cm，11 cm)，傳感器諧振頻率為150 kHz，設(shè)置采集卡采樣頻率為1 MHz，采樣點(diǎn)數(shù)200 k，每個(gè)位置進(jìn)行6次重復(fù)斷鉛操作。

3.2.3 二維斷鉛實(shí)驗(yàn)

選用#1、#2和#3傳感器開展二維平面AE斷鉛實(shí)驗(yàn)。如圖5所示，將三個(gè)傳感器分別固定于板材的(7 cm，1 cm)、(5 cm，19 cm)和(19 cm，9 cm)位置處，并在接觸面均勻涂抹耦合劑。

將#1、#2、#3傳感器分別與采集卡的0、1、2通道相連接，設(shè)置了5個(gè)斷鉛位置(參見圖4)：(9 cm，17 cm)、(9 cm，11 cm)、(9 cm，3 cm)、(13 cm，13 cm)、(15 cm，5 cm)，設(shè)置采集卡采樣頻率為1 MHz，采樣點(diǎn)數(shù)200 k，每個(gè)位置進(jìn)行5次重復(fù)斷鉛操作。

圖5 二維斷鉛實(shí)驗(yàn)圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 傳感器延遲時(shí)間標(biāo)定

無損檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)試塊材質(zhì)為20號(hào)鋼，20號(hào)鋼的彈性模量為206 GPa，密度為7.85 g/cm3，聲波在其中的傳播速度為5 122.7 m/s，由此可得聲波在7階厚度中的傳播時(shí)間分別為：0.19 μs、0.28 μs、0.38 μs、0.76 μs、1.13 μs、1.51 μs、1.89 μs。傳播時(shí)間t與對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)試塊厚度D之間的函數(shù)關(guān)系如式(1)所示：

(1)

式中,V為超聲波在試塊中的傳播速度，t0為實(shí)驗(yàn)中發(fā)射和接收傳感器的總延遲時(shí)間，根據(jù)上式對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，進(jìn)而得到4個(gè)傳感器的平均延遲時(shí)間為1.14 μs。

4.2 一維斷鉛實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

基于時(shí)間差法的一維直線聲發(fā)射源定位算法[18]如式(2)與式(3)所示，式中，D為兩個(gè)聲發(fā)射傳感器間距，V為聲波在板材中傳播速度，t12為兩個(gè)傳感器接收到信號(hào)的首波時(shí)間差，聯(lián)立兩個(gè)方程可以求解出斷鉛位置距離兩個(gè)傳感器的距離d1和d2，即得到了斷鉛位置X軸坐標(biāo)與兩傳感器X軸坐標(biāo)的差值，進(jìn)而可確定斷鉛位置。

d2+d1=D

(2)

d2-d1=V*t12

(3)

通過對(duì)聲速測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到超聲波的傳播速度V=2 964 m/s。在斷鉛信號(hào)圖上選取第一個(gè)波谷作為首波時(shí)刻，得到6次實(shí)驗(yàn)中#1和#2傳感器接收到的信號(hào)首波時(shí)間差值如圖6所示。

圖6 首波時(shí)間差圖

由一維定位算法和首波時(shí)間差計(jì)算出一維斷鉛位置定位結(jié)果、理論位置及誤差，如表1所示。其中相對(duì)誤差依據(jù)兩傳感器間距進(jìn)行計(jì)算，由于采樣頻率為1 MHz，所以系統(tǒng)能夠分辨的最小距離約為3 mm。

表1 一維AE斷鉛實(shí)驗(yàn)定位結(jié)果

4.3 二維斷鉛實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

基于時(shí)間差法的二維平面聲發(fā)射源定位算法[19]如式(4)與式(5)所示。

d1-d2=V*t12

(4)

d1-d3=V*t13

(5)

斷鉛位置距離三個(gè)聲發(fā)射傳感器的距離分別為d1、d2、d3，聲波在板材中的傳播速度為V，t12與t13分別表示#1傳感器、#2傳感器和#3傳感器接收到信號(hào)的首波時(shí)間差值。根據(jù)保存的數(shù)據(jù)作圖得到5次實(shí)驗(yàn)中#1和#2傳感器、#2與#3傳感器以及#1與#3傳感器接收到的信號(hào)首波時(shí)間差值，圖7給出了斷鉛位置四處各傳感器對(duì)之間首波時(shí)間差。

圖7 斷鉛位置4首波時(shí)間差

由二維定位算法和首波時(shí)間差計(jì)算出二維AE斷鉛實(shí)驗(yàn)定位結(jié)果、理論位置及誤差，如表2所示。其中相對(duì)誤差依據(jù)傳感器陣列中最大傳感器間距計(jì)算[20]。為了更加直觀的觀察出定位效果，根據(jù)表2數(shù)據(jù)、實(shí)際板材的尺寸以及AE傳感器的位置坐標(biāo)和尺寸畫出了二維平面定位圖，如圖8所示。

表2 二維AE斷鉛實(shí)驗(yàn)定位結(jié)果

圖8 二維AE斷鉛實(shí)驗(yàn)平面定位圖

5 討論

5.1 系統(tǒng)的誤差

上述一維和二維斷鉛實(shí)驗(yàn)定位結(jié)果與實(shí)際位置的最大相對(duì)誤差分別為2.3%和5.0%，均產(chǎn)生于斷鉛位置與#1傳感器距離最小時(shí)，針對(duì)誤差產(chǎn)生原因進(jìn)行如下討論：

1)AE傳感器自身的尺寸、傳感器與實(shí)驗(yàn)所用板材邊界的距離影響。實(shí)際AE傳感器與板材接觸面為圓形，直徑為1.8 cm，在數(shù)據(jù)處理時(shí)未考慮其尺寸對(duì)聲波從AE源到傳感器實(shí)際傳播距離的影響，從最大相對(duì)誤差產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)條件可以看出，斷鉛位置與傳感器中心的直線距離越接近于傳感器尺寸則誤差越大。實(shí)驗(yàn)所用的板材尺寸較小，AE傳感器與板材邊界距離較近，數(shù)據(jù)處理時(shí)未考慮聲波在板材邊界面發(fā)生反射對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的影響[21]。

2)實(shí)驗(yàn)所用板材表面不平整性和材質(zhì)不均勻性。實(shí)驗(yàn)過程中默認(rèn)聲波最短傳播路徑為從AE源到傳感器的直線段，未考慮板材表面不平整對(duì)實(shí)際最短傳播路徑的影響；另外，板材中聲波的傳播速度默認(rèn)為一個(gè)恒定值，未考慮板材不均勻性等因素對(duì)聲速的影響。

3)系統(tǒng)分辨率。AE系統(tǒng)的時(shí)間分辨率直接決定了系統(tǒng)能夠分辨的最小距離，本系統(tǒng)的時(shí)間分辨率為1 μs，斷鉛實(shí)驗(yàn)中能分辨的最小距離約為3 mm，導(dǎo)致定位時(shí)小于3 mm的距離無法分辨而影響精度。

4)環(huán)境溫度。檢測(cè)系統(tǒng)在運(yùn)行過程中尤其是工控主機(jī)會(huì)發(fā)熱，造成環(huán)境溫度升高，溫度的變化會(huì)對(duì)影響聲速的大小，計(jì)算過程中默認(rèn)聲速為定值。

5.2 系統(tǒng)的性能

參照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 10764—2007[22]規(guī)定的AE系統(tǒng)應(yīng)具備的硬件條件、基礎(chǔ)功能和精度范圍對(duì)本系統(tǒng)進(jìn)行性能評(píng)價(jià)。

1)本系統(tǒng)采用的PXR15AE傳感器在其響應(yīng)頻率范圍內(nèi)對(duì)來自不同方向的聲波均有響應(yīng)且自帶的信號(hào)線為標(biāo)準(zhǔn)的低噪聲同軸電纜，前置放大器工作頻帶覆蓋信號(hào)頻率范圍且信噪比高，實(shí)驗(yàn)過程所采用的黃油聲耦合劑粘度適宜且具有良好的聲耦合效果，工控主機(jī)性能穩(wěn)定，供電電源穩(wěn)定且接地良好等硬件設(shè)施符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)；

2)本系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的具備對(duì)AE信號(hào)的采集、預(yù)處理、顯示和保存功能，在此基礎(chǔ)上還可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件、實(shí)驗(yàn)對(duì)象和信號(hào)的變化對(duì)軟件功能進(jìn)行二次開發(fā)；

3)本系統(tǒng)的時(shí)間分辨率為1 μs，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定定位誤差不得超過最大傳感器間距的5%，根據(jù)上述一維和二維斷鉛實(shí)驗(yàn)的定位結(jié)果可知本系統(tǒng)滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)系統(tǒng)的精度要求。

6 結(jié)論

采用通用的硬件模塊和圖形化的編程語言，基于虛擬儀器技術(shù)設(shè)計(jì)并開發(fā)了多通道聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)，開展了一維直線和二維平面斷鉛實(shí)驗(yàn)，通過對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理實(shí)現(xiàn)了對(duì)斷鉛位置的定位，針對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了誤差分析，依據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)系統(tǒng)的性能實(shí)施了定性與定量評(píng)價(jià)。

通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了系統(tǒng)的可用性，硬件條件、軟件功能以及定位精確度滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。系統(tǒng)中傳感器、數(shù)據(jù)采集卡等硬件模塊以及軟件功能可以根據(jù)檢測(cè)對(duì)象、精度要求、實(shí)驗(yàn)條件等進(jìn)行靈活升級(jí)，系統(tǒng)的可擴(kuò)展性強(qiáng)、成本低，而且可進(jìn)行二次開發(fā)。所提出的聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案、實(shí)驗(yàn)方法以及數(shù)據(jù)處理方法將為工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)的研發(fā)提供有益的借鑒。