孫瓊瓊，趙亞東

（1.泰安市特種設備檢驗研究院，山東泰安 271000；2.肥城市國家電網，山東肥城 271600）

0 引言

在內力或外力作用下，金屬、巖石等固體材料產生變形、斷裂并以瞬態(tài)彈性波的形式釋放局部能量的現(xiàn)象稱為聲發(fā)射（Acoustic Emission，AE）[1]。自從德國人Kaiser在20世紀50年代發(fā)現(xiàn)了著名的Kaiser效應以來，聲發(fā)射技術被廣泛應用于煤礦、金屬、壓力容器的無損檢測領域[2]。聲發(fā)射信號的頻率、幅值等參數(shù)包含了聲發(fā)射事件的個數(shù)、時間、聲源方位、金屬損傷程度等信息，通過分析金屬在破壞過程中釋放的聲發(fā)射信號，可以推斷金屬內部的變化趨勢，從而實現(xiàn)金屬壓力容器的災害預警，保障安全生產和人身安全。

美國國家儀器公司（National Instrum-ents，NI）于1986年最先提出虛擬測量儀器（Virtual Instrument，VI）的概念[3]，實現(xiàn)了傳統(tǒng)儀器技術與計算機及網絡技術相結合，徹底打破了傳統(tǒng)的儀器觀，代表了測量儀器發(fā)展的新方向。在虛擬儀器領域，用戶可根據(jù)不同的需求自主選擇應用軟件，真正實現(xiàn)了軟件定義功能，而且具有維護成本低、技術更新靈活、與計算機同步發(fā)展等優(yōu)點。LabVIEW是NI公司推出的虛擬儀器設計平臺，通過采用圖形化的編程方式，創(chuàng)建了利用圖標替代文本行生成應用程序的計算機編程語言[4]。

由于聲發(fā)射信號的不確定性與隨機性，以及現(xiàn)場壓力容器檢驗中，機械噪聲、人為活動等各種噪聲普遍存在，使得傳感器實際采集到的聲發(fā)射信號中含有大量的噪聲，聲發(fā)射信號嚴重失真甚至淹沒在噪聲信號中，嚴重影響了聲發(fā)射信號的真實性。本文針對聲發(fā)射信號及噪聲特點，設計了一款基于LabVIEW的具有實時信號采集、顯示、去噪等功能的軟件系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)軟件總體設計

軟件的設計應遵循高效率、可拓展和運行穩(wěn)定的原則[5]，基于LabVIEW的聲發(fā)射信號采集與去噪軟件系統(tǒng)系統(tǒng)采用模塊化的設計原則，并根據(jù)不同的功能設計不同的模塊，通過由上而下逐漸細化的方法，把復雜的系統(tǒng)需求逐步劃分為簡單的子任務。所以，本系統(tǒng)由實時信號采集模塊，信號去噪模塊等組成，軟件總體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)軟件設計

2 系統(tǒng)模塊設計

2.1 實時信號采集模塊

信號采集模塊是系統(tǒng)的基本組成部分，是連接傳感器與計算機的關鍵紐帶，隨著計算機和總線技術的發(fā)展，基于PC的數(shù)據(jù)采集板卡得到廣泛應用，本系統(tǒng)采用NI高速數(shù)據(jù)采集卡實現(xiàn)8路信號的采集和顯示，且NI公司為該采集卡配有LabVIEW驅動程序，在驅動程序安裝完成后，可使用DAQmx子選板中的節(jié)點完成實時信號采集的編程。信號采集程序框圖如圖2所示。

圖2 實時號采集程序框圖

程序框圖中主要利用“DAQmx平化通道字符串”、“DAQmx創(chuàng)建虛擬通道”、“DAQmx定時”、“DAQmx開始任務”、“DAQmx讀取”、“DAQmx停止任務”、“DAQmx清除任務”等函數(shù)節(jié)點完成數(shù)據(jù)采集的編程。其中，利用“DAQmx創(chuàng)建虛擬通道”函數(shù)節(jié)點創(chuàng)建虛擬通道并將其添加成一個任務，“DAQmx定時”函數(shù)節(jié)點用于配置硬件數(shù)據(jù)采集的采樣時鐘源、采樣率和采樣模式等參數(shù)，“DAQmx開始任務”可將一個任務轉換到運行狀態(tài)，“DAQmx停止任務”、“DAQmx清除任務”可實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的中止及清除，進而提高程序內部資源空間。

2.2 信號去噪模塊

在壓力容器檢驗現(xiàn)場，聲發(fā)射信號中含大量的聲源信息，由于噪聲信號的干擾，使得有用信號失真甚至淹沒在噪聲信號中。聲發(fā)射信號是典型的非平穩(wěn)信號[6]，利用小波去噪的本質數(shù)學思想是將含噪聲的聲發(fā)射信號變換到小波域，將噪聲產生的小波系數(shù)進行縮小甚至完全剔除，并保留聲發(fā)射的小波系數(shù)，最后將處理過的小波系數(shù)重構為原始信號，從而得到去除噪聲的聲發(fā)射信號[7]。

本模塊在降噪過程中采用sym8小波基函數(shù)，進行5層分解。借助MATLAB強大的數(shù)學計算功能，采用LabVIEW調用MATLAB實現(xiàn)小波去噪算法的編程[8]，其信號去噪程序框圖如圖3所示。圖中，函數(shù)“wavedec”為小波分解函數(shù)，其調用格式為：[c，l]=wavedec（x，n，′wname′），該函數(shù)返回信號x在經過wname小波n層分解后的小波系數(shù)，其中c為小波分解系數(shù)，l為小波系數(shù)的個數(shù)。函數(shù)“wdencmp”的調用格式為XC=wdencmp （′gbl′，x，′wname′，n，THR，SORH，KEEPAPP），gbl表示去噪時每層采用相同的閾值進行處理，wname為小波基函數(shù)選取，n表示分解層數(shù)，THR表示估計的閾值，SORH為軟閾值（′s′）或硬閾值（′h′）的選取，KEEPAPP有兩種選擇，當KEEPAPP為1時，則低頻系數(shù)不進行量化處理，反之則進行量化處理。

圖3 小波閾值去噪程序框圖

3 軟件運行

在壓力容器外表面進行斷鉛試驗模擬聲發(fā)射源進行實驗，其部分軟件運行界面如圖4所示。從運行結果可得，實時采集的聲發(fā)射信號經小波去噪處理后，噪聲信號被明顯剔除，使得聲發(fā)射信號更加明顯地被識別。

圖4 軟件運行界面

4 結束語

本文所設計的系統(tǒng)軟件具有聲發(fā)射信號采集，信號去噪處理等功能，且該軟件具有操作簡單，運行穩(wěn)定的特點，可廣泛應用于壓力容器檢驗現(xiàn)場。