SUB2.0聲發射

聲發射系統基本原理與基本構成

聲發射源（缺陷）在外力誘導下發出一種應力脈衝波即聲發射信號。這種機械振動波在聲發射源所在材料中傳播。當機械波傳播到材料表面時，聲發射感測器接收聲發射信號，並將機械信號轉換為電信號後通過與之相連的前置放大器放大後送到採集卡上，採集卡再將其轉換為數位訊號。聲發射特徵參數都是通過採集卡上的可程式閘門陣列提取的，與採集的波形數據同時存儲在採集卡上的瞬時存儲器中。控制器能從採集卡上的瞬時存儲器上讀取波形數據到計算機硬碟上的瞬時數據檔案中。這一過程就是數據的傳輸過程，傳輸速率高低對系統的性能至關重要。

聲發射系統是由多個平行的檢測通道構成的聲發射系統。每一通道均是由類似的測量部件、信號數字處理程式及計算程式，即功能強大的計算機，再配以完整的外圍部件組成。此處所指系統的每一通道測量部件包括聲發射感測器、前置放大器及採集卡。

聲發射系統基本構成圖

基於組PCI專用數據採集卡的聲發射系統成

基於PCI專用數據採集卡的聲發射系統的聲發射採集卡是通過PCI匯流排與計算機相連的，並且與計算機系統共用一個機箱、通過計算機電源給其供電。

1.2 基於PCI數據採集卡的聲發射系統的設計

PCI聲發射系統的採集卡直接插在計算機系統機箱中，通過PCI匯流排與計算機連線，並且通過其電源供電，再配以基本的感測器和前置放大器，如圖2，就組成了PCI聲發射系統。其關鍵點在：採集卡直接插在計算機系統機箱中的PCI插槽上，通過PCI匯流排與計算機連線，由計算機系統供電，高度集成，結構相對簡單，節約了硬體成本。

基於USB2.0專用數據採集卡的聲發射系統

2.1 基於USB2.0數據採集卡的聲發射系統組成

基於USB2.0專用數據採集卡的聲發射系統的聲發射採集卡是插在一個專用的聲發射採集機箱中，機箱的USB2.0連線埠再與計算機的USB口相連，並且USB2.0聲發射機箱有獨立供電系統。

2.2 USB2.0聲發射系統的設計

USB2.0聲發射系統的採集卡插在專用的聲發射採集機箱中，有獨立的供電系統，通過USB連線與計算機連線，再配以基本的感測器和前置放大器，如圖3，就組成了USB2.0聲發射系統。其關鍵點在：採集卡內置於專用的機箱中、獨立供電，只需通過USB連線便可與任意計算機相連，採集機箱攜帶方便，系統安裝簡單，降低了對計算機系統的要求。 3 USB2.0聲發射系統與PCI聲發射系統的對比在2和3部分簡單的介紹了PCI聲發射系統與USB2.0聲發射系統的結構結構與設計區別，二者的基本原理及基本構成都是相同的，最大的區別在於採集卡與計算機是否“集成”、通訊方式及採集卡供電形式的不同，前者的採集卡與計算機共用機箱、通過PCI匯流排與計算機連線、通過計算機系統供電，後者的採集卡具有獨立機箱、通過USB2.0實現與計算機的連線、獨立供電。同時USB2.0聲發射系統通過採集卡軟、硬體技術的改進，使其有了比PCI聲發射系統更優越的性能，突出表現在海量數據的通信和存儲、更弱小信號的採集、更好的穩定性、更好的便攜性及堅固性等方面。下面對兩個系統的主要幾方面的性能作出對比。 3.1 數據傳輸速率為充分滿足現場和實驗室的各種套用要求（波形採集分析為基礎和或參數採集分析為基礎），聲發射系統需能夠實時採集和顯示聲發射信號波形和參數。如果可以採集、記錄儘量完全的聲發射原始波形數據，使用者就可以根據需要套用各種信號分析處理工具進行後續深入信號分析，包括定義更有針對性的聲發射參數等，從而聲發射系統就可以滿足更多的套用場合。但聲發射信號的波形數據是海量的，計算機是否能記錄更多的聲發射波形數據，基本取決於數據從採集卡到計算機的實際傳輸速率，因此，提高傳輸速率就成了提高聲發射系統性能的一個關鍵。一、用“聲發射卡專用測試軟體1.2”測試USB2.0聲發射系統數據傳輸速率測試目的測試理想狀態下USB2.0聲發射系統安裝不同數量採集卡時數據傳輸速率。測試環境測試用計算機：HP V3000，雙核1.73G CPU，2G記憶體作業系統：WindowsXPSP2測試軟體：聲發射卡專用測試軟體1.2測試時計算機系統情況：關閉系統中其他所有套用軟體聲發射採集系統：SAEU2S-10 USB2.0採集機箱，220V DC 電源供電，插1-5塊USB2.0專用數據採集卡測試過程所有採集通道短接採集機箱通過USB連線與計算機連線測試軟體設定：直通分別在測試採集機箱中插1塊採集卡、2塊採集卡、3塊採集卡、4塊採集卡和5塊採集卡時系統的數據傳輸速率記錄結果結果記錄表1 理想狀態下USB2.0聲發射系統數據傳輸速率採集卡數量（塊）12345系統傳輸速率（MB/sec）31.3031.2931.3230.9727.17測試結論通過以上結果可以看出，理想狀態下USB2.0聲發射系統數據傳輸速率可超過31MB/sec，並且當採集卡超過4塊時，系統數據傳輸速率受到採集卡數量增加的影響，較明顯降低。二、用“USB2.0聲發射專用採集軟體SAERT”測試USB2.0聲發射系統數據傳輸速率

測試目的

測試在擬套用狀態下USB2.0聲發射系統最大數據傳輸速率。

測試環境

測試用計算機：Dell VOSTRO1400標配作業系統：WindowsXPSP2測試軟體：USB2.0聲發射系統專用採集軟體SAERT測試時計算機系統情況：關閉系統中其他所有套用軟體模擬信號：Agilent 33220A信號發生器output連線埠連線SR150M感測器耦合到鋼板聲發射採集系統：SAEU2S-10 USB2.0採集機箱，220V DC 電源供電，插2塊USB2.0專用數據採集卡，共4通道，各通道連線PAⅠ前置放大器，SR150M感測器

測試過程

USB2.0採集機箱裝兩塊USB2.0專用採集卡，共4個通道，分別連線PA Ⅰ前置放大器及SR150M感測器，感測器耦合到鋼板上採集機箱通過USB連線與計算機連線信號發生器output連線埠連線SR150M感測器，感測器耦合到鋼板上，且距離其他四個與採集卡連線的感測器約10cm 調節信號發生器輸出150Hz，3.0v正弦信號設定USB2.0聲發射系統專用採集軟體SAERT

測波形傳輸速率時：

板卡參數設定

採集卡選擇：1#和2#

板卡設定：

採樣頻率：10MHz

採樣長度（點數）：見“結果記錄”（不同採樣長度各採集一次）

參數間隔：2000

閉鎖時間：2000

觸發模式：內觸發

檔案存儲設定

不保存採樣檔案

通道參數

波形門限：40dB

前放增益：40dB

功能選擇：波形

濾 波 器：100-400KHz

測參數傳輸速率時：

板卡參數設定

板卡選擇：1#和2#

板卡設定：

採樣頻率：10MHz

採樣長度（點數）：2048

參數間隔：0

閉鎖時間：0

觸發模式：內觸發

檔案存儲設定

不保存採樣檔案

通道參數：

參數門限：40dB

前放增益：40dB

功能選擇：參數

濾波器：100-400KHz

採集波形數據各種採樣長度分別採集約30sec；採集參數數據，同種設定重複採集6次，每次約10sec，記錄測試結果

結果記錄

表2 不同採樣長度時四通道USB2.0聲發射系統波形連續傳輸速率

採樣長度（採樣點）	採樣時間（s）	採集1（波形次數）	採集2（波形次數）	採集3（波形次數）	波形次數均值	通過數據量（MB）	傳輸速率（MB/sec）
2048	30	171485	167405	171181	170023.667	664.155	22.138
4096	30	88749	89798	91040	89862.333	702.049	23.402
6144	30	53603	52943	53384	53310.000	624.727	20.824
8192	30	44879	43948	44236	44354.333	693.036	23.101
20480	30	21889	21861	22176	21975.333	858.411	28.614
40960	30	10751	10850	10643	10748.000	839.688	27.990
61440	30	7320	7242	7337	7299.667	855.430	28.514
81920	30	5432	5401	5408	5413.667	845.885	28.196
102400	30	4271	4372	4322	4321.667	844.076	28.136
122880	30	3689	3724	3691	3701.333	867.500	28.917
143360	30	3156	3120	3116	3130.667	856.042	28.535
163840	30	2733	2780	2754	2755.667	861.146	28.705
184320	30	2434	2442	2451	2442.333	858.633	28.621
204800	30	2145	2173	2198	2172.000	848.438	28.281
225280	30	1958	1958	1990	1968.667	845.911	28.197
245760	30	1814	1804	1789	1802.333	844.844	28.161
262144	30	1695	1693	1660	1682.667	841.333	28.044

註：1個採樣點=2Byte

表3 四通道USB2.0聲發射系統參數傳輸速率

起始組參數對應時間（dd：hh：mm：ss：mmmuuu）	末組參數對應時間（dd：hh：mm：ss：mmmuuu）	總參數組數（組）	時長（sec）	參數傳輸速率（組/sec）
27：14：00：07：332668500	27：14：00：17：814679200	1516137	10.4820107	144641.8100
27：14：01：47：035691300	27：14：01：57：091927200	1460825	10.0562359	145265.5859
27：14：02：44：972679800	27：14：02：55：419951500	1528881	10.4472717	146342.6092
27：14：05：05：019656200	27：14：05：15：563660100	1539120	10.5440039	145971.1144
27：14：05：56：941770600	27：14：06：07：585860300	1538531	10.6440897	144543.2201
27：14：07：16：738783500	27：14：07：27：640559400	1597264	10.9017759	146514.1106

測試結論

通過以上結果可以看出，擬套用狀態下USB2.0聲發射系統的波形數據連續傳輸速率可超過28MB/sec，參數連續傳輸速率可超過14萬組/sec，且波形數據連續傳輸速率受所設採樣長度影響，總的來看採樣長度設定較大時，波形數據連續傳輸速率較高。這個測試結果已明顯高於我公司現有的PCI聲發射系統，其最大可提供10MB/sec的波形數據連續傳輸速率，4萬組/sec的參數連續傳輸速率。也顯著優於目前市場上能看到的PCI板卡式的聲發射儀所宣稱的最高波形數據通過率10Msample/s相當於20MB/s和最高聲發射參數的通過率是4萬組/s。

通過以上測試得出，USB2.0聲發射系統有比PCI聲發射系統更好的連續數據傳輸速率，可將採集數據丟失比例降到更低，尤其適用於超多通道的聲發射系統的海量波形及特徵參數的採集。

3.2 弱小信號採集

聲發射系統性能提高的另一個關鍵是解決對弱小信號的採集問題。由於聲發射系統自身噪聲使得一些缺陷如腐蝕等活動產生的弱小信號無法從噪聲信號中分離，因此不斷降低系統噪聲成了提高聲發射系統性能及套用範圍的另一個關鍵，而聲華公司最新研製的基於USB2.0專用數據採集卡的聲發射系統在這一問題上有了新的突破，主要表現在USB2.0專用採集卡及專用機箱的噪聲測試結果上。

用“USB2.0聲發射專用採集軟體SAERT”測試USB2.0專用採集卡及專用機箱的噪聲：

測試目的

測試USB2.0專用採集卡及專用機箱的噪聲。

測試環境

測試用計算機：Dell VOSTRO1400標配作業系統：WindowsXPSP2測試軟體：USB2.0聲發射系統專用採集軟體SAERT測試時計算機系統情況：關閉系統中其他所有套用軟體聲發射採集系統：USB2.0採集機箱，220V DC 電源供電，插2塊USB2.0專用數據採集卡，共4通道，全部短接

測試過程

USB2.0採集機箱裝兩塊USB2.0專用採集卡，共4個通道，全部短接採集機箱通過USB連線與計算機連線設定USB2.0聲發射系統專用採集軟體SAERT如下

板卡參數設定

採集卡選擇：1#和2#

板卡設定：

採樣頻率：10MHz

採樣長度（點數）：2048

參數間隔：2000

閉鎖時間：2000

觸發模式：內觸發

檔案存儲設定

不保存採樣檔案

通道參數

參數門限：10dB、8dB（各採集一次）

前放增益：40dB

功能選擇：參數

濾 波 器：100-400KHz

採集參數數據，記錄測試結果

結果記錄

參數門限設為10dB時，參數表中無任何參數出現。

參數門限設為9dB時，參數表中幅值均顯示為9.7dB。

測試結論

通過以上結果可以看出，USB2.0聲發射專用採集卡及機箱的噪聲小於10dB，不足以觸發參數門限設為10dB時系統採集信號，而能觸發參數門限設為9dB時系統採集信號，說明USB2.0聲發射採集卡及機箱的噪聲在9-10dB範圍之內。

之前PCI聲發射系統採集卡及機箱噪聲為24dB，遠遠高於USB2.0聲發射採集卡及機箱小於10dB的噪聲水平。分析原因在於後者採用了專用的採集機箱，並且機箱為金屬外殼，具有很好的禁止性，再加上獨立的供電系統，從而大大減少了來自計算機系統等的噪聲干擾及電磁干擾。

3.3 穩定性、便攜性及堅固性

PCI聲發射系統與USB聲發射系統的採集卡的裝配形式有了較大的改變，使USB2.0聲發射系統具有比PCI聲發射系統更好的便攜性、穩定性及堅固性。

PCI聲發射系統的採集卡直接插在計算機系統的PCI插槽上，通過PCI匯流排連線與計算機的處理系統置於同一個機箱中，並且由同一個電源系統供電。因此配置聲發射系統時要根據通道數要選擇不同類型計算機及選配不同電源，超多通道時需選配大型工控機系統，便攜性降低，並且由於計算機故障導致整個聲發射系統故障的比例較高，而計算機替換又困難，另外，系統會受計算機電磁干擾及發熱影響，致使抗干擾能力和穩定性大大降低。

而USB2.0聲發射系統採集卡安裝在獨立金屬機箱中，只需通過USB連線便可實現與任意計算機通訊，這樣就可避免來自於計算機系統的電磁干擾，還能使採集卡不受計算機系統發熱影響，使整個系統具有更出色的抗干擾能力及穩定性，且獨立機箱便於攜帶，獨立供電系統使之不需要根據通道數選擇計算機，對計算機的要求相對降低，可替換性也增強，從而減少因計算機故障導致系統故障帶來的不便，也使用戶可充分利用已有的計算機，節約資源。

3.4 其他特性

USB聲發射系統除上述幾種性能優勢外，還因硬體和軟體的其他相應改進使其有了比PCI聲發射系統更優越的性能，如USB2.0聲發射採集卡增加了10種可選濾波器，方便用戶根據實際情況選擇需要的信號頻率範圍；增加外參採集功能，最多可達12通道；系統增加了數據觸發指示燈，使用戶可更直觀地獲知各通道的信號觸發情況；動態範圍擴大到了90dB，適合更多不同幅度信號的採集；增加了預/後採樣功能；軟體增加了FFT、小波變換、神經網路等數據分析功能，方便對波形實時與事後傅立葉變換（FFT）做頻譜分析、小波分析（wavelet）、神經網路（NN）模式識別；指定波形或參數可以單獨保存為一個數據檔案，便於用戶有選擇的回放。

討論與展望

通過對比測試PCI聲發射系統與USB2.0聲發射系統各方面的性能，結果證明USB2.0聲發射系統指標全面優於PCI聲發射系統，也就意味著USB2.0聲發射系統將有更廣闊的套用前景，將成為主流聲發射系統。