声发射检测原理与仪器技术指标_声发射系统_产品与技术

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声发射检测原理与仪器技术指标

声发射检测原理
声发射检测原理如图1所示，就是采用声发射仪器接收采集来自声发射源的声波信号即声发射信号，并对声发射信号进行分析显示达到检测出声发射源的目的。声发射源可以是裂纹开裂声信号/机械故障声信号/泄漏声信号等检测对象。

图 1

图1中记录与显示系统通常就是计算机，因此声发射仪器的实质就是计算机控制的数据采集系统，通用数据采集系统的技术指标也适用声发射仪器，即数据采集单元与计算机的通讯方式、数据通过率、最大采样速率、采样精度等。声发射仪器不同于通用数据采集系统在于硬件实时声发射参数提取。这是因为目前的普通计算机与数据采集外设系统的数据通过率不能满足声发射信号大数据量波形数据不丢失传输。但很多声发射应用要求不允许任一时间段的信号丢失，例如裂纹开裂瞬间信号丢失就是漏检等。这也是为什么目前主要声发射仪器厂商都要在数据采集单元对大数据量波形数据进行连续实时信号处理提取转换成为小数据量的声发射参数数据后再传送到计算机，保证任何时间段信号不丢失或少丢失。因此声发射仪器特有（不同于通用数据采集系统）的重要技术指标为实时连续声发射参数通过率和声发射参数分析显示。

仪器主要指标

声发射仪器的主要基本技术指标

技术指标名称	技术指标定义或内容	技术指标说明
数据采集系统与计算机的通讯方式	USB2.0 或PCI 通讯	USB2.0 通讯可直接连接笔记本电脑，可不受机箱插槽数量限制和机箱个数限制扩充成更多通道数系统。
实时声发射参数通过率，HN/s	系统每秒连续实时多少个hits 的参数数据由数据采集系统送达到计算机	通常为每秒几万至几十万组hits 参数数据。通过率越高越不会丢失数据，更适用于通道数多的大系统及大量参数数据的应用场合
实时声发射波形数据通过率，MB/s	系统每秒连续实时多少字节（MB）的波形数据由数据采集系统送达到计算机	通常为每秒十至几十MB。通过率越高丢失的波形数据越少，更适用于需要大量波形数据的应用场合
最大采样速率，MSPS	单位时间AD 转换数据点数	通常为每秒1M 至40M 个AD 转换数据点。最大采样速率越高所采数据失真误差越小，但按时间段计算丢失的波形数据越多，设备成本也会大幅度增加。应针对信号频率选择最大采样速率。
采样精度，bit	通常16bit、18bit，即波形数据幅度量程按2¹⁶或2¹⁸的分割间隔为最小分辨幅度	10V 量程幅度16bit 精度的测量误差为0.15mV、18bit 精度的为0.038mV。18bit 精度的成本显著大于16bit 精度的成本。应根据检测需要和成本来选择。
实时数字滤波器	是否能任意设置滤波器频率窗口，是否能有效提取指定频率窗口内的数据，有效滤去窗口外的数据	噪声去除或有意义的信号提取是声发射检测是否有效的决定因素，因此有效的实时数字滤波器常常是成功应用的得力工具。可采用人工数据实验验证滤波器的性能效果。
除上述主要技术指标外，还有声发射参数种类数量、定位分析、参数分析、小波分析等常用声发射技术性能指标，其内容各型号声发射仪大体相似，未在此具体罗列。

最大采样率
实时数字滤波器
数据通过率
选型举例
SAEU2S声发射仪

举例说明：

ΔA=1-cos(2πt/T )→ΔA=1-cos(πf/s)

ΔA为测量幅度误差；T=1/f（T被测信号的周期，f为被测信号频率）；t=T/2n（t为波形峰值偏离实际信号峰值的最大偏离时间），n=s/f（s为最大采样率），那么t=1/2s

以声发射检测的上限频率400KHz为例，按上述（1）计算得到不同采样速度对应的信号幅度测量误差.上图第一个周期为10倍频率即4M采样率下重构波形（蓝色），右侧周期为2M采样率下的重构波形（红色），可以很明显看出理论最大误差的区别。400KHz正弦信号对应各种采样率的幅度误差计算结果如下表，采样率3M时误差为0.7854dB,5M时0.2772dB，10M时0.06876dB等:

表2：不同采样速度对应的信号幅度测量误差（400KHz）

幅度误差（dB）A(dB)=20lgΔA

幅度误差（电压值）（100为标准幅度值）ΔA=cos(π×f/s)

信号频率

采样速度

A(dB)

ΔA

f(kHz)

S(MSPS)

-10.2004

10-3.09017

400

1

-1.84085

10-8.09017

400

2

-1.14688

10-8.76307

400

2.5

-0.7854

10-9.13545

400

3

-0.27726

10-9.68583

400

5

-0.06876

10-9.92115

400

10

-0.01716

10-9.98027

400

20

-0.00762

10-9.99123

400

30

-0.00429

10-9.99507

400

40

如按一般的信号采集电压精度不大于5%的要求（电压值）作为标准来看，从上表可得出采样率大于等于5MSPS即可满足。10MSPS的误差是0.06876dB已小于0.1dB,40MSPS的误差是0.00429dB，对于大多数测量0.1dB误差和0.004dB的误差已经没有实际意义。考虑到采样率高会导致数据大量增加，丢失数据的可能性增加以及更高的采购价格等，对于400KHz信号频率的科研应用选用10MSPS采样率就能充分满足。

实时数字滤波器

有效提取有意义信号在很多应用场合是成功应用的关键。特别是有意义信号淹没或混杂在各种频率幅度的噪声信号中。配合实时FFT功能的实时数字滤波器是有效提取有意义信号的有效工具之一。测试实时数字滤波器的方法可人工产生多种频率的信号，测试对某窄频带信号能否有效提取和抑制。滤波器应可对波形和实时声发射参数同时或单一数据有效，这样既可直观看到滤波器的波形和参数滤波效果，又可在实际数据采集时不采集大数量波形仅对声发射参数有效。

声发射仪器不同于通用数据采集系统在于硬件实时声发射参数提取。这是因为目前的普通计算机与数据采集外设系统的数据通过率不能满足声发射信号大数据量波形数据不丢失传输。例如，最大采样速度为10M，采样精度16位，通道数8，则波形数据量为10M*2*8=160MB/s，远远大于目前计算机与外设之间的理论数据通过率，USB2.0为60MB/s（480Mbps），PCI为132MB/s，因此会导致大量数据丢失。实际数据通过率更是远小于理论数据通过率，各声发射仪器厂商宣称的为USB2.0为40MB/s，PCI为20MB/s，对上例情况10M 16位 8通道波形数据通过率仅为25%（USB2.0）和12. 5%（PCI）。但很多声发射应用要求不允许任一时间段的信号丢失，例如裂纹开裂瞬间信号丢失就是漏检等。这也是为什么目前主要声发射仪器厂商都要在数据采集单元对大数据量波形数据进行连续实时信号处理提取转换成为小数据量的声发射参数数据后再传送到计算机，保证任何时间段信号不丢失或少丢失。因此声发射仪器特有（不同于通用数据采集系统）的重要技术指标为实时连续声发射参数通过率和声发射参数分析显示。

例一：某单位要采购大型压力容器工程检测应用的声发射仪器

需求分析

由于是大型压力容器工程检测，故需要采购能扩展通道数多的声发射仪器，采样速度和采样精度不用太高符合工程检测标准要求就行，波形采集和分析能力也可要求不高。

选型建议

1. 结构选USB2.0通讯的声发射仪器，因其采集机箱可级联，可扩展的通道数基本不受限制；

2. 尽可能选购实时声发射参数通过率高的型号，希望要在每秒20万或更高的hits组/行声发射参数通过率（如50通道，每秒20万也就是每通道每秒4000组hits参数通过）。因通道数多数据量大要考虑尽可能减少丢失数据漏检的可能性；

3. 最大采样速度选择：根据国家标准要求能检测的信号频率为100-400KHz，按一般的信号采集电压精度不大于5%的要求（电压值）作为标准，确定最大采样速度大于5M即可满足误差要求，而更高采样率的仪器误差不会显著降低，但价格却会明显升高；

4. 采样精度：工程检测应用和普通科研应用16bit即可。

例二：某单位需采购用于在线故障诊断的声发射仪器

选型建议

被测信号噪声丰富，因此需要选用有效果良好的实时数字滤波器的声发射仪。有条件最好能实测实时数字滤波器的效果，测试实时数字滤波器的方法可人工产生多种频率的信号，测试对某窄频带信号能否有效提取和抑制。

SAEU2S多通道声发射仪性能指标

•根据客户需求设置声发射通道数量

•USB2.0声发射数据采集卡与计算机通讯

•1—N个独立声发射参数和波形通道

•实时连续声发射参数组通过率大于40万组/秒

•实时连续声发射波形数据通过率大于30MB/秒

•最大波形采样率： 3M/5M/10M/-Samples/sec(可选)

•采样精度：16位

•波形连续采集功能（连续采集时间仅受数据通过率和硬盘容量限制）

•512kB波形前采与后采功能

•实时连续硬件数字滤波器：0-3MHz频率范围内任意频率数值设置数字滤波器窗口直通，高通，低通，带通，带阻

•实时连续硬件数字信号处理：FFT功率谱输出，滤波后的波形重构和输出，重构波形的声发射参数产生和输出

•模拟滤波器：低通（100kHz、400kHz、1200kHz），高通（20kHz、100kHz、400kHz），带通（低通高通组合），直通

•自动传感器测试（AST）

•工作温度：-10℃～45℃

•模拟外参A/D：12bit

•模拟外参采样率：最大可达625k-Samples/sec

•模拟外参输入范围：±10V

•定位功能：球面/柱面/平面/立体/线定位/罐底

•声发射参数：到达时间/幅度/计数/能量/上升计数/持续时间/上升时间/RMS/ASL/4个外接参数/质心频率/峰值频率/5个局部谱参数

•FFT、小波及神经网络模式识别等多种信号分析功能

声发射系统

PLDL-2管道泄漏定位检测系统

PLDL-2管道泄漏定位检测系统（无线数传电台型）

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声发射检测原理与仪器技术指标

声发射系统

PLDL-2管道泄漏定位检测系统

超声波测厚仪

超声波探伤仪

幅度误差（dB）A(dB)=20lgΔA	幅度误差（电压值）（100为标准幅度值）ΔA=cos(π×f/s)	信号频率	采样速度
A(dB)	ΔA	f(kHz)	S(MSPS)
-10.2004	10-3.09017	400	1
-1.84085	10-8.09017	400	2
-1.14688	10-8.76307	400	2.5
-0.7854	10-9.13545	400	3
-0.27726	10-9.68583	400	5
-0.06876	10-9.92115	400	10
-0.01716	10-9.98027	400	20
-0.00762	10-9.99123	400	30
-0.00429	10-9.99507	400	40