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高速多通道声发射同步数据采集系统的研制 摘要 混流式水轮机叶片常出现大量贯穿裂纹，影响安全生产。声发射技术 作为一种新型动态的检测技术已被广泛应用于设备的无损检测、在线监测。 利用声发射技术实现水轮机在线监测时，基于p c i 插槽的声发射数据采集 系统受现场安装条件限制不宜采用，需要开发一套简单、轻便、适合现场 要求的声发射数据采集系统。 本文在对现有的各种声发射数据采集系统的性能、价格等进行比较的 基础上，结合d s p 的优点，提出以d s p 为核心的声发射数据采集系统。 首先，进行总体分析与设计，然后参照典型高速d s p 数据采集系统，研制 该高速多通道声发射同步数据采集系统。 研制过程中，硬件方面，选用a d 8 7 8 6 4 芯片实现高速、多通道、同步 采样，t m s 3 2 0 c 6 7 1 3d s p 芯片实现采样控制、中断控制、信号处理、数 据通信，c y 7 c 6 8 0 0 1u s b 2 0 芯片实现高速数据传输等。软件方面，基于 t m s 3 2 0 c 6 7 1 3 的c c s 开发平台，实现系统的初始化、a d s 7 8 6 4 的采样控 制、c y 7 c 6 8 0 0 1 的通信、采用f i r 滤波技术对信号进行初步处理等目标； u s b 2 0 上位机数据接收应用软件基于v c 实现。 最后，对整个系统进行集成，并进行铅笔芯折断、金属拉伸、金属疲 劳等实验验证，系统达到预期效果。现场应用时，将系统中u s b 2 0 传输 方式改为无线传输方式即可。 本文是国家自然科学基金项目“混流式水轮机转轮叶片裂纹监测的理 论和方法研究( 5 0 4 6 5 0 0 2 ) ”的部分工作。 关键词：声发射数据采集d s p u s b 2 0f i r t h ed e v e l o p m e n to fh i g h s p e e da n d m u l 月i c h a n n e l sa es y n c h r o n o u sd a t as a m p l e s y s t e m a b s t r a c t m a s st r a n s - c r a c k sf r e q u e n t l ya p p e a r e di nt h er u n n e rb l a d eo ff r a n c i s t u r b i n e , i th a dam a j o ri m p a c tt ot h es a f e t yp r o d u c t i o n a e ( a c o u s t i c e m i s s i o n ) t e c h n i q u ew a su s e dw i d e l yi ne q u i p m e n to fn o n d e s t r u c t i v e e x a m i n a t i o na n do n l i n em o n i t o r i n ga san e wd y n a m i cd e t e c t i n gw a y t o m o n i t o ri to n l i n ew i t ha e t e c h n i q u e , t h ea l ed a t as a m p l es y s t e mb a s e do n p c ic a r dw a sn o td i r e c t l ya d o p t e db e c a u s eo f t h el o c a lf i x i n gc o n d i t i o n ，s oi t w a sn e c e s s a r yt od e v e l o pas i m p l ea n dh a n d ya ed a t as a m p l es y s t e mw h i c h a d a p t e dt ot h el o c a l e i nt h i sa r t i c l e , o nt h eb a s i so ft h ec o m p a r i s o no fp r i c ea n df u e t i o no n c u r r e n td i f f e r e n ta ed a t as a m p l es y s t e m s ，i tc o m b i n e dt h ee x c e l l e n c eo f d s p , p u tf o r w a r dc h o o s i n gt h ed s pc h i pa st h ec o r eo ft h ea ed a t as a m p l e s y s t e m ；t h e n ，i tf i r s t l yp u tu pa n a l y s ea n dd e s i g na s aw h o l e ，n e x t l y a c c o r d i n g t oa t y p i c a lh i g h s p e e d d s pd a t a s a m p l es y s t e m , t h e h i g h - s p e e d ，m u l t i - c h a n n e l sa n ds i m u l t a e n o u sa ed a t as a m p l es y s t e mw a s d e v e l o p e d i nt h ep r o c e s so fd e v e l o p m e n t , i nh a r d w a r e , t h ec h i pa d s 7 8 6 4w a s a p p l i e dt 0r e a l i z eh i g h - s p e e d m u l t i - c h a n n e l sa n ds i m u l t a e n o u ss a m p l e , t h e d s p c h i pt m s 3 2 0 c 6 7 1 3w a sa p p l i e dt or e a l i z es a m p l ec o n t r o l ，i n t e r r u p t c o n t r o l ，s i g n a ld i s p o s e , d a t ac o m m u n i c a t i o n s ，t h eu s b 2 0c h i pc y 7 c 6 8 0 0 1 w a sa p p l i e dt or e a l i z eh i g h s p e e dd a t at r a n s m i s s i o ne t c i ns o f t w a r e , t h e t a r g e tw h i c hs y s t e mi n i t i a l i z a t i o n ，s a m p l ec o n t r o lo ft m s 3 2 0 c 6 7 1 3t ot h e a d s 7 8 6 4 ，c o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt m s 3 2 0 c 6 7 1 3a n dc y 7 c 6 8 0 0 1 p r i m a r ys i g n a ld i s p o s ew i t hf i r f i l t e re t c ，w e r er e a l i z e do nt h ep l a t f o r mo f c c s ；t h ep cs o f t w a r eo fu s b 2 0d a t ar e c e p t i o nw a sr e a l i z e db a s e do nv c t 0 0 l f i n a l l y , a f t e rt h ew h o l es y s t e mw a si n t e g r a t e d ，t h ee x p e r i m e n t a t i o n o f p e n c i lb r e a ko f f , m e t a l s t r e t c ha n dm e t a lf a t i g u ew e r ev a l i d a t e d t h ef f s t e m a c h i e v e dt h ea n t i c i p a t e dp u r p o s e w h e nt h ed a t as a m p l es y s t e mw a sa p p l i e d t ot h el o c a l e ，t h et r a n s m i s s i o nw a yc o u l dc h a n g et h eu s b 2 0t ow i r e l e s s t h i sa r t i c l ew a sp a r to ft h ew o r ks u p p o r t e db yt h es t a t en a t u r a l s c i e n c ef u n dp r o j e c t t h ec r a c km o n i t o rt h e o r ya n dm e t h o dr e s e a r c ho f r u n n e rb l a d eo ff r a n c i st u r b i n e ( 5 0 4 6 5 0 0 2 ) k e yw o r d s ：a e ；d a t as a m p l e ；d s p ：u s b 2 o ：f i r 儿i 广西大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果和相 关知识产权属广西大学所有，本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文 的研究内容。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发表过的研究成果，也不包含 本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提供过重要帮助的个人和集 体，均已在论文中明确说明并致谢。 撇：俩手 学位论文使用授权说明 抄7 年6 勇鲫日 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本： 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： 酗p 时发布口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 论文作者签名 卿 导师口7 年月炒日 广西大学硕士学位论文高速多通道声发射同步数据采集系统的研制 第一章绪论 1 1 声发射简介 1 1 1 声发射技术【l 】 声发射( a c o u s t i c e m i s s i o n ) 简称a e ，是材料或结构内部局部区域在外力，内力或 温度表化等影响下，产生塑性变形或有裂纹形成与扩展时，伴随能量迅速释放而发生的 瞬态弹性波现象。实际应用中，由于外界干扰及声发射捡测系统( 如传感器) 的原因， 接收到的声发射信号除了特征信息外，还存在大量外界干扰和噪声信息。 声发射检验技术的基本原理就是利用耦合在材料表面上的压电陶瓷探头将材料内 声发射源产生的弹性波转变为电信号，然后应用电子设备将这些电信号加以放大和处理 使之特性化，共加以显示和记录，从而获得材料内声发射源的特征参数。反之，通过分 析检验过程中声发射仪器获得的声发射信号各种参数。可以知道材料内部的缺陷情况。 1 1 2 声发射信号的特点 2 1 声发射信号从时域形态来看，般将其分为两种类型，突发型和连续型。突发型信 号，指在时域上可以分离的波形，如图1 1 实际上，所有的声发射过程均为突发过程， 如间断的裂纹扩展。不过，声发射频度达到时域上不可分离的程度时，就会出现连续型 的信号，如泄露信号。在实际的检测中也会出现两种信号的混合类型。声发射信号的特 征主要有： ( 1 ) 瞬态性。声发射信号在监测过程中具有随机性，只有当能量积累到一定的程度后， 才会出现一个瞬态释放的过程，然后迅速衰减。这个过程类似于一个瞬间的冲击信号， 由于能量释放的瞬态性，使声发射信号具有时变性，声发射信号属于非平稳随机信号。 ( 2 ) 多态性。声发射源本身具有多样性和不确定性，不同的声发射源机制可以产生完 全不同的a e 信号，而人们对a e 源机制的认识还受很多的限制。此外，机械波在固体介 质中传播是一个复杂的过程，在这个过程中不但包括多模式的波，如纵波、横波、表面 波等，而在传播过程中还会发生模式的转换。另外传播途径又与声源的位置，被检测对 象的性质，如材质、形状、几何形状以及接受传感器位置等诸多因素有关，因此，实际 的声发射信号具有多态性。 ( 3 ) 易受干扰性。声发射信号具有极高的灵敏度，同时也易于受到各种因素的干扰而 广西大学硕士学位论文高速多通道声发射同步数据采集系统的研制 无法得到真正意义的声发射信号。在实际的应用中，声发射信号多伴随着多种干扰噪声、 环境机械噪声、电子仪器等带来的噪声等。由于这些信号在时域分布在整个采样的时间 范围内，所以必须采用可行的方法分析和识别真正的声发射信号。( 注：图l l 中横坐标 单位为s ，纵坐标单位为v 。后文中所有时域信号横纵坐标单位与此相同) 1 1 3 声发射技术的优点【1 i 2 1 图l - i 典型突发型声发射信号 f i gi - it y p i c a l a b r u p t a es i 髀l ( 1 ) 声发射是一种动态检验方法。声发射探测到的能量来自被测试物体本身，而不是 像超声或射线探伤方法一样由无损检测仪器提供： ( 2 ) 声发射检测方法对线性缺陷较为敏感，它能探铡到在外加结构应力下这些缺陷的 活动情况，稳定的缺陷不产生声发射信号； ( 3 ) 在一次试验过程中，声发射检验能够整体探测和评价整个结构中活性缺陷的状 态； “) 可提供活性缺陷随载荷、时间、温度等外变量而变化的实时或连续信息，因而适 用于工业过程在线监控及早期或临近破坏预报； ( 5 ) 对被检件的接近要求不高，适于其它方法难于或不能接近环境下的检测，如高低 温、核辐射、易燃、易爆等环境； ( 6 ) 对于在用设备的定期检验，声发射检验方法可以缩短检验的停产时间或者不需要 停产； ( 7 ) 对于设备的加载试验，声发射检验方法可以预防由未知不连续缺陷引起的系统灾 难性失效； ( 8 ) 对构件的几何形状不敏感，适于检测其它方法受到限制的形状复杂的构件。 2 广西大学硕士学位论文高速多通道声发射同步数据采集系统的研制 1 2 声发射系统概述 1 2 1 硬件系统概述 各种测量表明，声发射信号的频率分布与材料或构件的具体特性有关。其范围从次 声波到超声波，考虑到低频机械噪声的干扰及高频的传播的衰减，通常声发射信号传感 器的使用频率一般在2 0 h z 2 m h z 之问典型应用如压力容器、天然气管道等，传感器使 用频率一般选择1 0 0 k h z - 3 0 0 k h z 较多 3 1 。该采样频率属于中高频率范围，对a d 的采样频 率有一定的要求。早期声发射数据采集系统其硬件多为基于p c i 的通用数据采集卡，但 随着d s p 、f p g a 技术的高速发展，基于d s p 、f p g a 技术的声发射数据采集系统在市场 上也已经出现。 同时，在利用声发射技术进行定位、趋势预估时，一般需要多通道同步数据采集， 其数据量非常大，要对如此大量的数据进行实时处理十分困难，所以，当前各种常见声 发射数据采集系统，如p a c 公司的d i s p 、s a m o s 系统等，都是将数据直接存储到p c 上， 再借助专用软件进行事后处理。也有利用f p o a t t 术如北京声华公司的s w a e s 全波形数 字声发射系统 4 1 ，该系统既可传输波形，也能在f p g a 提取声发射基本参数，直接获 取，但仅有声发射基本参数，难以实现声发射源定位与趋势预估等目的。 硬件系统主要包括传感器、前置放大器、数据采集卡、p c 等。 1 2 2 软件系统概述u l 软件系统包括低层软件和应用软件对声发射系统丽言，难点是应用软件的开发， 即信号分析与处理部分。声发射检测的最主要目的之一是识别产生声发射源的部位和性 质，而声发射信号的处理是解决这一问题的唯一途径。在声发射信号的处理和分析方面， 除普遍常用的经典声发射信号参数和定位分析之外，国内外目前开展了处于世界前沿的 基于波形分析基础之上的模态分析、经典谱分析、现代谱分析、小波分析和人工神经网 络模式识别等研究，另外也对声发射信号参数采用了模式识别、灰色关联分析和模糊分 析等先进的技术，各种信号分析和模式识别的软件包也相继出现。通过采用这些信号处 理与分析技术。可以在不对声发射源部位进行其它常规无损检测方法复验的情况下，直 接给出声发射源的性质及危险程度预估。 广西大学硕士学位论文 高速多通道声发射同步数据采集系统的研制 1 3 国内外声发射系统简介【2 】 当前，国内外研制声发射系统的公司主要有，美国p a c 公司，美国d w 公司，德国 v a l l c n s y s t e m e 公司和中国广州声华公司，他们先后分别开发了计算化程度高、体积和重 量小的数字化多通道声发射检测分析系统，这些系统除能进行声发射参数实时测量和声 发射源定位外，还可直接进行声发射波形的观察、显示、记录、和频谱分析等功能。下 面对美国p a c 公司、德国v 甜l 既s y s t c m c 公司、广州声华公司的主要声发射系统进行简单 介绍。 ( 1 ) 美国p a c 公司：走在声发射系统研制前沿的美国声学物理公司( p a c ) ，最先将现 代微处理技术引入到声发射检测系统，如d i s p 系统，该系统采用插卡式并行处理结构， d h p c i 总线的p c 机、前置放大器、传感器和多个并行处理的p c i - d s p - 4 卡组合而成，每 块p c i - d s p - 4 卡可处理4 个a e 通道，系统将传感器检测到的声发射信号送前置放大器放 大，再通过p c i - d s p - 4 卡提取a e 特征参数和波形数据，完成对声发射信号的采集记录处 理。d i s p 系统的软件系统采用w i n d o w s 界面，进行处理并显示定位图、波形图、参数图 等。定位软件具有三角形、四边形等多种定位方式，并允许传感器随面布局进行随即定 位，三维定位软件对三维实体进行空间定位。除此之外，还可配置小波分析、神经网络、 模式识别等软件，用于复杂问题、复杂情况、复杂环境的声发射分析与研究。该系统总 体功能强大，但价格昂贵，单检测系统就需4 0 万人民币，如果需增加配置软件或检测系 统通道数，价格更高。 另外，该公司还研制了s a m o s 声发射检测系统。s a m o s 系统其核心是并行处理p c i 总线的p c i - 8 声发射功能卡，在一块板上具有8 个通道的实时声发射特征提取、波形采集 及信号处理的能力，它仍采用d s p 技术作为p c i - 8 卡核心，是p a c 公司目前集成化更高、 价格低廉的系统，适合压力容器检测等工程应用。该系统售价约1 5 万人民币。 ( 2 ) 德国v a l l e ns y s t c m e 公司：a m s y - 5 声发射检测系统是该公司研制的新型设备，系 统具有1 2 5 4 通道，数据传输速度大于3 0 0 0 0a e - h i t s s ，波形传输速度大于2 5 m s ，配备 了多种定位算法和分析软件。该公司的声发射检测系统和分析软件等的设计，更加人性 化，系统性能稳定、操作灵活。基本配置的a m s y - 5 声发射检测系统价格约为6 0 万人民 币。 ( 3 ) 广州声华公司：公司产品分s d a e s 数字声发射系统和s w a e s 全波形声发射检 测系统。数字声发射检测系统以s d a e 5 ( f p g a ) 声发射数据采集卡为检测系统核心，可 4 广西大学硕士学位论文 高速多通道声发射同步数据采集系统的研制 实现1 6 位a d 转换和5 通道的声发射同步采样，采样完成后数据经p c i 总线用d m a 方式传送到p c ，参数提取与信号分析、定位等功能全部由p c 配套软件实现。w a e 8 为 声华公司生产的全波形声发射检测系统，数据采集卡为a d l i n k 公司的p c i 一9 8 1 2 1 0 卡， 4 个通道的声发射信号直接进入1 6 位a d 转换，转换后的数字信号进入一片超大规模 f p g a 门阵列芯片以实时提取声发射参数和波形数据并进行数字信号处理。信号传输和 软件系统与数字声发射系统一样。该公司也可选择性配置谱分析、小波分析、神经网络 等分析软件。数字声发射检测系统售价为5 万人民币左右，全波形声发射检测系统售价 为6 万左右， 其谱分析、小波分析、神经网络等配套分析软件售价为l 万左右。 1 4 课题背景介绍 1 4 1 课题来源 本课题来源于国家自然科学基金5 0 4 6 5 0 0 2 混流式水轮机转轮叶片裂纹监测的理论 和方法研究。 大型混流式水轮机转轮叶片在运行中经常出现大量裂纹，严重危及水电站运行安 全。对转轮叶片裂纹的产生和发展进行在线动态监测研究将是提高水电站运行安全的重 要措施。在大的背景噪声和强磁场干扰下，检测由转动的转轮叶片产生裂纹时的声发射 信号并分析其特征，实现对裂纹产生的报警、裂纹产生位置的估计、裂纹发展趋势的预 估，进而对水轮机转轮安全性进行综合评估、提出维修报警，为研制可用于水电站生产 实际的转轮裂纹监测系统奠定技术基础。 实现转轮裂纹监测时，监测系统是核心，现有压力容器、天然气管道等使用的声发 射系统不能直接采用，需要根据混流式水轮机的实际和模拟实验的研究结果，完成声发 射监测系统的硬件研制和软件开发。 i a 2 声发射监测系统要求分析 声发射技术属于动态检测，能量来自被测物体本身，旋转中的水轮机转轮叶片在塑 性变形、裂纹形成、扩展等阶段都有声发射现象产生，后者为主要的声发射源。为了利 用声发射技术实现对水轮机的在线监测，采用的声发射监测系统要求既能实时捕捉水轮 机工作过程中产生的各种声发射信号，还能对捕捉到的声发射信号进行初步处理。 水轮机工作时，始终处于旋转状态，声发射裂纹监测系统( 系统硬件部分) 在安装 5 广西大学硕士学位论文高速多通道声发射同步数据采集系统的研制 时可以采用如下两种方案：传感器、监测系统等安装在转轮上端法兰，在水车室内完 成监测：传感器安装在转轮中心内孔，通过中心孔引线至发电机层再完成监测。在水 电站进行检修时安装系统，实施实际转轮裂纹的监测，并在下次停机检修时与实际检测 结果进行对比研究。图1 2 为混流式水轮机转轮法兰。方案1 中，信号传输距离短，信号 衰减小，安装方便；方案2 中信号传输距离过长，为了减小信号传输过程中的信号衰减， 前置放大器需随着水轮机一起旋转，且安装困难。两种方案都需声发射监测系统随着水 轮机一起旋转。 图l - 2 水轮机转轮法兰 f i g1 - 2 t h e 脚o f f r a n c i st u r b i n e 1 3 节中介绍的国内外各种声发射系统，其数据传输都基于p c i 总线，系统现场需有 p c 机的支持，但工作时处于旋转状态的水轮机，安装声发射监测系统的空间有限，p c 机不宜安装。根据声发射监测系统需要随着水轮机一起旋转的现场应用要求，简小、轻 便的嵌入式系统在此适合采用，虽然1 3 节中介绍的d i s p 、s a m o s 、s w a e s 等声发射系 统也属于嵌入式系统，但价格昂贵，在它们的基础上对p c i 总线等进行改造，十分困难， 所以有必要研制一套适合现场要求的嵌入式声发射监测系统。 1 4 3 嵌入式声发射监测系统要求分析 当前，嵌入式系统主要分类依据为其核心芯片，如m c u 、a r m 、d s p 、f p g a 。以 m c u 、a r m 芯片为核心的嵌入式系统，适合运算速度要求不高的场合，金属裂纹的声 发射信号能量集中在1 0 0 k h z 3 0 0 k h z ，要求高速采样，如需利用m c u 或a r m 对声发 射信号作信号初步处理，则m c u 、a r m 的运算速度达不到要求：以d s p 、f p g a 6 1 为 核心的嵌入式系统，单指令周期已经达到i i s 级，既可高速采集声发射数据，又可对声 6 广西大学硕士学位论文高速多通道声发射同步数据采集系统的研制 发射信号作初步处理。 以f p g a 为核心的嵌入式系统，基于现场可编程门阵列与v hl 语言，虽能实现 声发射信号高速采集和信号初步处理，但其硬件功能如a d 采样、数据传输等，都需编 写复杂程序实现，其寻址、译码等程序较繁琐，信号处理能力弱，如对声发射信号进行 f i r 滤波，程序代码相当冗长，在较短时间内难以开发成功【7 】。 d s p ，即数字信号处理器，不仅能实现一般的数据采集功能，还能实现信号处理等 功能，如数字滤波、自适应滤波、快速傅立叶变换、相关运算、谱分析、卷积、模式匹 配、加窗、波形产生，特别适合于实时、高速的信号处理【8 1 1 9 1 。在利用声发射技术实现 水轮机在线监测时，声发射源信号需多通道高速采样，如不对其作信号初步处理，数据 传输速度要求数m s ，一般的传输方式难以实现，所以有必要先对信号作初步处理，再 把有价值的信号向p c 传输以作进一步的分析，d s p 实时、高速的信号处理功能满足此要 求。 d s p 具有如下特点【8 1 【1 0 】：1 在单指令周期内完成乘加运算；2 高速的运算能力； 3 一般采用哈佛结构和流水线技术；4 芯片具有满足数字信号算法特殊要求的功能， 如为了支持蝶形算法而设计的比特反转寻址；5 数据交换能力高；6 支持并行处理指 令；7 哈佛结构，程序空阃和数据空间分开，可同时取指令和操作数：8 流水线结构， 能保证数字信号处理中用的最多的乘法累加运算可以在单个指令周期内完成；9 多处 理单元，一些特殊算法可在芯片内部用硬件实现以提高运行速度，如f f t 的位码倒置寻 址和取模运算，特别适用于f 取和t 滤波器；1 0 指令周期短：c 5 4 x1 0 0 m i p s 十亿条指 令每秒，c 6 x2 4 0 0 m i p s ；1 1 运算精度高：4 0 位；1 2 硬件配置强，具有多通道高速缓 冲串m c b s p 、并行主机接i 丁h p i 、d m a 控制器、软件可编程等待状态发生器、锁相环 p l l 时钟发生器、以及实现在线仿真的测试口等。 结合以上d s p 特点，为了实现水轮机裂纹在线监测，可以采用高速a d 与d s p 结合 实现声发射信号的采集，采用无线传输方式将a e 数据或参数传输给p c 以实现在线分析 ( 前期可考虑采用u s b 2 0 方式) ，借助d s p 适合于实时高速信号的处理功能实现对声发 射信号的f i r 滤波、小波分析、参数提取等。以d s p 为核心的嵌入式系统也简小、轻便， 可直接将其安装于转轮法兰处。 结论：鉴于d s p 采用流水线结构，指令周期短等特点，特别适合实时、高速信号处 理，该嵌入式声发射监测系统核心芯片采用d s p 。 7 广西大学硕士学位论文高速多通道声发射同步数据采集系统的研制 1 5 本课题的主要工作及意义 基于d s p 技术的声发射监测系统，由d s p 数据采集系统( 含传感器、前置放大器) 和信号分析、处理系统构成。d s p 数器采集系统为水轮机监测系统的硬件核心，是本课 题研制对象；信号分析、处理为监测系统的软件核心，需要结合硬件，基于p c 以实现裂 纹定位、发展趋势预估等目的。水轮机在线监测系统的首要任务是研制一套适合现场要 求的低成本的基于d s p 技术的声发射数据采集系统。 1 5 1 主要工作 基于d s p 技术的声发射数据采集系统，设计时需要充分考虑声发射监测系统实际 要求。主要为：硬件上，能高速、同步采集多通道声发射信号，能对处理后信号进行高 速传输；软件上，能对信号进行实时处理，包括滤波、参数提取等。具体任务为研制一 套基于d s p 技术的高速多通道声发射同步数据采集系统。 主要工作为： ( 1 ) a d 、d s p 、u s b 2 0 等芯片的硬件选择、硬件设计，软件设计，软件调试等； 国声发射数据采集系统的集成； ( 3 ) ，集成后声发射数据采集系统的实验验证。 1 5 2 研究意义 针对旋转中的水轮机，为提取声发射信号以最终实现水轮叶片裂纹在线监测如裂纹 定位、发展趋势预估、安全警告等，设计该基于d s p 技术的高速多通道声发射同步数 据采集系统，以便能为水轮机的在线监测提供硬件基础。 本章小结 介绍声发射技术；概述各种声发射系统；通过介绍水轮机在线监测的现场应用要求 和对比国内外各声发射系统性能、价格，提出基于d s p 技术的高速多通道声发射同步 数据采集系统研制任务。 广西大学硕士学位论文高速多通道声发射同步数据采集系统的研制 第二章高速多通道声发射同步数据采集系统总体设计 确定研制一套基于d s p 技术的高速多通道声发射同步数据采集系统后，需对系统 构成进行简介和结合水轮机在线监测系统要求提出总体方案。 2 1 声发射数据采集系统构成 一般声发射数据采集系统主要由传感器、前置放大器、数据采集、数据通信、信号 处理等几大模块构成，如图2 1 所示，下面将作分别介绍。 前数 信 通信 传 卜 置 据 卜、 号 信 、 号 感 放采 预 ， 模 处 r 器大集处块 理 器卡理 图2 - l 声发射信号数据采集系统的构成 f i g2 - 1a es a m p l es y s t e ms a u c t u t e 注：信号预处理一般在以d s p 、f p g a 等芯片为核心的系统中采用，主要完成软件滤波等功能 2 1 1 声发射传感器【1 1 l ( 1 ) 工作原理：某些晶体在受力产生变形时，其表面出现电荷，而在电场的作用下， 芯片又会发生弹性变形，这种现象称为压电效应。常用声发射传感器的工作原理，基于 晶体组件的压电效应，将声发射波所引起的被检件表面振动转换成电压信号，供于信号 处理。 ( 2 ) 压电材料：压电材料多为非金属介晶体管，包括：锆钛酸铅、钛酸铅、钛酸钡 等多晶体和铌酸锂、碘酸锂、硫酸锂等单晶体。其中锆钛酸铅接收灵敏度高，是声发射 传感器常用压电材料。铌酸锂晶体居里点高达1 2 0 0 ，常用作高温传感器。 ( 3 ) 传感器的特性：主要有频响宽度、谐振频率、幅度灵敏度，取决于许多因素， 包括：i 晶体的形状、尺寸及其弹性和压电常数；h 芯片的阻尼块及壳体中安装方式； i i i 传感器的耦合、安装及试件的声学特性。 “) 声发射传感器分类：可分为压电型、电容型和光学型。其中，常用的压电型又 9 广西大学硕士学位论文 高速多通道声发射同步数据采集系统的研制 可分为：谐振式( 单端和差动式) 、宽带式、锥型式、高温式、微型、前放内置式、潜水 式、定向式、空气耦合式等。 2 1 2 声发射前置放大器【5 l 【1 2 l 前置放大器置于传感器附近，放大传感器的输出信号，并通过长电缆供主机处理。 主要作用为： ， ( 1 ) 高阻抗传感器与低阻抗传输电缆之间提供阻抗匹配，以防信号衰减； 圆通过放大微弱的输入信号，以改善与电缆噪音有关的信噪比； ( 3 ) 通过差动放大，降低由传感器及其电缆引进的共模电噪音； ( 4 ) 提供频率滤波。 前置放大器的主要性能包括： ( 1 ) 增益：通常提供4 0 d b 固定增益，有的还备有2 0 d b 和6 0 d b 附加增益，以适用不 同的用途。 ( 2 ) 频率范围：放大器本身可提供较宽的频率范围，通常约为2 k h z - i m h z ；然而， 实际频宽取决于滤波器的选择，包括低通、高通和带通滤波器。 ( 3 ) 噪音：噪音水平取决于晶体管的性能、放大器频宽、输入阻抗和环境因素，而频 率范围越宽噪音水平就越高。因而，噪音水平，只有在同一频宽下比较才有意义。 “) 动态范围：可用最大输出信号幅度对输出噪音幅度之比表示 为适用于宽的信号幅度范围，放大器的动态范围应尽可能大，一般为6 0 - - 8 5 d b 。有 时在前置放大器中还加入滤波功能，实现初步滤波。前置放大器已经从最初的音响领域 应用到工业控制、家电等众多场合，向各种专业应用领域快速发展着。 2 1 3 基于d s p 的数据采集技术 t i 公司的t m s 3 2 0 系列d s p 作为通用系列的典型代表，得到了广泛的应用，市场占 有率达7 0 以上，是产量最高、品种最多、性能最强的数字信号处理器。目前基于d s p 技术的数据采集系统基本是以t i 公司的t i m s 3 2 0 系列作为基本芯片。 d s p 数据采集模块一般包括a d 转换、前端滤波、d s p 、f i f o 、信号初步处理、 数据传输等。将a d ，d s p 、f i f o 以及传输模块等集成在一块p c b 板上，既可完成普 通数据采集卡的数据采集功能，还能实现数字信号处理，其数据传输方式也多种多样， 如p c i 、m c b s p 、u a r t 、c a n 、u s b 等a d 模块主要根据采样精度和采样频率等参 1 0 广西大学硕士学位论文 高速多通道声发射同步数据采集系统的研制 数进行选择，d s p 芯片一般根据处理速度、存储空间等要求进行选择，数据传输方式一 般根据传输速度和传输距离进行选择。 基于d s p 的声发射数据采集模块，a d 转换、前端滤波、d s p 、f i f o 、信号初步 处理、数据传输等模块都不可缺少，但为了实现对声发射信号的采集和处理，对各个模 块有特殊要求。a d 模块要求高速采样，单通道采样率一般在数百k i - i z ，为了实现定位、 趋势预估等，需多通道同步采样；前端滤波主要是硬件滤波，必须根据声发射信号专门 设计，一般由前置放大器实现；d s p 芯片要求能实时处理大数据量的声发射信号；f i f o 模块一般用以实现大数据量的声发射信号缓存；信号初步处理基于d s p 实现，需正确 处理数据采集对信号实时处理的影响：数据传输方式选择时需考虑适合现场要求的传输 方式。 2 1 4 声发射数据通信技术【1 3 】【1 4 】 通信模块，分并行通信和串行通信两大类。并行的如p c i ，h p i ( d s p 中应用) ； 串行的如r s 2 3 2 、r s 4 8 5 、s c i 、s p i 、c a n 、b s p m c b s p 、u s b 等。下面对并行通信 和串行通行分别作简单介绍： ( 1 ) 并行( p a r a l l e l ) 通信：数据以成组的方式在多个并行信道上同时传输。例如将 构成1 个字符代码的几位二进制位分别在几个并行线路上传输，每个比特使用一个单独 的线路。并行通信非常普遍，特别是用于两个短距离的设备之间。最常见的例子是计算 机和外围设备之间的通信，如打印电缆。其他的例子还包括c p u 、存储器模块和设备控 制器之间的通信。 并行通信应用到长距离的连接时就无优点可言了。首先，在长距离上使用多条线路 要比使用一条线路昂贵。另外一个问题涉及到比特传输所需要的时间。短距离时，多个 信道上同时传输的比特几乎总是能够同时收到。但长距离时，导线上的电阻会或多或少 地阻碍比特的传输，从而使它们的到达稍快或稍慢，这将给接收端带来麻烦。 ( 2 ) 串行( s e r i a l ) 通信：数据流以串行方式在一条信道上传输，即在一条线路上逐 个传送所有的比特。这种传输方式给发送设备和接收设备增加了额外的复杂性。发送方 必须明确比特发送的顺序。例如发送一个字节，发送方必须确定是先发送高位比特还是 先发送低位比特。同样，接收方必须知道一个目标字节中收到的第一位应该放在什么位 置上。如果串行通信的双方在比特的顺序上无法取得一致，数据的传输将出现错误。 广西大学硕士学位论文高速多通道声发射同步数据采集系统的研制 由于串行通信的收发双方只需要有一条传输信道，比较便宜又易于实现，而且用在 长距离连接中也比并行通信更加可靠，因此是目前广泛采用的一种方式。但是它每次只 能发送一个比特位，所以传输速度比较馒。 但是，最高传输速率达到4 8 0 m b s 的u s b 2 0 技术的出现使利用串行通信实现声发 射高速数据传输成为可能。 2 1 5 声发射数据处理技术 包括数据预处理与信号处理，由于本课题主要涉及监测系统硬件设计，前面第一章 已经对声发射信号处理技术作了概述性介绍，这里不再赘述。 2 2 高速多通道声发射同步数据采集系统总体设计 第一章已经提到，该d s p 声发射数据采集系统要求能高速、同步采集多通道的声 发射信号，能对信号进行初步处理，有效减少数据量，还能进行高速数据传输。下面就 上述要求，先作进一步的总体分析，再提出系统总体方案。 2 2 1 总体要求分析 金属中的声发射源主要为裂纹萌生和扩展、屈服和塑性变形、夹渣物的断裂和脱开 等水轮机转轮叶片裂纹的产生就包含了上述各种声发射源，其能量集中在 1 0 0 k i - i z - 2 4 0 k h z 频段i 5 0 声发射数据采集系统属于高速数据采集系统，在现代数据采集领域，多数场合是将 各种电子技术融合，如p c i + c p l d + d s p 、u s b + c p l d f p g a + d s p 等，以实现数据采集、 处理、传输等目的。 该声发射数据采集系统所得数据最终要求进行水轮机叶片裂纹位置估计，发展趋势 预估、安全警告等，需要高速、多通道、同步采样，实现方法有多路a d + 同步触发电 路和多通道同步a d 两种，一般优先考虑采用多通道同步a d 。同时，根据抽样定理和 金属裂纹声发射信号的频率特性，要求a d 的采样频率为5 0 0k h z 通道或以上。实验 室条件下还需与p c 机作高速数据传输，需要选用高速数据传输模块。 同时，为了有效减少数据量，必须进行滤波处理：如d s p 系统资源允许，还应对 声发射信号进行初步处理与分析，如小波分析、参数提取等。系统对d s p 的综合性能 2 广西大学硕士学位论文 高速多通道声发射同步数据采集系统的研制 有较高要求。 2 2 2 总体方案 硬件上，选择高性能d s p 作为核心芯片；采样模块采用高速、多通道、同步a d 芯片；具有或可外扩大容量缓存；数据传输模块采用u s b 2 0 ，需要现场应用时，再改 进为无线传输方式。即该高速多通道声发射同步数据采集系统选定高速、多通道同步 姗d s p + u s b 2 0 的硬件方案。 系统前端传感器与前置放大器，选用适合金属裂纹声发射信号1 0 0 k h z - 3 0 0 k h z 3 1 检 测频率的产品。 软件上，信号初步处理如f i r 滤波、参数提取等基于d s p 实现，低层软件开发如 a d 采样控制、信号初步处理、u s b 2 0 通信等基于t i 公司的c c s 平台，u s b 2 0p c 端 数据接收程序基于v c 实现。 本章小结 本章分别从声发射传感器、前置放大器、数据采集模块、数据传输模块等方面概述 声发射系统构成。同时，结合水轮机裂纹在线监测要求，提出高速多通道声发射同步数 据采集系统总体方案。 广西大学硕士学位论文 高速多通道声发射同步数据采集系统的研制 第三章高速多通道声发射同步数据采集系统硬件设计 硬件是实现数据采集的基础，d s p 、u s b 2 0 、高速多通道a d 等电子技术的发展使 高速、多通道、同步d s p 声发射数据采集系统成为可能。 3 1 系统硬件总体要求分析 综合第二章中的系统总体要求分析，参照当前国内外各声发射硬件产品，得到如下 系统硬件初步要求： ( 1 ) 数据采集要求：4 通道或以上高速同步a d 输入，采样频率5 0 0k h z 通道或以 上，采样频率可编程设定； ( 2 ) 擞据处理要求：d s p 具有高速处理能力，片内带大容量的程序与数据存储空间； ( 3 ) 数据传输要求：现场要求采用无线传输方式。实验室条件下可先选用u s b 2 0 数 据传输方式，现场应用时改进即可。( 注：d s p 可提供无线传输方式接口，如蓝牙u a r t ， t i 公司2 0 0 0 系列直接提供，5 0 0 0 、6 0 0 0 系列可由m c b s p 改造) ( 4 ) 传感器与前置放大器的选型：传感器与前置放大器选型时需以金属裂纹声发射信 号为检测对象。 3 2 系统硬件总体方案设计 基于d s p 技术的高速数据采集系统，其高速a d 转换模块，对于t i 公司2 0 0 0 系列( 如 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 、t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 ) 由于其内部带有高速、多通道、同步采样a d ，a d 部分可以直接采用。而对t i 公司5 0 0 0 、6 0 0 0 系列( 如t m s 3 2 0 c 5 4 0 2 、t m s 3 2 0 c 5 4 0 9 、 t m s 3 2 0 c 6 7 1 3 ) 的d s p 芯片，由于其内部不带a d 模块，需单独设计。 一般在高速数据处理时，需加先入先出f i f o 芯片( f i r s ti nf i r s to u t ) ，以实现数 据缓存的功能；而通信模块，由于其本身的s p i h p f c a n m c b s p 等接口传输速度慢， 一般需要另接u s b 2 0 传输模块。图3 - 1 是一典型的高速d s p 数据采集系统硬件框图。 对于声发射的d s p 数据采集系统而言，由于其采样率要求