（采矿工程专业论文）低频全波形声发射虚拟测试系统的研究与实现.pdf

昆i w 螳t 人学1 l ! j ! l 。学位论文 摘拦 摘要 声发射技术作为一种新兴的动态无损检测方法已被广泛地应用在石油化工 工业、电力工业、材料试验、民用工程、航天和航空工q k 、余属加工、交通运输 业等领域，声发射仪器也由早期的参数式声发射仪器发展到现在的全波形声发射 仪。目l j ，我国的声发射仪器还主要以模拟式为主，全数字化声发射仪的研制还 比较少，而国外的声发射仪器已经达到了超高速、全数字、全波形、多通道、强 抗干扰的先进水平。但这些性能优越的仪器都因价格昂贵，不易操作和维修及售 后服务不及时等方面的问题而难以在我国做较大范围的推广使用，从而大大限制 了声发射技术的应用。 本文首先论述了声发射仪器的发展现状、声发射信号的分析方法和岩体声发 射信号的特点，并针对岩体声发射信号频率较低的特点提出了一种基于计算机多 媒体声卡的信号采集与处理系统方案；接着阐述了声发射的发展概况、岩石声发 射的应用范围、声发射的检测过程，介绍了虚拟仪器的概念与特点，分析了声卡 代替总线数据采集卡的可行性，并据此构建了声发射虚拟仪器的系统结构；然后 从程序设计的角度讲述了声发射虚拟仪器的软件总体结构、功能模块的设计及开 发实现过程；最后讲解了声发射源定位的原理和通过多路开关、计算机并行口构 建多通道源定位系统的硬件结构。 本系统以v i s u a lc 抖为平台，开发了应用于p c 机的低频全波形数字式声发射 虚拟仪器，完成了信号采集、实时波形显示、波形文件显示、数据管理、越限报 警、参数设置等功能模块；实现了从数据流中提取常用声发射特征参数和两点间 波速的测定，因而使该仪器具有了声发射监测、分析与源定位辅助功能。该系统 具有成本低、操作方便、兼容性好、扩展性强等优点，可以适应任何一台带有声 卡的计算机系统，性能可靠。 关键词：声发射声卡虚拟仪器源定位 昆咧理r 大学顺f ：学位论文 a b s r a c t a bs t r a c t a so n eo fn e wd y n a m i cn o n d e s t r u c t i v et e s t i n gm e t h o d s ，a c o u s t i ce m i s s i o n ( a ef o rs h o r t ) t e c h n i q u eh a sb e e nu s e dw i d e l yi np e t r o l e u ma n dc h e m i c a li n d u s t r y ， e l e c t r i cp o w e ri n d u s t r y ，m a t e r i a le x a m i n a t i o n ，c i v i l i a ne n g i n e e r i n g ，s p a c e f l i g h ta n d a e r o n a u t i c i n d u s t r y ，m e t a l l i cm a c h i n i n ga n dt r a n s p o r t a t i o ni n d u s t r y e t c a e i n s t r u m e n t sh a v ed e v e l o p e df r o me a r l yp a r a m e t e rt y p et oc u r r e n tf u l lw a v e f o r m t y p e f o rt h em o m e n t ，t h em a n u f a c t u r e so fa ei n s t r u m e n t si no u rc o u n t r ym o s t l ya r e p a r a m e t e rt y p e ，a n dd i g i t a la ei n s t r u m e n t st a k eu paf a tl o t y e ti nt h eo v e r s e a s ，a e i n s t r u m e n t sh a v ed e v e l o p e dt h ea d v a n c el e v e lo fe x t r e m e l yh i g hs p e e d ，f u l ld i g i t a l ， f u l l w a v e f o r m ，m u l t i - p a s s a g e sa n ds t r o n g a n t i i n t e r f e r e n c e b u tt h e s es u p e r i o r i n s t r u m e n t sa l ed i f f i c u l t yt op o p u l a r i z ea n du s ew i d e l yi no u rc o u n t r yb e c a u s eo ft h e i r e x p e n s i v ep r i c e s ，d i s c o m m o d i o u so p e r a t i o na n dm a i n t a i n ，u n t i m e l ya f t e rs e r v i c e t h e r e f o r e ，t h ea p p l i c a t i o no fa et e c h n i q u ei sl i m i t e dg r e a t l y ； t h i st h e s i si n t r o d u c e sf i r s t l yt h ep r e s e n td e v e l o p m e n ts i t u a t i o no fa ei n s t r u m e n t ， t h ea n a l y s i sm e t h o d so f a es i g n a l ，t h es i g n a lc h a r a c t e r i s t i c so f r o c ka e ，a n da i m i n ga t t h e l o w f r e q u e n c y o f r o c k a e ，a k i n d o fs c h e m e o f s i g n a ls a m p l i n ga n d p r o c e s s b a s e o nt h es o u n dc a r do f m u l t i m e d i ac o m p u t e ri sp u tf o r w a r d ；i ns u c c e s s i o n ，t h et h e s i s s h o w st h ed e v e l o p m e n tc o u r s eo f a et e c h n i q u e ，t h ea p p l i c a t i o ns c o p eo f r o c ka ea n d t e s t i n gp r o c e s so f a e ，e x p l a i n st h ec o n c e p t i o na n dc h a r a c t e r i s t i c so f v i r t u a l i n s t r u m e n t ( v if o rs h o r t ) ，a n a l y z e st h ef e a s i b i l i t i e so f s o u n dc a r ds u b s t i t u t ef o rd a t a s a m p l i n gc a r da n dc o n s t r u c t st h es y s t e ms t r u c t u r eo f v i r t u a li n s t r u m e n to f a e 。 a f t e r w a r d st h i sp a p e ri n t r o d u c e st h eg e n e r a ls o f t w a r es t r u c t u r ea n dt h ep r o c e s so f d e s i g na n di m p l e m e n to f p e r f o r m a n c em o d u l e so f v i r t u a li n s t r u m e n tf r o mt h ed e g r e e o f p r o g r a m m i n g ；a tl a s ti td i s c u s s e st h e p r i n c i p l eo f a es o a r c el o c a t i o na n d c o n s t r u c t st h eh a r d w a r es t r u c t u r eo f l o c a t i n gv i am u l t i p a s s a g e ss w i t c ha n dp a r a l l e l p o r to f c o m p u t e r b a s eo nt h ep l a t f o r mo fv i s u a lc + + a u t h o rd e v e l o p st h ev i r t u a li n s t r u m e n to f f u l lw a v e f o r md i g i t a la e ，c a r r i e so u t t h em o d u l e so fs i g n a ls a m p l i n g ，w a v e f o r m d i s p l a yo fr e a l - t i m es a m p l i n ga n dw a v ef i l e ，m a n a g e m e n to fd a t a ，a l a r mb e y o n dl i m i t ， a n dt h es e t t i n g so fp a r a m e t e r se t c ，r e a l i z e st h ee x t r a c t i o no fc h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r s f r o md a t af l o wa n dt h em e a s u r e m e n to t 、s p e e db e t w e e nt w op o i n t s ，c o n s e q u e n t l y ，t h e 昆明理t 人学坝j 。学位论文a b s t r a c t v ii sp r o v i d e dw i t ht h ef u n c t i o n so fm o n i t o r i n ga n da n a l y s i s o fa es o u r c e ， s i m u l t a n e i t yt h ef u n c t i o no fa s s i s t a n ta es o u r c el o c a t i n g t h ev is y s t e mt a k e so nt h e c h a r a c t e r i s t i c so fl o wp r i c e ，c o n v e n i e n to p e r a t i o n ，g o o dc o m p a t i b i l i t ya n ds t r o n g e x p a n s i b i l i t y , s oi ti sa p p l i c a b l ei na n yc o m p u t e rw i t hs o u n dc a r da n dr e l i a b l ei n p e r f o r m a n c e s k e y w o r d ：a c o u s t i ce m i s s i o ns o u n dc a r dv i a a a li n s t r u m e n ts o u s el o c a l i n g 昆明理工大学学位论文原创性声明 y 6 6 9 0 37 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究工 作所取得的成果。除文中已经j 主明引用的内容外，本论文不含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和 集体，均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。本声明的法律结果由本 人承担。 学位论文作者签名：粤酒、 日 期：跏乒年6 月_ 多日 ， 关于论文使用授权的说明 本人完全了解昆明理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅，学校可以公布论文的全部 或部分农容，可以采用影印或其他复制手段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守) 导师签名 论文作者签名 墨边! 日 期：迎垒生旦三旦 昆| 】j j 删t 凡学f i ! jl 学位论立 第一章，j i 禹 第一章引言 声发射技术的系统研究与应用已有5 0 多年的历史，从早期的金属材料声发 射现象研究到如今的各种固体材料损伤过程的声发射研究与应用，广义的泄漏、 化工反应等过程声发射现象的研究与应用。声发射仪器也由早期的声发射参数获 取仪器到现在的参数、全波形、参数及全波形混合式等多种形式的声发射仪。声 发射信号分析的方法也由早期的参数方法为主到现在的包括小波、现代谱等现代 信号分析方法的各种各样的分析方法【”。目前声发射技术作为一种成熟的动态无 损检测方法己被广泛地应用在石油化工工业、电力工业、材料试验、民用工程、 航天和航空工业、金属加工、交通运输业等领域 2 1 。岩体声发射技术也被应用于 采矿工程、石油工程、土木工程、地质工程及岩石性质基础研究工作中 3 1 。 1 1 声发射仪器的进展1 4 巧】 目前世界上生产的声发射仪主要存在两种模式f 6 】，一种是模拟式声发射仪， 另一种是数字式声发射仪。两种模式的声发射仪区别在于实现最终声发射参数上 的不同。模拟式声发射仪是通过门槛比较器、计数器等模拟电路提取声发射信号 的特征参数，然后通过后续电路的a d 转换变为数字参量，再送入计算机进行处 理和输出；而数字式声发射仪的声发射参数的实现是对前端来的声发射信号直接 经a f d 转换器转换成数字信号，即声发射传感器的模拟信号在到达各种处理器之 前首先被数字化。然后利用高速d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 芯片或硬件数字 电路及软件技术从数据流中提取特征参数。由于数字式声发射仪的全部信号处理 是对离散信号完成的，系统具有很高的信噪比和很宽的动态范围。而且数字声发 射仪般都配有各种支持软件，尤其是模式识别方面的软件，它比过去任何声发 射仪都能给出更多有用的信息，但价格较模拟式声发射仪昂贵。 自1 9 6 5 年美国的d u n e g a n 公司首次推出声发射商业仪器以来，声发射的硬件 技术已经历三十多年的更新发展。从具有代表性的技术更新来看，这三十多年主 要分为三个阶段。第一阶段1 9 6 5 年1 9 8 3 年，这一阶段主要是参数式声发射仪器 的发展。这其中包括声发射传感器、前置放大器、模拟滤波技术以及特征提取硬 件技术的完善与发展。这个阶段声发射仪的研制主要基于模拟电子技术。特别是 滤波和信号特征提取，完全依靠模拟电予技术，而且由于受硬件技术本身存在的 缺陷，声发射仪器的可靠性并不令人满意，这也使得应用技术的发展比较缓慢。 1 9 8 3 年1 9 9 4 年是声发射仪器发展的第二阶段，以美国物理声学公司( p a c ) 昆l w 理t 人学坝l 一学位论文第一章，j l 高 1 9 8 3 年丌发的国际上第一套参数型数字式声发射系统s p a r t a n a t 为代表。浚 系统采用模拟和数字结合的模式，第一次引进了徽处理机技术，并丌发了一系列 多功能高级检测和数据分析软件，通过微处理机控制，可以对被检测构件进行实 时声发射源定位监测和数据分析。由于第二代声发射仪器体积小、重量轻且易于 携带，大大推动了声发射技术在现场检测的广泛应用；另一方面，出于采用了更 高级的微处理机和多功能检测分析软件，仪器采集和处理声发射信号的速度大幅 度提高，信息存储量增加，提高了声发射源的定位功能和缺陷检出准确率。 1 9 9 4 年至今，数字式波形声发射仪器的问世可以说是声发射仪器发展的第三 个阶段。9 0 年代，美国p a c 公司、d w c 公司、德国v a l l e ns y s t e m 公司和中国广 卅i 声华科技有限公司先后开发了计算机化程度更高、体积和重量更小的第三代数 字化多通道声发射检测分析系统，这种全数字声发射仪的主要特点是，出a e 传 感器接受到的声发射信号经过放大器放大后，直接经高速a d 转换器转换为数字 信号后，再提取各种相应的特征量。其优点是系统设计模块化、积木式并行结构， 其基本单元是数字信号处理卡( d s p ) ，每块卡上有自己的中央处理器着i i a d 转 换器。其另一重要功能是能记录瞬态波形以及波形分析和处理。这类数字仪器有 很高的信嗓比、良好的抗干扰性、宽的动态范围、可靠性高，不易受到温度等环 境因素的影响。数字式波形声发射仪的典型代表仪器有v a l l e n 公司的a m s y 4 ， p a c 公司的m i s t r a s 2 0 0 1 和d w c 公司的f d w 声发射探伤仪等。 1 2 声发射信号的处理和分析方；去【1 5 】 目前采集和处理声发射信号的方法可分为两大类。一类是基于参数的分析方 法，即以多个简化的波形特征参数来表示声发射信号的特征。然后对这些波形特 征参数进行分析和处理。另一类为基于波形的分析方法，即对声发射信号的原始 波形进行频谱分析。 1 2 1 声发射信号的参数分析方法 记录声发射波形信号特征参数是近几十年来声发射仪器所一直采用的方法， 与记录的声发射波形信号相比，声发射波形特征参数已经损失了大量的信息，但 由于这一方法相对比较简单，对仪器硬件的要求较低，易于实现实时监测，因而 受到人们的青睐并得到广泛应用。对声发射信号待征参数进行分析的常用经典方 法包括参数随时间的变化分析、参数的分布分析和参数的关联分析，这些经典分 析方法可以确定声发射源的强度和活动程度。 基于参数的分析方法由于数据量小，其最大的优点是速度快实时性好。主要 不足是不如波形数据直观，信息量小，很多情况不能达到研究应用要求的信号识 昆 刿删丁人学删j j 学他沦文第一辛0 别和信号评估的能力，实验结果的再现性还很差。而且，利用参数分析方法对复 合材料进行检测还面临不少难题，例如1 7 1 ，对声源进行定位误差特别大，这是因 为不同损伤源往往产生不同特性的声波。其波速相差很大。其次，复合材料的声 衰减系数很大，而且又有较强的声各向异性，不同方向的声传播速度不一样。 1 2 2 声发射信号的波形分析方法 波形分析是指通过分柝a e 信号的时域波形或频谱特征来获取信息的一种信 号处理方法i g 。从理论上讲，波形分析应当能给出任何所需的信息，因而也是最 精确的方法，并可导致对a e 的定量认识。波形分析方法包括经典谱分析方法、 现代谱分析方法、小被分析方法、人工神经网络模式识别分析方法等，通过这些 方法，许多过去认为很困难甚至不可能实现的声发射信号识别和评估的任务现在 都可轻松实现。基于波形数据的分析方法的优点在于极强的信号识别和信号评估 能力，主要困难在于分析速度，很多情况不能实时多通道进行。而且，由于声发 射信号的波形受多种因素的影响，波形分析技术还面临很多尚待解决的难题。其 中，最大的难题便是a e 源的多样性、信号本身的突发性和不确定性1 9 。 1 3 岩体声发射的特点 人们在长期的采矿及地下岩土工程实践中发现，岩体在破坏过程中，总是伴 随着声发射现象。这主要是由于在较高的应力水平，特别是在采动的影响下，岩 体发生破坏或原有的地质缺陷被激活产生错动，能量以振动波的形式释放并传播 出去1 1o j 。在岩土工程中，岩体结构破坏以及由此导致的某些地质缺陷活动时产生 的声发射能量等级较大，但接收到的信号频率较低【m 】，这是因为声发射信号的高 频成分在岩体内的衰减是十分迅速的【l l l 。 岩体声发射波形比较简单，波形一般衰减快，往往出现一个波形或几个波形， 频带宽度大都在0 3 0 0 0 h z ，3 0 0 0h z 以上频率的比较少，主频率在数百h z 1 0 0 0 h z 之间。另外，岩体声发射信号的能量比较集中，在有限时域中按照一定 的规律增长和衰减：波形的主频在一定范围内变化，其形状近似于一不给能量补 充的振荡器所产生的衰减振荡波形。3 1 。 1 4 问题的提出 通常声发射信号的测量需要专用的声发射仪。世界上较有影响的声发射仪制 造商有美国的p a c 公司和德国的v a l l e ns y s t e m 公司等，他们最新的仪器( ! t l l v a l l e n a m s y - 5 ) 已经达到了全数字和使用信号处理技术的水平，采样速度也高达1 0 m 秒以上，可同时进行5 7 个通道的采样。但它们都因价格昂贵，不易操作和维修及 售后服务不及时等方面的问题而难以在我国做较大范围的推广使用，从而大大限 昆l 则理t 人学倾i ：学位论义第一章，j f 占 制了声发射技术的应用。而且，在具体的应用场合，有些功能具有较大的冗余。 为此，本文针对岩体声发射信号频率较低的特点提出一种基于声卡的声发射信号 采集与处理系统方案，该方案基于虚拟仪器的观点，利用声卡上的a f d ( 录音) 功能，通过软件控制来实现数据的实时采集。它具有成本低、操作方便、兼容性 好、扩展性强等优点，可以适应任何一台带有声卡的计算机系统，性能可靠。目 前，全波形声发射仪器已经成为发展的新趋势，本系统兼顾了参数方法和波形分 析两方面的要求，它在提取声发射参数的同时也记录了信号的原始波形数据，而 且它还能够测量两点间波的传播速度，通过观察波形可定性了解声发射信号在岩 体中的传播特性( 如波形的畸变、衰减率等) ，这就对声发射源定位具有辅助作 用，如果进一步开发相应的功能模块，它也可以对声传播特性作定量分析。波形 分析技术有助于正确了解声发射产生的机理和声发射源特性，由于保存了声发射 信号的原始采样数据，这就为实施波形分析提供了可能。该系统属于数字式声发 射仪，它在提取声发射参数时不是通过传统的模拟电路，而是直接从采样数据流 中获取，因而可以任意改变事件阈值等计算参数，得出不同的声发射参数结果。 声卡通常都具有两个输入通道，因此该仪器可作为两路信号的信号采集系统，如 果稍加扩展，它还可以采集多路信号。除此之外，该系统还具有实时波形显示、 波形文件显示、定时、越限报警、采样频率和采样分辨率可变等特点。 昆驯删t 人掌侦f 学位论文 第一卓 声发射投术拱础 第二章声发射技术基础 2 1 声发射概述 所谓声发射( a c o u s t i ce m i s s i o n ，简称a e ) ，是指材料或结构在受力变形或破 坏过程中以弹性波的形式释放其应变能的现象。当材料受力变形时，材料中原来 存在的或新产生的裂纹端部应力集中，应变能较高，当外力增加到一定大小时， 这些部位将产生微观屈服和变形，裂纹扩展，从而使得应力松弛，贮藏的一部分 能量以弹性波( 声波) 的形式突然释放出来，产生声发射 1 4 j 。这种以脉冲形式释放 的能量其大小与缺陷( 或潜在缺陷) 的微观结构特点以及外加应力的大小有关【l ”。 这种被释放的应变能，一部分是以应力波的形式发射出去，由于最先注意到 应力波发射现象的是人耳听觉领域内的声波，所以就称它为声发射。其实，应力 波发射要比声频广得多。一般来说，声发射快速卸载的时间决定了声发射信号的 频谱。卸载时间越短，能量释放越快，声发射信号的频率越高【5 l 。从宏观上看， 声发射来源于材料产生大面积裂缝和破坏、或结构单元之问发生较大幅度的相对 运动：从微观上看，声发射起因于晶体位错，产生孪晶，颗粒问及颗粒内裂纹的 形成和发展，或微裂纹和微孔隙的闭合等f 3 l 。 声发射是一种常见的物理现象，除极少数材料外，金属和非金属材料在变形 和断裂时都有声发射发生，如果释放的应变能足够大，就产生可以听得见的声音， 但许多材料的声发射信号强度很弱，人耳不能直接听见，需要借助灵敏的电子仪 器才能检测出来。由于声发射是材料变形、裂纹开裂及扩展过程的伴生现象，它 与材料的力学行为有着密切的相关性，因而声发射信号中包含了大量的关于材料 受力及破坏过程的有用信息【l “。用仪器探测、记录、分析声发射信号和利用声发 射信号推断声发射源的技术称为声发射技术【2 l 。 声发射波的频率范围很宽，从次声频、声频直到超声频，它的幅度动态范围 亦很广，从微弱的位错运动直到强烈的地震波6 j 。在实际应用中低频信号易受环 境噪音的干扰，高频信号在传播过程中又衰减强烈。通常在几十k h z 到几m h z 的超声范围内对声发射信号进行采集、处理和分析f 1 7 j 。 现代声发射技术的开始是以凯塞( j k a i s e r ) 2 0 世纪5 0 年代初在德国所作 的研究工作为标志。他观察至铜、锌、锅、铅、锡、黄铜、铸铁和钢等金属和合 金在形变过程中都有声发射现象，并提出了著名的声发射不可逆效应，即“凯塞” 效应。凯塞还同时提出了连续型和突发型声发射信号的概念。此后，美国的研究 昆叫理工火学坝i 。学位论义 第二章声发射技术埔础 人员发现了塑性变形中的位错声发射机制。5 0 年代术到6 0 年代间，美国和同本 的许多学者在试验室中做了大量工作，研究各种材料声发射源的物理机制，并初 步应用于工程材料无损检测领域。d u n e g a n 首次将声发射技术应用于压力容器的 检测。1 9 6 4 年，美困通用动力公司把声发射技术用于北极星导弹壳体的水压试 验，这是声发射技术用于评价大型构件结构完整性的第一个例子，它标志着声发 射技术开始从实验室进入生产现场应用的新阶段。 在5 0 年代初期，电子技术尚未高度发展，加之对材料的声发射特性还缺乏基 本了解，声发射实验是在声频范围进行。这一频率与大多数情况下各种机械噪声 的频率范围重合，实验只能在声隔离区进行。当时噪声干扰是声发射技术的严重 困难。7 0 年代初，d u n e g a n 等人开展了现代声发射仪器的研制，他们把仪器测试 频率提高n l o o k h z m m h z 的范围内，这是声发射试验技术的重大进展。现代声发 射仪器的研制成功为声发射技术从试验室的材料研究阶段走向在生产现场监视 大型构件的结构完整性应用创造了条件。随着现代声发射仪器的出现，7 0 年代和 8 0 年代初人们从声发射源机制、波的传播和声发射信号分析方面开展了广泛和深 入的系统研究，并在生产现场也得到了广泛的应用，尤其在化工容器、核容器和 焊接过程的控制方面取得了成功。8 0 年代末和9 0 年代初。由于计算机技术和数字 信号处理技术的迅速发展，声发射技术开始进入一个新的稳步发展的阶段，声发 射技术已开始进入比较广泛的应用阶段，成为一种新兴动态无损检测方法。 我国于7 0 年代开始研究和应用声发射，其特点是着眼于应用【ls 】。至今，声 发射技术除常用于金属、复合材料检测外，还适用于陶瓷、岩石、混凝土、木材、 骨骼等固体材料及其结构体，其应用范围包括：材料表征；构件结构完整性 评价：运行及工艺过程监视：地质学应用；医学应用，并已扩展到航空航 天、石油化学、原子能、电力、机械、建筑、矿业、地质等各行各业【1 9 1 。 2 。2 岩体声发射技术的应用范围 岩体声发射技术是国内外在预报岩体稳定性领域中公认比较有效的手段，这 是因为在岩体失稳事件发生之前，岩体内部会发生应力转移，引起岩体结构微观 变化，直至出现宏观裂隙、位移等，相应地伴随有声发射现象。声发射信号的强 弱多寡与岩体特征及受力状态有关，岩体结构受力破坏的不同阶段声发射信号参 数也不样，结构破坏之前，声发射信号会有一个明显变化的阶段【2 0 j 。岩体的声 发射是因为岩体产生了变形或破坏，因此，对岩体的声发射状态进行监测分析呵 以评估岩体的稳定程度，预测岩体冒落及各种危及破坏。岩体声发射技术的具体 应用可分为以下几个方面l j j ： 昆州理下大学颂l 学位论文 第一南 声发射技术摧础 采矿工程。预报地表和地下岩体即将发生的破坏；圈定坑道或回采区的高 应力区；预报地下瓦斯突出；确定露天采矿场边坡的稳定性；从地表确定地下硐 室的潜在不稳定部位；确定岩石中声发射源的位置；评价防止岩石塌落和瓦斯突 出措施的有效性。 石油工程。确定地下气储的稳定性；监控贮存原油、天然气、压缩气体和 其它流体的地下硐室的稳定性；研究产生热能的地热体水力压裂的效果：测绘采 用增产措施时油气藏岩石中产生的裂隙。 土木工程。监控除采矿以外的各类受力岩体的稳定性；预报多种土体( 如 水坎、堤岸、大型建筑物基础) 的破坏；研究岩石和土层的渗漏和灌浆液流；原 地测定岩石应力随时间的变化：监控高速公路钢质桥梁和海上平台的形变；预报 混凝土桥梁、水坝和建筑物本身的安全性；评价大型结构的永久性和临时性锚桩、 钢绳和其它构件的稳定性。 地质工程。预报岩石滑坡及土坝和混凝土坝基础的稳定性；预报地震及研 究地震成因。 岩石性质基础研究工作。研究拉伸、压缩和弯曲载荷下岩石变形和破坏的 基本特性；建立声发射信号和岩石性质之间的相关关系；确定单向应力和三向应 力状态下岩石样品中非稳定裂隙的起始点；确定岩盐及其它塑性岩石的屈服限； 研究声发射机理、声信号与岩石破碎过程的联系。 2 3 声发射信号的表征参数 目前所采用的声发射表征参数都是通过对仪器输出波形的处理而得到的。连 续信号参数包括：振铃计数、平均信号电平和有效值电压，而突发信号参数包括： 波击( 事件) 计数、振铃计数、幅度、能量计数、上升时间、持续时间和时差i i 纠。 下面对常用的一些参数进行简要介绍( 图2 1 ) 。 图2 ，1 声发射信号的表征参数 2 3 1 事件计数与事件记数率 7 昆叫里丁人学坝| 。学位论文 第一章 声发射技术术础 一个声发射脉冲激发传感器，使之振荡并产生阻尼振荡波形，每一个这样的 波形称为声发射事件( e v e n t ) ，在测试中所得的事件总数称为事件计数，单位时 f 刚内的事件数称为事件计数率。事件计数的处理方法着重于考察事件的频度而较 少涉及信号的幅度，也不能反映每一事件的能量引1 ，常用于源的活动性和定位集 中度评价【1 9 】。 2 3 2 振铃计数与振铃计数率 在所检测到的声发射事件中。超过阈值电压( 门槛值) 的脉冲状信号称为振 铃( r i n g d o w n ) 。在试验过程中所测取的总振铃数称为累计振铃计数或简称振铃 计数。通常所说的声发射计数即是振铃计数，单位时间内的振铃计数称为振铃计 数率或声发射计数率，简称声发射率。振铃计数处理方法在一定程度反映了声发 射的幅度，涉及到声发射的能量【2 ”，因而广泛用于声发射活动性评价，但很受阈 值的影响。 2 3 3 声发射总能量与能量率 总能量是指在试验过程中所测得的声发射累计能量值，而能量率是指单位时 间内的声发射能量。可以用事件的包络、持续时间的长短或事件包络的面积等作 为能量参数。声发射信号的能量是与信号的幅度及幅度分布有关的参数，可取代 振铃计数，也可用以波源的类型鉴别【饽1 。 2 3 4 声发射幅度 一个完整的a e 振荡波形中的最大振幅值称为声发射幅度，通常用分贝( d b ) 表示。幅度反映了a e 事件释放能量的太小，常用于波源的类型鉴别、强度及衰 减的测量【1 叭。 2 3 5 事件持续时间 一个a e 事件所经历的时间叫做事件持续时间。通常用振荡曲线与门槛值的 第一个交点到最后一个交点所经历的时间来表示。事件持续时间反映了声发射事 件规模的大小，常用于特殊波源类型和噪声的鉴别。 2 3 6 上升时间 振荡曲线与门槛值的第一个交点到最大幅值所经历的时间称为a e 信号的上 升时间。声发射信号的上升时问一般在几十到几百毫微秒范围内。上升时问反映 了a e 事件的突发程度，有时用于机电噪声的鉴别1 9 l 。 2 4 声发射信号的检测 声发射检测的基本原理就是由外部条件( 如力、温度等) 的作用而使物体发 声，根据物体的发声推断物体的状态或内部结构的变似2 0 1 。其过程可归纳为：从 昆l 川删t 人学坝 j 学位论立 笫一章 声发日t 技术毓础 声发射源发出的弹性波，经介质传播后到达被检体表面，引起表面的机械振动。 声发射传感器将表面的瞬态位移转换成电信号。声发射信号再经放大、处理后， 其波形或特征参数被记录与显示。最后。经数据的分析与解释，评价声发射源的 特性。声发射检测的主要目标是：确定声发射源的部位；鉴别声发射源的类 型；确定声发射源发生的时问或载荷；评定声发射源的严重性【旧l 。 由于声发射信号属于瞬态随机信号，它的频谱很宽，前沿很陡，一般情况下， 信号前沿时阃只有几十到几百毫微秒，而且重复频率高，幅度变化范围很大，这 就要求声发射仪器具有高响应速度、高灵敏度和宽动态范围等特性，并且具有抗 干扰能力和排除噪声的能力i 墉1 。 在进行声发射检测时，所检测到的信号是经过多次反射和波形变换的复杂信 号。从声发射源发出的声发射波以球面波向四周传播，经过传感器与材料之间的 耦合剂到达传感器，激发传感器后被转变为电信号，再由电子线路对电信号进行 处理，然后通过测量得到声发射信号参数，最后在显示仪器上显示出来。声发射 信号检测过程如图2 2 所示。 耦台剂 囝 传感器 图2 2 声发射检测过程 声发射检测需要通过传感器把声发射信号转换成电信号。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，其范围可从次声波到超声 波，考虑到低频机械噪声的干扰及高频的传播的衰减，通常声发射传感器的使用 频率在2 0 k h z 2 m h z 之间，而压力容器声发射检测通常使用频率在1 0 0 k h z 3 0 0 k h z 之间1 2 ”。声发射传感器种类很多，按频率响应来分，主要有谐振式传感 器( 窄带传感器) 和宽带传感器。谐振式传感器具有高灵敏度，但频率响应范围 相对较窄；宽带传感器响应灵敏度低，但响应灵敏度均匀平坦，频带较宽。 声发射传感器具有较高的容抗和阻抗，输出的声发射信号很弱，有时低达十 几微伏，这样微弱的信号如果经过长电缆输送可能使信噪比变得很低。为了远距 离传送给主机处理，必须在传感器附近设置前置放大器。其主要作用为：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；通过放大微 弱的输入信号，以改善与电缆噪声有关的信噪比；通过差动放大，降低由传感 昆i l j j 删t 人学坝i 学位论文 第一章 声发射技术幕础 器及其电缆引进的共膜电噪声；提供频率滤波器。 一般说来，声发射信号具有很宽的的频率分量。声发射信号信号穿过材料和 构件时，高频成分衰减比较严重，其幅度随着传播距离增大而下降，而低频成分 又与机械噪声重叠在一起，不易分离。因此，通常的声发射检测都选择在某一频 率范围内进行，这一频率范围称为声发射检测的“频率窗口”。在系统的适当位 置插入滤波器，就是为了设置频率窗口，抑制机械噪声。滤波器的工作频率是根 据环境噪声及材料本身声发射信号的频率特性来确定。 由于前置放大器输出的信号较小，而且电缆传输会造成一定的衰减，因此需 要主放大器进一步放大经过滤波的信号，并把信号通过电缆送到数据采集电路。 0 昆i 理t 人学顺l 。学位论立第三章低频仝波形声发射虚拟仪器的构矬 第三章低频全波形声发射虚拟仪器的构建 3 。1 虚拟仪器的概念 虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t ，v i ) 的概念是由美国n i 公司于1 9 8 6 年提出 来的。它是指在通用计算机平台上加上一组软件和硬件或接通其他仪器，用户根 据自己的需要定义和设计仪器的测试功能，以实现对被测对象的数据采集、信号 分析、数据处理、数据存贮、可视化等功能，完成测试、测量、控制等任务【z 4 j 。 在计算机上加入一组特定的软件，并配置一些硬件，使计算机能完成许多仪器的 功能，从而变成一种综合了许多仪器功能的虚拟仪器。操作人员通过友好的图形 界面控制仪器的运行，完成对被测试量的采集、分析、判断、显示、存储及数据 生长。使用者在操作这台计算机时，就像在操作一台专门为他设计的传统电子仪 器。 在传统仪器中信号处理一般由硬件实现，如示波器，函数发生嚣等，导致传 统仪器设计复杂、生产成本高、精度低、灵活性差。虽然现在有些仪器内部采用 了计算机微处理器等技术，功能得以提高，但是这些仪器功能封闭，面板不友好， 操作复杂，造价昂贵。计算机的突出优点是数据的分析、显示、存储、打印和文 件管理等，而这正是传统仪器的弱点，因而成为虚拟仪器技术的突破口。 在虚拟仪器系统中，硬件仅仅是为了解决信号的输入输出，软件才是整个仪 器的关键。它的基本思想即是“硬件功能的软件化”，即利用计算机软件实现传 统测试仪器中需要用硬件完成的功能。因而在一定的通用硬件模块和软件环境的 支持下。用户可以根据实际情况构设自己的测试方案，以完成不同的测试任务。 它在许多方面都有传统测试仪器无法比拟的优点。其最大区别是，它是由用户定 义的，是灵活多变的，它不仅把传统仪器的现有功能搬到了计算机显示屏上，而 且还利用计算机的计算技术和数字信号处理技术，增加了传统仪器所没有的计算 功能和分析等功能。也就是说，在虚拟仪器中，仪器功能可以由用户自己设计、 自己定义，以适应不同的要求，用户不再是被动操作和使用，而是参与了仪器的 设计，发挥了人的主观能动性。 3 2 虚拟仪器的硬件构成 虚拟仪器的基本构成包括计算机、虚拟仪器软件、硬件接口模块等。计算机 是共用平台，硬件接口模块用于信号的输入、输出，软件决定仪器的功能和构成 用户接口。计算机在系统中完成指挥数据采集、数据处理和测试过程自动控制等 昆l 附理t 人学顿卜学位论文 第三帝低频牵= 波形声发射虚拟仪 的构建 项任务f 2 4 1 。其硬件构成一般有四种方案，如图3 i 所示： 图3 1虚拟仪器系统的构成幽 其中，硬件接口模块可以包括插入式数据采集卡( d a q ) 、串并口、i e e e 4 8 8 接t n ( g p m ) 卡、v x i 控制器以及其它接口卡。串口r s 2 3 2 只能作单台仪器与计 算机的连接，而且计算机控制性能差。g p i b 是仪器系统互连总线规范，速度可 达1 m b y t e ，在一个总线上可挂接1 4 台仪器。v x i 总线具有标准开放、结构紧凑、 数据吞吐能力强，最高可达4 0m b s ，定时和同步精确、模块可重复利用、众多 仪器厂家支持的特点，应用同益广泛。 在虚拟仪器中，高性能数据采集卡在硬件方面占有重要的地位。插入式数据 采集卡( d a q ) 是最常用的接口形式之一。目前插入式数据采集卡已具有兆赫级的 采样速度，精度高达2 4 位，具有可靠性高、功能灵活、性能价格比高等特点， 它的功能是将现场数据采集到计算机，或将计算机数据输出给受控对象。典型的 数据采集控制系统如图3 2 所示【2 6 1 ： 暨团一禽一圈 图3 2 典型数据采集控制系统框图 用数据采集卡配以计算机平台和虚拟仪器软件，便可构造各种测量和控制仪 器，诸如存储数字万用表、信号发生器、示波器、动态信号分析仪，甚至电路和 器件测试仪、逻辑分析仪、振动分析仪、表面粗糙度仪等。 3 3 虚拟仪器的特点【2 7 2 8 良好的人机界面。在虚拟仪器中，测量结果是通过软件在计算机屏幕上生 成的，与传统仪器面板相似的图形界面软面板来实现的。因此，用户可以根据自 己的爱好，利用p c 计算机强大的图形环境和在线帮助功能通过编制软件来定 义他所喜爱的面板形式。 用户定义测量功能。山于仪器的功能可出用户定义，故它不再完全由硬件 昆i 粥理工人学硕j 学位论文笫三章低频余浊形声发射虚拟仪器的构吐 柬确定，当需要时可加入新的测量功能而不用购买一台新的仪器。 更好的测量精度和可重复性。嵌入式数据处理器可以建立一些特定功能的 数据模型，如f f t 和数字滤波器，这就不再需要随时问可能发生漂移并需要定 期标定的分立式模拟硬件了。 测量速度快。测量输入信号的几个性能参数( 如电压、频率、上升时问) 只 需要一个量化的数据块，要测量的信号参数就能被数据处理器计算出来。这种将 多种测试结合在一起的办法缩短了测试时间。而在传统的机架层迭式系统中，必 须把信号连接到每一台仪器上以便测量各个参数，这样测量值就受电缆长度、阻 抗、仪器校准和修正因子的差异的影响。 性价比高。基于通用个人计算机的虚拟仪器和仪器集成系统可实现多种仪 器共享计算机资源，从而大大增强仪器功能和降低了仪器的成本。 系统组建时间短、未来扩展功能强。所有通用模块支持相同的公用硬件平 台。各软件驱动程序或仪器处理程序不必单独产生。当测试系统需要增加新的测 量功隧或提高其性能时，用户只需要增加软件来执行新的功能或增加( 更换) 一个 通用模块即可，而不用购买一个全新的系统，这就大大地缩短了仪器在改变测量 对象时的更新周期亦削减了费用。 实时的数据处理与显示虚拟仪器利用处理器总线在数据采集、存储及 处理之间以二进制形式高速传输数据，并采用硬件中断方式响应用户对仪器的操 作，因此能对数据进行实时的处理与显示。 虚拟仪器具有和其它设备互联的能力，如和v x i 或现场总线等的接口能 力，还可以将虚拟仪器接入网络，如i n t r a n e t 等，以实现对现场生产的监控 和管理。 3 4 低频声发射虚拟仪器的构建 通常声发射信号的测量需要专用的声发射仪，其价格较贵，需要数万到数十 万元，这大大限制了声发射研究的普及性。但我们不难发现，这些声发射仪器无 非是由数据采集、分析处理、人机交互和显示等几部分功能模块组成。因此，我 们可以在必要的数据采集硬件和通用计算机支持下，通过软件设计实现声发射仪 器的全部数据处