多通道声发射高速数据采集系统的研制

    声发射检测技术作为一项无损检测新技术,其主要特点在于能够检测到那些在受载过程中的活动缺陷。与常规无损检测方法相比,其检测速度快,检出的缺陷准确。但声发射信号的强度一般都比较弱,需要借助敏感的传感器和电子仪器才能检测出来;另外在实际应用中,由于外界干扰使得接收到的声发射信号除包含有效的特征信号外,还存在大量干扰和噪声信号,需要提取有用的声发射信号[1]。

    目前比较常见的是基于PCI总线的声发射数据采集系统,其最大特点是通道数多、采样率高和传输速率快。然而这种基于PCI总线的设计也具有一定的局限性,即安装麻烦、体积较大、价格昂贵且操作复杂;受计算机插槽数量、地址和中断资源限制,可扩展性差且不易维修;在一些电磁干扰性强的测试现场,无法专门对其作电磁屏蔽,导致采集的数据失真[2,3]。

    通用串行总线USB是用来连接外围设备与计算机之间的新式标准接口总线,它是一种快速、双向、同步传输、廉价并可实现热拔插的串行接口。该总线接口具有安装方便、带宽高和易于扩展等优点,已逐渐成为现代数据传输的发展趋势。在综合比较了几种数据传输方式的优缺点[4-6]后,笔者选用USB2.0总线和CPLD芯片,设计并实现了一种声发射高速数据采集系统。

1　系统描述

    传统的模拟声发射采集系统通过模拟电路和后续的计数器实现最终的声发射参数采集,但为了更加准确地对检测对象进行定性、定量和定位分析,需要获取到大量的声发射原始波形数据,对采集到的数据同时进行时域和频域分析。同时,声发射特征参数提取也将是由软件控制,以进一步提高系统灵活性,而不仅仅是通过模拟电路来实现。且由于声发射信号频率范围很宽,高频可达1~2 MHz,根据材料特性的不同,其声发射频率亦有所变化[7,8]。

    因此,必须研制能大吞吐量获取声发射全波形数据的多通道声发射数据采集系统,且要求多通道同步采集,以利用信号到达各通道的时间差进行源定位分析。笔者设计的数据采集系统内含四路并行声发射信号采集通道,由软件设置阈值,各通道同步触发采集,通过电缆将传感器检测到的声发射信号输入到下位数据采集模块,再由该模块实现声发射信号的增益放大、反混叠滤波及A/D转换,并根据传输协议通过USB接口上传给上位机,由上位机对波形数据进行特征提取与信号处理。同时上位机将数据采集模块的设置参数通过USB接口传输给CPLD芯片,对数据采集模块进行控制。

    系统设计的各通道的最大同时采样频率为10 MHz,采样精度为12位,且信号增益参数和采样频率范围均为软件可调,以满足不同的应用场合。另外,系统采用连续采样,软件触发传输,由上位机设置触发条件,以剔出零值附近的电噪声干扰,提高数据传输的实时性。上位机对接收到的有效声发射波形数据进行存储、显示和进一步处理。这种设计可兼顾声发射数据采集系统的可操作性和高采样率、高传输速率的要求,适合现场的工程应用。