無損檢測中聲發(fā)射儀技術指標的研究

在市場上的聲發(fā)射儀器有多種，每個廠家都給出了很多技術指標、參數(shù)。由于這些參數(shù)比較專業(yè)，給參與決策選擇的技術人員造成了一定的困難，常常有無從下手之感。筆者多年從事聲發(fā)射檢測和儀器開發(fā)研究，將自己對各個指標、參數(shù)(不考慮價格因素)的理解整理成文，希望拋磚引玉，不當之處請不吝賜教。

2 聲發(fā)射儀的種類

2.1聲發(fā)射儀的分類方法有多種，按照采集信號通道數(shù)的多少可以分為單通道和多通道。

單通道聲發(fā)射儀只有1個通道，主要用于對單點或者小區(qū)域的檢測、監(jiān)測等，一般無法完成對信號源位置的定位。2通道或更多通道的聲發(fā)射儀稱為多通道聲發(fā)射儀。前者可以完成對較大區(qū)域的檢測、監(jiān)測，可完成在線狀區(qū)域內聲發(fā)射信號源的定位;3通道聲發(fā)射儀器除可完成上述功能外，還可以完成三角區(qū)域和線狀區(qū)域內聲發(fā)射信號源的定位;超過3個則可以完成更大區(qū)域內信號源的檢測、監(jiān)測及對上述區(qū)域內的聲發(fā)射信號源的多種算法的定位。儀器制造廠一般都配有依據(jù)上述定位算法的分析、顯示軟件，對球形、柱形等特定外形的設備，有的制造廠開發(fā)了更為直觀的定位分析軟件。

選擇購買單通道還是多通道，或具體多少個通道，需要根據(jù)特定的需求進行選擇?？紤]的因素有：待測設備的材質(影響頻率、聲速和衰減)、待測設備的最大幾何尺寸、幾何形狀、需要的定位類型等。幾何尺寸大、材質衰減大、形狀特殊的檢測應用需要的通道數(shù)就多，反之就少。一般在鋼材中，聲發(fā)射信號可以接收的傳播距離在5m內為宜，超過此長度應考慮增加通道數(shù)。而狹長的設備，例如長管拖車則需要考慮定位類型，一般采用線定位時就可以減少所需要的通道數(shù)。

另外，在采購時可考慮比需要的通道數(shù)多1～2個通道，作為備用通道用。

2.2按照聲發(fā)射信號所采用的技術，可分為以模擬電路為主的模擬式聲發(fā)射儀和以數(shù)字電路為主的數(shù)字電路式聲發(fā)射儀。

模擬式聲發(fā)射儀投用歷史較長，技術相對成熟、儀器相對穩(wěn)定和可靠、操作軟件簡單、便于學習等優(yōu)點。但這類儀器存在著溫度漂移大、易受干擾、功耗大、重量大、體積大等缺點。數(shù)字儀器一般采用CPLD、FPGA、DSP等技術，由于模擬電路較少所以其整體體積較小、重量輕、功耗低、溫漂影響小。但是，由于在數(shù)字聲發(fā)射儀的處理軟件上疊加了許多功能，功能強大;但學習相對困難，對于工程檢測反而麻煩了不少。另外，這類設備投用歷史相對較短，對其可靠性、穩(wěn)定性等要多加注意，由于采用了許多新技術，處理不好反而易出問題。

需要說明的是，沒有真正意義上的全數(shù)字聲發(fā)射儀。因為自然界的信號都是連續(xù)的(宏觀而言)，所以，即使最為理想的情況是將傳感器來的信號直接予以模擬-數(shù)字轉換(ADC)，也需要要模擬電路(ADC本身就應歸為模擬電路);而一般在傳感器之后還要加前置放大器、信號調理電路等，所以根本不可能是全數(shù)字化儀器。而一般意義上的全數(shù)字聲發(fā)射儀指其除了ADC和信號調理電路外，不再有其它影響參數(shù)和波形的模擬電路而已!

2.3按照信號的處理方式，可以將聲發(fā)射儀分為參數(shù)式聲發(fā)射儀、直接波形式聲發(fā)射儀和參數(shù)-波形式聲發(fā)射儀。

2.3.1參數(shù)式聲發(fā)射儀是目前使用范圍最廣、應用時間最長的聲發(fā)射儀，其分析方法也被大多數(shù)業(yè)內人士認可，分析方法比較成熟，操作簡單，大多數(shù)多通道聲發(fā)射儀都是這類儀器。參數(shù)聲發(fā)射儀是指在信號處理通道的電路中，借助模擬或者數(shù)字電路將聲發(fā)射信號直接處理成一定意義的參數(shù)數(shù)據(jù)，然后再送到計算機進行顯示、分析、處理和保存的儀器。這種儀器一般需要設置門檻(閾值)、HDT(撞擊定義時間)，有的需要設置增益、PDT、HLT等。由于參數(shù)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量少，所以對聲發(fā)射信號的實時響應能力強、數(shù)據(jù)流量小、對計算機的顯示、分析、數(shù)據(jù)存儲等能力的要求低，一般計算機均可滿足要求，無論PCI總線、ISA總線等均可，同時，參數(shù)式儀器丟失信號的幾率相對低。由于電路直接生成參數(shù)數(shù)據(jù)，無法傳遞波形，所以喪失了更多的有效信息。但就一般檢測工程而言，參數(shù)采集可以滿足大多數(shù)應用，而如果進行聲發(fā)射信號分析和應用研究則參數(shù)式儀器有一定的局限性。

2.3.2直接波形式聲發(fā)射儀器是指將聲發(fā)射信號進行A/D轉換，然后將此波形數(shù)據(jù)直接傳遞到計算機，由計算機再進行參數(shù)提取、顯示、分析、數(shù)據(jù)存儲等工作。在滿足實時性的前提下無疑這是最為理想的儀器，因為這樣一般的采集卡即可滿足需要，價格將非常低廉。但是，在目前電子設計技術和計算機技術下，少數(shù)通道的直接波形采集和分析是可以滿足實時性要求的;但是當通道數(shù)多、ADC的轉換頻率高、分析功能復雜時，實時性難以得到保證，勢必存在丟失部分信號的可能，所以在選擇時需要引起重視。為了達到高的數(shù)據(jù)傳輸速度、快的分析和計算時間，一般直接波形式聲發(fā)射儀需要很高的計算機配置。

以目前大多數(shù)計算機支持的32位、33MPS的PCI總線為例，其數(shù)據(jù)傳遞的最大理論速度為132MB/S(字節(jié)/秒)，實際受計算機系統(tǒng)設計水平、計算機操作系統(tǒng)采用非實時性操作系統(tǒng)、采集軟件驅動設計水平、系統(tǒng)其它軟件引入的延時等的影響，一般達到100MB/S已經是實際可看到幾乎最高的采集速度了。而計算機系統(tǒng)除了進行數(shù)據(jù)采集外還進行參數(shù)數(shù)據(jù)提取、數(shù)據(jù)分析、存儲、參數(shù)顯示、波形顯示等操作，再考慮系統(tǒng)多個采集卡之間切換的相互影響，整個系統(tǒng)的總體速度一般在60MB/S已經相當不錯了。我們假定每個信號通道的采集速度為5MS/S(也記為MSPS--Mega-Sapmles Per Seconds，百萬次采樣每秒)，考慮ADC的位數(shù)為12位以上，則每個通道的數(shù)據(jù)流速度為10MB/S(假定不做實時壓縮處理)。顯然，整個系統(tǒng)只能保證5MS/S的采集速度下6個信號通道的實時采集。上述估計已經假定在單位時間內聲發(fā)射撞擊的數(shù)量不多，不至于使得計算機寫硬盤的時間過長而影響采集的速度。因此，對于通道數(shù)多、實時性要求很高、不需要波形數(shù)據(jù)的場合，似不宜選擇直接波形式的聲發(fā)射儀。

2.3.3參數(shù)-波形式聲發(fā)射儀綜合了參數(shù)式和直接波形式聲發(fā)射儀各自的特點，在保證參數(shù)數(shù)據(jù)實時性的同時，在系統(tǒng)允許的情況下傳遞一定數(shù)量的波形。這種儀器首先在每個信號通道的處理電路中，一般通過設置門檻，直接生成部分或者全部參數(shù)數(shù)據(jù)，同時，保留部分或者全部波形數(shù)據(jù)，一般是過門檻后一定長度的波形數(shù)據(jù)。由于其照顧了參數(shù)數(shù)據(jù)的實時性要求且波形只取一定長度，所以，筆者這是在實時性和全波形之間的較好的折衷，一般認為，只要設計得當，此類儀器可滿足大多數(shù)的應用需求。其缺點是由于兼顧波形和參數(shù)數(shù)據(jù)，電路稍微復雜些，成本也會增加一些;由于照顧了參數(shù)數(shù)據(jù)，波形數(shù)據(jù)在單位時間內聲發(fā)射撞擊數(shù)多時，仍然存在丟失部分的波形數(shù)據(jù)的問題;由于保存部分過門檻波形，可能會喪失部分有意義的細節(jié)。這類聲發(fā)射儀對計算機的要求比較靈活，如果對波形數(shù)據(jù)的要求不十分苛刻則可以降低對計算機系統(tǒng)的配置要求。

3 聲發(fā)射儀的主要部件

聲發(fā)射儀一般包括以下部件，但由于結構的差異，可能會有不同的表現(xiàn)形式。

3.1 傳感器類型

聲發(fā)射傳感器一般是壓電陶瓷材料制造成的，選擇時主要考慮其諧振頻率、靈敏度、溫度范圍、結構形式、信號接口等因素。傳感器的諧振頻率應滿足待測設備、材質、耦合介質等的需求。

3.2 前置放大器

主要考慮增益、頻率、供電方式和信號接口遞范圍。增益的選擇要考慮傳感器和后續(xù)信號處理通道的匹配問題，而接口方式則需要考慮傳感器的接口、供電和信號輸出接口等因素。前置放大器頻率范圍應覆蓋所趕興趣信號的頻率范圍。供電一般選擇與信號復用的方式。

3.3 信號處理板

一般由1個或者多個信號處理板構成整個系統(tǒng)，信號處理板主要完成對來自前置放大器的聲發(fā)射信號的處理，得到滿足要求的參數(shù)數(shù)據(jù)和/或波形數(shù)據(jù)。一個信號處理板可以包含一個或者多個信號處理通道。

3.4 計算機系統(tǒng)

其功能是將各個信號處理卡得到的波形和/或數(shù)據(jù)讀到計算機系統(tǒng)進行保存、處理和顯示等操作。不同類型的聲發(fā)射儀對計算機系統(tǒng)的要求不一樣，如前所述，參數(shù)式聲發(fā)射儀對計算機系統(tǒng)的要求較低，參數(shù)-波形式次之，直接波形式對計算機系統(tǒng)的要求最高。計算機系統(tǒng)應該有適當?shù)纳壓蛿U充能力。

3.5 采集分析軟件

采集、分析軟件可以分成獨立的幾個軟件，也可以是多個軟件功能集合到一起，但都應該可以實現(xiàn)實時采集、分析、保存等的功能。如前所述，采集分析軟件至少應可滿足實時定位、實時關聯(lián)分析和結果顯示，并可實時將結果予以保存。如果有波形的系統(tǒng)應可實時觀察部分或者全部的波形。 軟件最好有全中文界面，便于學習和操作。

4 聲發(fā)射儀的重要技術指標

4.1信噪比(SNR)

一般是指信號系統(tǒng)允許無失真接收的最大信號和系統(tǒng)背景噪聲的比值，常用此比值的常用對數(shù)乘以20得到分貝值來表示信噪比。作為儀器，信噪比越大越好;但是，一般信噪比大的儀器制造成本高，有時信號比的增加會急劇增加造價，勢必售價被提高。SNR和系統(tǒng)的最小門檻相關，一般可以選擇無機械信號時系統(tǒng)允許的最小門檻來估算SNR的水平。

4.2 頻率范圍

頻率范圍是指前置放大器和信號處理板的模擬信號帶寬，它取決于濾波器和信號通道的整體特征，而非某個部件的頻率范圍。一般通過濾波器的組合可以覆蓋10KHz～2MHz的范圍就可滿足大多數(shù)應用。對于特定的應用，應該選擇最為接近其頻率范圍的濾波器組合以實現(xiàn)對噪聲的抑制，并不是帶寬越寬越好。一般而言，濾波器帶寬越寬其信噪比越低。

4.3 聲發(fā)射參數(shù)

無論是何種技術和何種處理方法制造的儀器，一般應該包括：上升時間、持續(xù)時間、峰值幅度、計數(shù)值、能量等參數(shù)，最好還可以包括到峰計數(shù)、均方根電壓、信號平均電平參數(shù)。

4.4 軟件功能

應可以實時采集各個通道的數(shù)據(jù)，實時定位分析、濾波處理，以特定的方式顯示數(shù)據(jù)處理的結果、保存處理結果。應可離線處理所保存的數(shù)據(jù)，輸出分析結果。一般國產儀器采用中文界面的緣故比較容易學習，進口儀器大多都是英文界面，但功能較為強大，在選擇時是一個值得考慮的因素。軟件至少應該提供線定位、三角形定位(如需要)算法，最好提供球形定位、矩形定位算法，定位精度在50mm以下為宜。

4.5 每秒撞擊數(shù)(HITs/S)

這個指標是衡量一臺聲發(fā)射儀實時性最為重要的指標，如果對儀器的實時性非常關心，請仔細考慮這個指標。這個指標進一步分解為單個通道每秒撞擊數(shù)和整臺儀器的每秒撞擊數(shù)。單個通道的每秒撞擊數(shù)實際上衡量了單個通道接收聲發(fā)射信號和由此產生的參數(shù)或者波形數(shù)據(jù)的能力;而整臺儀器的每秒撞擊數(shù)則用來衡量儀器整體的信號接收和處理能力，它是指各個聲發(fā)射信號處理通道處理聲發(fā)射撞擊的總和。一般前者指標可以做的很高，但是后者則需要倚賴許多因素，例如：ADC采樣頻率、通道數(shù)、軟件的影響等。采購時這兩個指標都非常重要，要統(tǒng)籌考慮。無論何種儀器，此指標都適用。

4.6 ADC的采樣頻率

在數(shù)字聲發(fā)射儀中，此參數(shù)決定了對信號的分析能力，它直接影響定位精度、到達時間、上升時間、峰值幅度等參數(shù)的數(shù)值。筆者認為，ADC的采樣頻率濾波器最高頻率的10～20倍左右為宜，倍數(shù)太高會增加數(shù)據(jù)的流量、影響實時性，而倍數(shù)太低會丟失有效的細節(jié)。例如，如果聲發(fā)射信號的諧振頻率為300KHz，濾波器的范圍為100～500KHz，則ADC需要達到的采樣頻率在5MHz～10MHz為宜。

4.7 ADC的分辨率

ADC的分辨率決定了儀器對小信號的分辨能力，一般用12～16位分辨率的ADC，個別可選擇18位。ADC的分辨率和SNR相比，SNR更能表征儀器的設計和制造水平，因為ADC分辨率高的ADC的不一定可以實現(xiàn)SNR高。

4.8 增益

模擬和數(shù)字聲發(fā)射儀都可以有增益選擇，此參數(shù)用來改善系統(tǒng)的動態(tài)范圍和可接收的信號范圍。增益可以是對模擬信號加增益放大，也可以對ADC結果進行抽樣得到"處理增益"。

4.9 附加接口

聲發(fā)射儀一般都具有測量附加參數(shù)的接口，主要用來測量聲發(fā)射測試時的環(huán)境溫度、設備的壓力等，但這些都不屬于聲發(fā)射技術本身所必須的參數(shù)，只是實驗條件而已!部分儀器提供其它接口用來通訊、同步等功能，一般可根據(jù)需要選擇考慮。

5、結論

上述各項是選擇、比較聲發(fā)射儀的一些重要技術考慮。作為一個集多種技術于一體的技術產品，聲發(fā)射儀的比較和選擇是比較復雜的，需要考慮諸多因素，除了上述各因素外，還應該考慮重量、體積、價格、服務等因素。任何因素對采購的決策不應起決定的影響，應該在考慮技術指標、服務、價格等各個因素后，做出最終的決策。 參考文獻： 1、GB/T 18182-2000 金屬壓力容器聲發(fā)射檢測及結果評價方法 國家質量技術監(jiān)督局