聲發(fā)射儀器的發(fā)展

聲發(fā)射儀器的發(fā)展

摘 要 本文對聲發(fā)射儀器的發(fā)展過程進行了簡要的回顧，對當前主要的聲發(fā)射儀器的研究進展做了初步的介紹，并展望了未來聲發(fā)射儀器的軟、硬件發(fā)展的方向。
關鍵詞 聲發(fā)射檢測儀硬件 軟件 研究進展

1 引言
隨著計算機軟硬件技術的飛速發(fā)展，聲發(fā)射（AE）檢測系統(tǒng)的更新速度也越來越快，總的發(fā)展趨勢是從模擬參數(shù)式向數(shù)字式全波形方向發(fā)展。多通道全波形聲發(fā)射檢測系統(tǒng)能給檢測人員提供更多的關于聲發(fā)射源的信息，更方便地從大量干擾信號中獲取有意義的聲發(fā)射信號，更精確地對聲發(fā)射源進行定位；另一方面，人們從參數(shù)式儀器中獲得了大量的現(xiàn)場經(jīng)驗，所以也不可能完全放棄參數(shù)。尤其對一些專用場合，少量參數(shù)已經(jīng)能夠反映出檢測對象的某些規(guī)律，參數(shù)式儀器也能夠滿足使用要求，而且快速、簡捷、實用和價廉。所以聲發(fā)射檢測系統(tǒng)今后將朝著兩個方向發(fā)展：一個方向是向多通道全波形軟件分析功能齊全的大系統(tǒng)發(fā)展，這類儀器可以應用到一些復雜場合和各種研究領域；另一個方向是發(fā)展實用價廉的參數(shù)式儀器，它可以應用到一些特定的場合，作為專門儀器去使用。當然這些參數(shù)不僅僅是傳統(tǒng)意義上的那些參數(shù)，可以利用AE信號合理的信息，去選取更能反映事物本質(zhì)特征的參數(shù)。尤其是FPGA/ CPLD技術和計算機總線（PCI總線）技術的發(fā)展，可以在一塊板卡上實現(xiàn)上百通道的聲發(fā)射參數(shù)提取并進行定位，與功能齊全的全波形采集相比，該系統(tǒng)成本低廉、集成度更高。
2 聲發(fā)射儀器的發(fā)展過程及現(xiàn)狀
人們對聲發(fā)射的認識隨理論研究的發(fā)展而加深。聲發(fā)射作為實用診斷技術,它每前進一步都是同測試儀器的發(fā)展分不開的。聲發(fā)射檢測系統(tǒng)一般由傳感器、信號調(diào)理放大器和分析處理系統(tǒng)三個基本部分組成,AE 儀器的發(fā)展也集中表現(xiàn)在這三個部分上。近幾十年來,這三部分的性能都在不斷更新,特別是AE 傳感器和分析處理系統(tǒng)的發(fā)展。下文將從硬件性能和軟件功能兩個方面對聲發(fā)射儀器的發(fā)展過程進行簡述。
2.1硬件性能
自1965年美國的Dunegan公司首次推出聲發(fā)射商業(yè)儀器以來,聲發(fā)射的硬件技術已經(jīng)歷三十多年的更新發(fā)展。從具有代表性的技術更新來看，這三十多年主要分為三個階段。第一階段1965年～1983年，這一階段主要是參數(shù)式聲發(fā)射儀器的發(fā)展。這其中包括聲發(fā)射傳感器、前置放大器、模擬濾波技術以及參數(shù)提取的硬件技術等的完善與發(fā)展。這些儀器進行聲發(fā)射參數(shù)提取時，是通過模擬電路輸出模擬參量，然后通過后續(xù)電路的A/D或計數(shù)器轉(zhuǎn)換成為數(shù)字參量來實現(xiàn)的。這種聲發(fā)射儀的特點是采集數(shù)據(jù)的信息比較直觀，給后續(xù)的數(shù)據(jù)處理帶來很多方便，但由于系統(tǒng)完全采用模擬電路來獲取聲發(fā)射信號特征參數(shù)，采集系統(tǒng)的抗干擾能力不強，可靠性差，集成度低。由于各個通道的信號采集、傳遞、計算、存儲和顯示都要占中央處理單元的時間，不但速度慢而且系統(tǒng)極易出現(xiàn)閉鎖狀態(tài)。這種早期的聲發(fā)射儀現(xiàn)在已逐步淘汰溫度計| 溫度表| 風速計| 照度計| 噪音計| 輻照計| 聲級計| 溫濕度計| 紅外線測溫儀| 溫濕度儀| 紅外線溫度計| 露點儀| 亮度計|
自1983年至1994年是聲發(fā)射儀器發(fā)展的第二階段，以美國物理聲學公司（PAC）1983年開發(fā)的國際上第一套參數(shù)型聲發(fā)射系統(tǒng)SPARTAN－AT為代表。該系統(tǒng)采用專用模塊組合式，第一次引入了計算機技術，把采集功能、存儲及計算功能相分離，并且利用IEEE488標準總線和利用并行處理技術解決實時采集和數(shù)據(jù)處理。這類儀器實際上，每二個通道形成一個單元，配有專用微處理器，形成獨立通道控制單元(ICC)，完成實時數(shù)據(jù)采集的任務，而數(shù)據(jù)處理的任務比較合理地分配給一些并行的計算單元，儀器的實時性得到增強。該儀器是模擬和數(shù)字電路結(jié)合的模式，使得聲發(fā)射儀的可靠性大大提高，由此也推動了聲發(fā)射應用技術的發(fā)展，使得聲發(fā)射在許多領域，如壓力容器、油罐、管道、復合材料、航空、航天、建筑、橋梁等的應用也由起步階段發(fā)展到了完善階段，許多國家頒布了聲發(fā)射在特定檢測領域的國家標準。
1994年至今，全數(shù)字式聲發(fā)射儀器的問世可以說是聲發(fā)射儀器發(fā)展的第三個階段。數(shù)字化儀器是在高速A/ D 轉(zhuǎn)換及有關集成電路( IC)芯片性能大幅度提高,價格又大幅度下降的背景下形成的。全數(shù)字化AE 儀器的問世標志著聲發(fā)射儀器的研制進入一個全新的階段,它在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和軟件配置上保留了第四代產(chǎn)品的優(yōu)點,但放大后的AE 信號不必再經(jīng)過一系列的模擬、數(shù)字電路形成數(shù)字特征量,而是直接進行高速A/ D 轉(zhuǎn)換,提取相應特征量。這樣做的好處是數(shù)字信號有良好的抗干擾特性,信息能夠準確地發(fā)送、傳遞而無畸變,沒有模擬器件因存在噪聲或飽和帶來的失真以及因器件離散等因素產(chǎn)生的數(shù)據(jù)不一致,從而使儀器的可靠性得到更好的保證。采用數(shù)字技術使這類儀器有很高的信噪比、良好的抗干擾性、寬的動態(tài)范圍。另外,由數(shù)字化的AE 信號中提取特征量比模擬方法容易實現(xiàn),如采用模擬方法很難在嚴格的意義上給出AE 信號的能量和有效值,而在數(shù)字信號的基礎上卻容易實現(xiàn)。數(shù)字化后的信號保留了更多的AE 信息,也為信號分析和特征提取提供更大的開發(fā)潛力。同時，這類儀器對數(shù)字信號的處理如特征提取要比一般模擬儀器更加容易，而且也可給用戶留下適合各自應用的處理軟件的空間。
全數(shù)字式聲發(fā)射儀的代表儀器有德國VALLEN公司的AMSY5[1]，美國PAC公司研制的Mistras2001[2]和我國廣州聲華科技有限公司的WAE2002[3]等。其中德國的AMSY5儀器采用專用模塊組合式，即通道模塊與計算機部分組合于一個工業(yè)機箱中，整個系統(tǒng)由計算機控制。該系統(tǒng)模塊之間的通訊、模塊與計算機的通訊使用了特殊設計的總線，瞬態(tài)波形采集時可將一個TR-4M（存儲8MB波形）的瞬態(tài)波形記錄模塊配置到數(shù)據(jù)采集板上，與傳統(tǒng)的聲發(fā)射參數(shù)并行運行。
美國PAC公司的Mistars2001是采用全數(shù)字式集成有數(shù)字信號處理芯片的聲發(fā)射PC卡AEDSP32/16。該卡具有兩個獨立AD的聲發(fā)射信號通道、一個DSP芯片、5個FPGA門陣列，可以象一般的PC卡一樣直接插入個人計算機中，多塊AEDSP卡再配以適當?shù)能浖�就�?gòu)成了多通道聲發(fā)射系統(tǒng)。該系統(tǒng)聲發(fā)射參數(shù)是在AEDSP卡中經(jīng)過數(shù)據(jù)處理獲得的，而波形數(shù)據(jù)的存儲需另一專用數(shù)據(jù)存儲卡，AEDSP卡采集到的數(shù)據(jù)先傳輸?shù)綄Ｓ每ǖ木彌_區(qū)里，后經(jīng)PCI/ISA總線傳輸聲發(fā)射數(shù)據(jù)到存儲介質(zhì)中。
我國90年代末，廣州聲華科技有限公司生產(chǎn)出了一種所有通道都能采集參數(shù)和波形的聲發(fā)射檢測系統(tǒng)，儀器采用插卡結(jié)構(gòu)，各通道聲發(fā)射信號通過信號調(diào)理后進入聲發(fā)射采集卡（每卡5個通道），經(jīng)信號的匹配后進行16位A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號進入一片超大規(guī)模FPGA門陣列芯片以實時提取聲發(fā)射參數(shù)和波形數(shù)據(jù)緩存。所有參數(shù)和波形數(shù)據(jù)經(jīng)PCI總線用DMA方式傳送到計算機。計算機通過信號分析軟件完成聲發(fā)射信號分析、定位等功能，最終把結(jié)果顯示出來。多塊聲發(fā)射采集卡可以構(gòu)成多通道的聲發(fā)射檢測系統(tǒng)。該儀器的特點是：1.波形數(shù)據(jù)不是采用大容量存儲器緩存后到上位機，而是采用相對容量小緩存實時連續(xù)通過PCI總線高速通訊到上位機；2.由于多通道多功能（波形和參數(shù)采集提取通訊）只采用一片超大規(guī)模FPGA芯片，使得采集卡的集成度更高，穩(wěn)定性和可靠性更高。該全數(shù)字全波形聲發(fā)射儀最大限度地應用了現(xiàn)代電子和計算機高速數(shù)據(jù)采集和高速軟件處理的技術,使得多通道聲發(fā)射波形采集和分析不再困難,同時保留了參數(shù)聲發(fā)射儀的全部功能,為聲發(fā)射技術研究和應用提供了良好的工具。
(a)PAC Mistras 2001聲發(fā)射儀 （b）德國Vallen AMSY5 聲發(fā)射儀 (c) 廣州聲華WAE2002 聲發(fā)射儀
圖1 聲發(fā)射儀器簡圖
2.2軟件功能
如前節(jié)所述，聲發(fā)射檢測系統(tǒng)從硬件上已經(jīng)發(fā)生了質(zhì)的變化，能夠?qū)Χ嗤ǖ缹崿F(xiàn)全部波形的采集，接下來就是要對這些信號進行分析和處理，即系統(tǒng)的軟件功能。聲發(fā)射技術能獲得了多領域的廣泛應用，也主要取決于各種軟件的使用和特殊功能的實現(xiàn)。好的軟件能讓我們應用起來更為得心應手，而且可以獲得更準確的關于聲發(fā)射源的定性、定量和定位信息，以及最終對這些信息所做的評價。聲發(fā)射儀器的軟件環(huán)境也從最初的純DOS環(huán)境過渡到windows環(huán)境下的DOS模式，直至現(xiàn)在大部分公司采用的windows 32位消息循環(huán)機制下的標準圖形界面，操作也更加靈活方便。
多通道聲發(fā)射系統(tǒng)的軟件處理功能從應用的角度來說可分為兩大類：
第一類為基本的通用聲發(fā)射測試與分析處理功能，如軟、硬件參數(shù)設置，視圖的設置、顯示、打印，數(shù)據(jù)分析、存儲、濾波、回放，波形、參數(shù)及定位的對應分析等。聲發(fā)射源定位是一個非常重要的功能，聲發(fā)射源定位能力即定位的準確性是該技術有別于其它技術的一大特色,也是看一套聲發(fā)射系統(tǒng)功能是否強大的重要標志之一。聲發(fā)射源定位不需要用掃描的方式(如超聲或磁粉檢測)來測試缺陷的位置，大大提高了無損檢測的效率。目前實現(xiàn)定位功能的方法很多，如區(qū)域定位、線性定位、平面定位、曲面定位及三維定位等。
第二類為專用的面向特定對象的測試與分析功能，主要是由現(xiàn)場應用專家與儀器生產(chǎn)廠家共同開發(fā)的專家系統(tǒng)軟件包。近年來，國內(nèi)外從事聲發(fā)射檢測技術應用研究的機構(gòu)加大了對聲發(fā)射信號處理方法的研究，紛紛推出各自的聲發(fā)射信號分析處理軟件，為廣大用戶分析聲發(fā)射信號帶來極大的方便。例如，PAC公司開發(fā)研制出可用于復雜問題、復雜情況。復雜環(huán)境的神經(jīng)網(wǎng)絡與模式識別軟件NOESIS。Vallen公司的VisualClass模式識別和信號分類軟件，能通過監(jiān)督或不監(jiān)督學習進行聲發(fā)射信號的組合分類及統(tǒng)計分析。廣州聲華公司（Soundwel）的SignalProcess軟件，提供了各種譜分析手段以及小波變換處理，并能進行人工神經(jīng)網(wǎng)絡的聲發(fā)射源模式識別，為聲發(fā)射源的定性提供了強大的軟件支持。
3 聲發(fā)射儀器的最新進展
當今世界是電子和信息產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展的時代，新的超大規(guī)模集成器件不斷涌現(xiàn)，聲發(fā)射儀器的更新速度也在逐步加快，各儀器的生產(chǎn)商都在盡力將最新的科技成果引入自己的產(chǎn)品�？傮w來看，聲發(fā)射儀器發(fā)展體現(xiàn)出以下幾個特點：
3.1 硬件方面
* 全數(shù)字 、全波形：系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)為全數(shù)字式構(gòu)造，性能更穩(wěn)定、可靠性更高。所有通道能同時實時采集參數(shù)和波形，全波形的采集能給用戶提供更多關于聲發(fā)射源的信息。信號調(diào)理濾波部分采用可程控的數(shù)字濾波器（如采用FPGA實現(xiàn)）。
* 高速采集、傳輸：每個聲發(fā)射通道應能保證參數(shù)不丟失，在聲發(fā)射信號頻度極高的情況下，也盡量少地丟失波形信號。傳輸速率應充分利用計算機的總線速度，充分發(fā)揮計算機的性能，并能隨著計算機的性能的升級而得到提升，使得聲發(fā)射儀器可以隨計算機的升級而隨意升級成為現(xiàn)實。。
* 良好的可擴展性：基于計算機的插卡式結(jié)構(gòu)設計，符合現(xiàn)代儀器設計的主流思想，不僅通用性好，而且系統(tǒng)易擴展，用戶可選插不同數(shù)目的采集卡，組成任意的多通道采集系統(tǒng)，而多臺聲發(fā)射儀器連接起來可以組成一個更大型的聲發(fā)射檢測系統(tǒng)。
* 應用方便： 從硬件上說方便用戶使用，其發(fā)展主要體現(xiàn)在四個方面，一、系統(tǒng)的集成度高，緊湊輕便，現(xiàn)場搬運擺放容易；二、能自動對安裝的各個通道在任意需要的時刻進行標定；三、采用無線通訊技術，減少傳輸電纜的安裝和運輸；四、抗干擾能力強，能適應現(xiàn)場復雜的檢測環(huán)境。
3.2軟件功能　
* 良好的人機界面：聲發(fā)射儀器的驅(qū)動程序能適應不同的操作系統(tǒng)，軟件界面和環(huán)境能隨著操作系統(tǒng)的發(fā)展而發(fā)展。也就是說，現(xiàn)代聲發(fā)射儀器不僅從硬件上借助計算機行業(yè)的發(fā)展提升其性能，而且能隨著軟件技術的發(fā)展，尤其是操作系統(tǒng)的發(fā)展，體現(xiàn)出更人性化和方便實用的人機界面。
* 視圖設置靈活：在顯示視圖上，用戶能隨意設置自己感興趣的關聯(lián)圖、定位圖、統(tǒng)計圖和分析結(jié)果，并支持2D、3D圖形顯示和入視點的變化。
* 定位方式多樣、準確：在定位方式要能進行區(qū)域定位、衰減定位、時差定位（包括相關法時差），在應用上通常應包括：線性定位、平面定位、柱面定位、曲面定位（球面定位）、三維空間定位等并能任意組合。定位的準確性是衡量一個聲發(fā)射儀器軟硬件性能的一項綜合指標，儀器能根據(jù)所接收到的波形進行智能分析定位。
* 信號處理手段齊全：儀器根據(jù)所采集到的參數(shù)和波形進行各種加窗傅立葉變換和小波變換，并根據(jù)分析的結(jié)果提取聲發(fā)射信號的特征進行分類識別。達到對聲發(fā)射源定性、定量、定位分析的目的，并能最終實現(xiàn)自動評價。
4 結(jié)論
聲發(fā)射檢測儀器本身是一個復雜的系統(tǒng)，它的發(fā)展過程集中體現(xiàn)了當今電子、計算機和信號處理等技術的進步。聲發(fā)射儀器也從最初的模擬儀器DOS界面，發(fā)展到現(xiàn)在的全波形、全數(shù)字圖形界面。儀器的體積、操作的復雜程度和勞動強度在不斷減小，而可靠性和穩(wěn)定性不斷提高。同時針對不同應用場合的信號處理手段也在不斷完善，對聲發(fā)射源的定性、定量和定位識別的精度也有了很大的提高。聲發(fā)射儀器最終的發(fā)展目標是對被測對象做出科學的無損評價，并能給出解決方案。