损伤场数据采集装置的设计与实现

郭慧　刘伟

摘要：介绍为了减少损伤波形数据的采集量，从而降低成本，我们可以从波形的特征值入手，来判断物体是否发生损坏的损失场数据采集装置，即采集有限的波形数据并通过分析，找出我们所需要的波形特征值，做为损伤场数据采集装置判断物体损害的依据。

关键词：损伤场；数据采集；高速AD

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2012）33-8044-03

1设计思想

损伤场数据采集系统通过对材料结构变化所产生的损伤场声谱信号做高科技分析，从而得到诸如损伤状态广义谱空间、损伤状态概率空间、损伤状态信息熵、损伤状态动态响应等参数的特征提取、数据融合等，最终达到量化材料或结构损伤状态的目的。这项技术具有灵活的实用性和广泛的应用前景！

目前市场上材料损伤场检测声发射仪比较多，都是采集完整的波形来判断材料的损伤程度，但价格昂贵，对于一些小企业或个人来说，没有必要得到非常精准的材料损伤场检测报告，只需大致估计判断材料损伤场程度即可。因此我们提出了新的研究思路，即采用模拟量与数字量结合的方法，通过多次数据采集，形成一个损伤波形，这个损伤波形是通过几个特征参数实现的，特征参数包括起始点、结束点、最大值点、以及上升期与下降期之间各一点等，把这几个参数点描绘出来，生成接近实际情况损伤波形图，作为我们分析材料的依据。这样不但可以减少损伤波形数据的采集量，还可以大大的降低成本。

2硬件框图

根据我们的设计思想，损伤场数据采集装置的硬件框图如1所示。

根据图1所示的硬件框图，我们想要做出具体的实验板，就需要对具体的器件进行比较选择。硬件设计与具体的应用场合有关，采用不同的器件对系统的性能影响很大。而器件和芯片的多样性，使得不同厂家生产的芯片和器件的电气特性并不相同。如果选择不当，可能会出现兼容性问题。硬件是满足实际应用需求的，对应用环境的充分调研和考虑后才能选择出合适的芯片和器件。

在整个的硬件电路设计中，用到的芯片有LM339，74HCT573，SN74HC148，MC74HC74，SN74HC244，存储器，有源晶振等芯片。选好芯片以后，我们通过制作PCB、焊接元器件等制作了损伤场数据采集装置实验板，如图2所示。

3各部分工作原理

3.1模拟信号量

模拟信号量在时间上是连续的，它是损伤场的声发射经过传感器而得到的。

3.2放大电路

原始的声发射为模拟信号量，由于声发射信号幅值范围为：1μV-100mV。模拟电信号比较弱，所以需要放大器进行放大处理。

3.3高速AD

为了更好的减少成本，我选用高速AD和主控芯片AT89C51单片机进行有限的数据采集。但遇到速度不匹配的问题，高速AD采集速度快，作为主控芯片的单片机速度慢，为了协调速度问题，我决定自行设计一款带存储装置的并行高速AD，此存储装置起到一个缓存的作用。自行设计的高速AD分为五个部分，它们是电压比较器部分、锁存器部分、编码部分、存储器部分、控制部分组成。

电压比较器部分：在给定的参考电压范围内并联15个电压比较器，这15个电压比较器对参考电压值切割分段并实现了15个比较电平。这就可以是输入的连续模拟信号经过并联的电压比较器组后输出离散的电信号。

锁存器部分：由于电压比较器转化模拟信号形成数字信号量的速度很快，为了有效的形成正比的二进制数，需要带记忆功能的锁存器。锁存器用带边沿触发的D触发器实现锁存功能。

编码器：编码器是把从锁存器传输过来的离散数字量所代表量化单位整数倍转化成对应的二进制数。转化过程使用优先编码器，按输入信号排定的优先顺序，只对同时输入的N个信号中优先权最高的一个进行编码。

存储器部分：此部分是我们自行设计高速AD的重点，主要是解决速度不匹配的问题，把转换出的数字量进行缓存。转换够一组数后再通知主控芯片取数。

控制部分：它是通过计数器来实现的，每计数一次时，都要给存储器分配地址的同时存储一个数据，当存储到有限数据时，计数器在清零的同时给外部主控芯片一个中断信号。

3.4主控芯片

主控芯片采用AT89C51单片机，它控制高速AD的数据采集过程。把采集到的数据进行存储。

3.5PC机

高速AD可以连续采集一组数据，然后通知主控芯片接收数据。经过PC机的拟合分析得出我们所需要的波形特征值，做为判断损伤场数据采集系统中物体是否发生损坏的依据。

4实验验证

4.1自行设计高速AD验证

使用伟福H51/L单片机硬件仿真器对51单片机进行硬件仿真，图3是一组测试数据：

在测试前，利用万用表测的幅值是0.9V，电压范围是在0.8V-1.0V之间，理论输出的二进制数字量为0100。通过单步测试，从图中REG、SFR、Project窗口可以看出，P0口的值为F4。再通过DATA，CODE窗口可以看出，在地址40的地方有8组数据都是F4。说明输出量是为0100，说明实验数据仿真结果是一致的。经过多次测试，可以证明，单片机可以控制高速AD的数据采集，连续的模拟信号量是能够转化其相对应成正比的二进制数。

4.2设计思想验证

由4.1可知，我们自行设计的带存储装置的高速AD可以正常的采集数据，然后加上前面的传感器和前置放大器，我们实验性的采集了一些物体的声发射信号数据，实验表明，采集到的数据的频率在声发射信号频率范围：100kHz-1MHz之内，PC机经过拟合分析得到我们需要的数据，根据这些数据使用软件来绘制不同的图形，如正弦波、柱状图、点状图等，从而得到材料的损伤程度。

5结论

通过大量的实验证明，我们自行设计这款带存储装置的高速AD，能够匹配高速AD和低速的单片机进行有限的数据采集的速度问题，而且它的存储装置起到一个缓存的作用。通过这种方式，高速AD可以连续采集一组数据，然后通知主控芯片接收数据。这样就可以实现使用低速的控制芯片完成对一个连续波形的高速采集，这就完成了损伤场的数据采集任务。我们本课题的目标是为了减少损伤波形数据的采集量，运用我们设计的系统能够采集到声发射波形的特征值，从而来判断物体是否发生损坏。我们自行设计的高速AD能够满足我们的要求，最后把我们的整个系统连接起来，基本可以实现我们的目标。

课题中实现的高速AD在提升分辨率和存储容量后，并用单片机加以控制，向外引出几根控制线，可作为一种智能型高速AD使用。这样的智能型AD能够为其他系统一次提供一组数据。使用起来非常方便，既减轻了整个系统的工作负荷，又能提供一组高速采集到的数据。并且价格非常低廉。在今后的工作中会对智能型高速AD进行更深入的研究。经过本课题的研究、设计并实现，使得该项技术成本大幅度降低，具有灵活的适用性和有广泛的应用前景，不但可以满足于大型的综合工业，而且也可以应用到小型的企业。它应用的领域很多，包括各种材料性能测试、大型机械设备可靠性检测、重要工程结构可靠性检测、医疗骨科密度诊断等等。

参考文献：

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