基于LabVIEW的声发射采集分析系统研发

霍林生，陈韵竹，王靖凯，李宏男

(大连理工大学，海岸和近海工程国家重点实验室，辽宁大连 116024)

0 引言

声发射是指材料内部发生破坏时局域源快速释放能量产生瞬态弹性波的现象[1]，利用该现象可以对材料内部的变形和裂纹等损伤进行无损检测。通过采集、储存和分析声发射信号，确定声发射的特征参数和声发射源位置的技术称为声发射技术。

近年来，声发射技术凭借其高灵敏度和无损检测的优点得到了广泛的应用，尤其是在混凝土、岩石、金属等材料的损伤检测中。研究学者常使用声发射技术全过程监测试件破坏试验，以探究材料在外部荷载作用下的破坏规律。郭庆华等[2]发现了声发射的频率特征参数与不同混凝土强度指标存在映射关系。吴贤振等[3]得到了岩石在不同破坏模式下发射特征及其参数与应力、应变、损伤变量之间的关系。在金属材料的检测中，马方慧等[4]提出了一种基于时间反转聚焦理论且适用于航空管板铸件的声发射源定位方法，能有效地提高声发射源的定位精度。崔希望等[5]针对管道和储罐两种CO2运输设备，使用声发射技术监测CO2泄漏时的声波信号并提出了一维和二维定位简化模型，实现了CO2运输设备的泄漏检测和定位。

以上研究大多基于能够提取有效声发射信号并且计算声发射特征参数的声发射系统，但目前研究中使用的声发射系统及声发射传感器价格昂贵，严重制约了该技术在结构健康监测领域的大范围推广使用。同时，声发射系统软件通常是商用的封装软件，无法自行拓展声发射信号的分析算法。因此，为了降低声发射技术的使用成本，本文使用价格低且频带较宽的压电陶瓷片作为传感器，基于LabVIEW平台自主开发声发射信号采集分析系统，实现声发射信号的采集、存储和分析以及声发射特征参数的提取功能。

1 声发射信号采集处理系统设计

本文采用LabVIEW2015系统作为软件平台进行开发，以模块化设计方法，按照实际需求，设计了信号采集、信号存储、信号分析三大模块。运行系统时，用户首先需设置信号的采样频率、物理通道等相关参数，随后进入信号采集模块，波形图表可实时显示信号的变化，同时系统后台自动储存全部数据。采集停止后进入信号分析模块，用户可选择所需处理的信号数据进行分析得到相应的声发射特征参数，分析结果在用户界面中显示并自动保存。系统流程如图1所示。

图1 系统流程图

本文在LabVIEW平台中集成所有功能模块，其中信号分析模块中的相关算法在MATLAB中编写，通过LabVIEW调用，从而得到声发射信号的特征参数。这种系统架构充分利用了MATLAB的计算能力和LabVIEW的数据采集功能，方便用户使用。系统程序使用状态机架构，针对不同工程需求，系统的功能模块可以进一步扩展，以适用于复杂工况中声发射信号的采集与处理需求。

1.1 信号采集模块

本系统采用多通道同步采集数据，可设置数据采集的相关参数，系统根据采样频率自动设置缓冲区大小，避免数据丢失。程序内部使用循环结构，通过LabVIEW中的“DAQ-mx”控件采集信号，采集的信号传输到系统后通过波形图表控件实时显示各通道的信号变化情况，用户界面如图2所示。

图2 声发射采集分析系统用户界面

1.2 信号存储模块

系统内部使用生产者/消费者模式在信号采集的同时自动保存数据，采集前需设置数据采集长度和存储路径，采集开始后程序会自动在设定的路径下将信号保存为“.tdms”文件格式，采集停止后数据存储随之自动停止，信号存储部分的程序框图如图3所示。

图3 信号存储部分程序框图

1.3 信号分析模块

本模块用于计算声发射的特征参数，通过MATLAB设计了一套独立的信号处理系统，对采集的信号进行处理。该模块首先将所有采集的数据文件全部读取后整合，截取出指定长度的有效信号，随后通过带通滤波器去除噪声，再计算信号的声发射特征参数，包括幅度、上升时间、持续时间、振铃计数、撞击数、能量、平均信号电平(average signal level，ASL)、有效值电压(root of mean square，RMS)，计算结束后将这些特征参数的数值显示于用户界面中。

1.3.1 信号预处理

工程现场进行结构健康监测时包含外界噪声、机器振动等产生的干扰，从而影响声发射特征参数的识别，因此进行信号处理前需要对现场实测数据进行降噪预处理。系统内通过带通滤波器进行降噪，首先将原始信号通过傅里叶变换得到信号频谱图，并据此选择通带频率。滤波后系统将对信号进行截取，截取出指定长度的有效声发射信号进行分析，计算得到声发射特征参数。

1.3.2 LabVIEW平台调用MATLAB

本文将MATLAB信号处理程序封装成COM组件在LabVIEW中调用[6]，进行信号处理时，用户选择已存储的信号后进行计算，特征参数的结果显示为数值形式。在LabVIEW中调用COM组件进行计算的程序框图如图4所示。

图4 LabVIEW中调用COM组件程序框图

2 试验研究

为测试设计的声发射信号采集分析系统的功能，在铝板上进行了断铅试验。断铅试验是声发射领域常用的验证性实验，实验结果可以测试系统主要功能模块的工作性能。实验主要分为2部分：第一部分为系统功能的验证实验，只利用单通道采集断铅产生的声发射信号，并通过系统计算声发射的特征参数值；第二部分为定位实验，四通道同时采集断铅信号，并利用到达时间法进行声发射源定位，进一步证明系统采集的声发射信号的准确性。

2.1 实验设备

本文在安装有4个压电陶瓷传感器的铝板上进行断铅试验，使用USB6366采集卡采集信号，并将信号传输至研发的声发射采集分析系统，所使用的实验设备如图5所示。

图5 实验设备

实验采用的检测试件为2 mm厚铝板，其尺寸为50 cm×50 cm，通过测量并计算得出声发射信号在铝板表面传播的波速为5 421.05 m/s。在铝板平面建立直角坐标系，4个压电陶瓷传感器坐标分别为(-15，-15)、(-15，15)、(15，15)、(15，-15)，单位为cm，并命名为传感器a、传感器b、传感器c、传感器d。

传感器与铝板之间涂有耦合剂，以减少声发射信号在传感器与铝板界面处的过度散射和衰减。实验使用直径为0.5 mm的HB铅芯，断铅时铅芯伸长量为2.5 mm，每次断铅时保证铅芯与试件表面夹角为30°。

2.2 系统功能验证实验

将系统中信号的采样率设置为1 MHz，门槛值设置为40 dB，数据存储长度设置为10 kB。在铝板表面坐标(-14 cm，15 cm)处进行断铅试验，连续进行10次断铅，传感器布置方式和断铅位置如图6所示。

图6 单通道断铅试验传感器布置方式和断铅位置

数据采集结束后，选择指定的数据进行分析，点击界面中的“运行”按钮，LabVIEW程序即可调用COM组件进行计算，得出声发射特征参数值。

传感器b采集的10次声发射信号幅度分布如图7所示，可以看出声发射信号幅度均达到100 dB。图8(a)为MATLAB截取的传感器b采集的第1次～第10次有效信号波形图，10组波形基本相似，图8(b)为第10次断铅信号波形图，可以看出为高衰减突发性声发射信号，因此表明采集的信号均为有效的声发射信号。

图7 声发射信号幅度分布

(a)1～10次断铅信号

图9为MATLAB截取的传感器b采集的第10次有效断铅信号波形图，根据门槛值与信号波形的交点及幅度点手动拾取了离散点数，可以确定上升时间与持续时间分别为0.117 ms和9.117 ms，表1为第10次断铅信号经系统自动计算后的声发射特征参数结果，可以看出上升时间、持续时间与手动计算结果完全一致。

图9 第10次断铅信号波形图分析

表1 铝板中断铅试验数据及定位结果

2.3 定位实验

声发射检测技术的一项主要功能是实现声发射源定位，从而确定损伤位置，其中到达时间法为经典的声发射源定位方法。此方法需要多通道同时采集声发射信号，根据不同传感器接收信号的时间差与波速计算出声发射源位置[7]。

本文在铝板表面随机选择5处坐标(-8，7)、(4，0)、(2，-1)、(-2，-4)、(-1，-5)作为断铅位置进行试验，分别命名为P1、P2、P3、P4、P5，在P1、P2、P3、P4、P5处各断铅3次。具体位置及坐标如图10所示。

图10 传感器及断铅位置

使用系统采集声发射信号后，通过信号分析模块对采集的断铅声发射信号进行降噪处理，得出信号到达到各传感器的时刻，再结合Geiger迭代法[8]计算定位结果。进一步分析试验结果得到5处断铅位置的误差分析数据，表2给出了定位结果及相对误差，相对误差为测量坐标与实际坐标之间的距离和铝板结构中安装的4个传感器之间的最大距离之比[9]。相对误差δ可以表示为

(1)

式中：(x，y)为测量结果坐标；(x0，y0)为断铅位置的实际坐标；L为2个传感器之间的最大距离，本实验中，L为42.42 cm。

从表2可以看出每组断铅位置的相对误差均低于5%，定位结果较准确。

表2 铝板中断铅试验数据及定位结果

3 结束语

本文基于LabVIEW开发出一套声发射采集分析系统，可利用廉价的压电陶瓷片作为传感器，实现声发射信号的采集、存储和分析功能。利用开发的系统开展了铝板表面的断铅试验，得出了声发射特征参数并验证了开发的系统采集和分析声发射信号的可行性。进一步开展了声发射源的定位实验，定位结果的相对误差低于5%，证明了系统在声发射源定位方面的正确性。本文的研究成果初步展示了所研发的声发射系统的有效性和准确性，后续将进一步结合大尺度构件和实际工程来验证其有效性。同时，作者在声发射定位等方面发展了一些高精度的定位算法，后续研究中将会在系统中集成这些算法。