多通道声发射监测仪探头与信号采集系统设计

多通道声发射监测仪探头与信号采集系统设计

摘要：

声发射监测仪器即通过接收和分析材料的声发射信号来评定材料性能或结构完整性的无损检测方法的仪器。材料中因裂缝扩展、塑性变形或相变等引起应变能快速释放而产生的应力波现象称为声发射。

声发射传感器是利用某些物质（如半导体、陶瓷、压电晶体、强磁性体和超导体等）的物理特性随着外界待测量作用而发生变化的原理制成的。根据声发射的特点，利用声发射的声源定位方法，提出了一种多通道数据信号采集系统的设计方法。设计出一种具有数据传输快、定位准确等特点的信号采集方法，根据资料得知有许多比较好的方法，例如单片机、光纤等。本文主要内容大致为以下几章：

1.介绍关于声发射的相关知识以及发展的前景

2.确定设计的相关器件及参数要求

3.给出总体设计方案，确定实现的方法以及硬件模块

4.根据硬件模块追加软件的实现方法

5.总结全文

关键词：声发射，传感器，信号采集系统

目录

1绪论

1.1声发射

1.2声发射应用

1.3声发射监测仪

1.4本文的研究内容

1.5本章小结

2确定设计的相关器件及参数要求2.1总体设计方案

2.1.1多通道声发射监测系统

2.1.2硬件设计框图

2.2探头的设计

2.2.1外壳设计

2.2.2传感器设计

2.2.3前置放大器设计

2.2.4传输线路设计

2.3信号采集器的设计

2.3.1信号处理单元

2.3.2信号采集单眼

2.3.3信号收发模块

2.4本章小结

3实现的方法以及硬件模块

4控制软件设计

5总结与展望

5.1本论文总结

5.2进一步工作展望

结论

参考文献

致谢

1章绪论

声发射技术是一种新的无损检测技术。它是利用监测材料或结构件内部由于应力造成的变形或破裂时发出的声发射波的方法来检测材料或结构件中的缺陷，并对其进行描述，以便研究材料性能或对结构件进行安全性评价和预报。为了检测材料中的声发射信号，一般都采用的缺陷，并对其进行描述，以便研究材料性能或对结构件进行安全性评价和预报。

其中传感器与信号采集是比较重要的两个部分，本文对于声发射监测仪的传感器有些许了解，有比较传统的压电式传感器，以及比较新的光纤传感器，还有利用聚偏氟乙烯的传感器。本设计中应用的是压电式传感器，压电式传感器基于压电效应的传感器。是一种自发电式和机电转换式传感器。它的敏感元件由压电材料制成。压电材料受力后表面产生电荷。此电荷经电荷放大器和测量电路放大和变换阻抗后就成为正比于所受外力的电量输出。压电式传感器用于测量力和能变换为力的非电物理量。它的优点是频带宽、灵敏度高、信噪比高、结构简单、工作可靠和重量轻等。缺点是某些压电材料需要防潮措施，而且输出的直流响应差，需要采用高输入阻抗电路或电荷放大器来克服这一缺陷。

声发射数据采集系统主要由传感器、前置放大器、数据采集、数据通信、信号处理等模块构成。多通道声发射信号采集系统通常由四个独立的信号采集通道组成。由于声发射信号十分微弱，因而必须选择高输入阻抗的放大器；而电荷放大器具有高输入阻抗和较好的线性度。更因为声发射探头为压电陶瓷，具有容性特点，所以，选择普通放大器会使工作时的静态电荷倒灌在传感器的极板，使传感器无法正常输出被检测信号。

1.1声发射

声发射(Acoustic emission 简称AE)又称应力波发射，是材料或零部件受力作用产生变形、断裂，或内部应力超过屈服极限而进入不可逆的塑性变形阶段，以瞬态弹性波形式释放应变能的现象。这种弹性波以声波形式存在，频率范围很宽包括数赫兹到数兆赫兹，如果能量足够大，并且频率集中在声音频段内，则可以被人耳所听见。诸多原因可以产生声发射，如材料裂纹、断裂、应力再分配、撞击及摩擦等。

其监测原理为从声发射源发射的弹性波最终传播到达材料的表面，引起可以用声发射传感器探测的表面位移，这些探测器将材料的机械振动转换为电信号，然后再被放大、处理和记录。通过对所得到的数据进行分析，最总达到以下目的：①确定声发射源的部位；②分析声发射源的性质；③确定声发射发生的时间或载荷；④评定声发射源的严重性。

有如下优点：1.声发射检测是一种被动检验方法，探测到的能量来自被测试物体本身，而不是像超声或射线探伤方法一样由无损检测仪器提供； 2.声发射检测方法对线性缺陷较为敏感，它能探测到在外加结构应力下这些缺陷的活动情况，稳定的缺陷不产生声发射信号； 3.在一次试验过程中，声发射检验能够整体探测和评价整个结构中活性缺陷的状态，因此效率高； 4.可提供活性缺陷随载荷、时间、温度等外变量而变化的实时或连续信息，因而适用于工业过程在线监控及早期或临近破坏预报。

1.2声发射应用

声发射技术的应用已较广泛。可以用声发射鉴定不同范性变形的类型，研究断裂过程并区分断裂方式，检测出小于0.01mm长的裂纹扩展,研究应力腐蚀断裂和氢脆，检测马氏体相变，评价表面化学热处理渗层的脆性，以及监视焊后裂纹产生和扩展等等。在工业生产中，声发射技术已用于压力容器、锅炉、管道和火箭发动机壳体等大型构件的水压检验，评定缺陷的危险性等级，作出实时报警。在生产过程中，用声发射技术可以连续监视高压容器、核反应堆容器和海底采油装置等构件的完整性。声发射技术还应用于测量固体火箭发动机火药的燃烧速度和研究燃烧过程，检测渗漏，研究岩石的断裂，监视矿井的崩塌，并预报矿井的安全性。

1.3声发射监测仪

声发射检测仪器分单通道和多通道两种。单通道声发射仪比较简单，主要用于实验室材料试验。多通道声发射仪是大型声发射检测仪器，有很多个检测通道，可以确定声发射源位置，根据来自各个声源的声发射信号强度，判断声源的活动性，实时评价大型构件的安全性。主要用于大型构件的现场试验。

1.4本文的研究内容

本文是针对多通道声发射监测仪的探头以及信号采集系统进行研究的，主要集中在两个方面，其一是探头部分，另外一个是信号采集系统部分。本设计实际上是一个关于传感器设计与信号的处理的研究，总体上来说主要达到以下几个目的：

1、如何能够更有效的采集到缺陷信号，并且区分好缺陷信号和其他的干扰信号。

2、如何将采集到的信号传输到其他模块中以便于能通过软件来进行分析。

本文的第一章分是关于声发射的相关简介，主要阐述了关于声发射技术的一些概念，检测原理，优点，应用的领域以及大体上介绍了一下声发射监测仪的类型、作用。

第二章分将会介绍相关的参数设定以及其他器件的选择。

第三章分将会根据第二部分的参数和器件进行设计，给出总体的设计方案，并将硬件模块组合到一起，并说明其功能和作用。

第四章分是对第三部分设计好的硬件模块追加上相应的软件实现方法。

第五章分是对全文的总结并说出自己的不足之处。

1.5本章小结

本章主要介绍了声发射技术的一些基本概念，以及本文的设计方向和主要解决的一些问题，并且对之后的设计也进行了部分规划。