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1、毕业论文摘要题目：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
2、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
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
4、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
5、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
6、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：确定声发射源的部位；分析声发射源的性质；确定声发射发生的时间或载荷；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
7、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
8、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
9、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
10、。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。2章 确定设计的相关器件及参数要求2.1总体设计方案由于本文主要是在探头与信号采集系统方面，所以主要设计的集中在探头设计和信号采集器的设计上。2.1.1多通道声发射监测系统多通道声发射监测系统如图2.1单一通道控制器总通道协调器计算机信号采集器传感器前置放大器图2.1 多通道声发射监测系统由传感器得到缺陷信号以及其他干扰信号后，通过前置放大器放大后将收集到的信号传输至信号采集器中，信号采集器将会把缺陷信号和其他干扰信号进行区分，并将有用信号传输至单一通道控制器上，单
11、一通道控制器将这条线的数据传到总通道协调器中，总通道协调器通过其大容量的缓冲器将多个通道传输过来的数据逐个不丢失的传入计算机中。一般采用都是并行处理结构原理上可以扩展到128个通道，但是还得根据实际情况进行分析处理。2.1.2硬件设计框图本课题主要是设计探头和信号采集部分，不过没有限定本个检测仪是检测岩体还是金属材料，其主体部分还是信号的收集和分析。声发射检测仪主要部分为：探头、信号采集器、信号收发装置、计算机。每个通道都有一个探头和一个信号采集器，信号采集器有独立的控制模块控制。多通道系统框图如图2.2所示。信号采集器探头1信号收发装置及计算机信号收发信号采集信号处理信号转换传感器计算机信号
12、收发装置信号采集器探头x信号收发信号采集信号处理信号转换传感器图2.2 多通道系统框图对于通道数量的选择考虑的因素一般有：被测物体材料的特性、被测区域的范围大小、需要定位的类型等等。由探头中的传感器感应到随机的声发射信号并且将其转换为电信号，通过传输线路将其传入信号采集器中。在信号采集器中通过控制模块将得到的信号进行滤波放大等处理、信号的A/D转换与采集、再将信号传输出去供技术人员进行分析。2.2探头的设计探头的作用是感应随机的声发射信号并将其转换为电信号。主要的部件有：外壳、传感器、前置放大器、传输线路等。2.2.1外壳设计探头的外壳主要作用就是保护其内部的传感器和前置放大器。外壳壳体使用的
13、材料有铝合金、铜等。外壳还需要按照一定的要求提供合适的信号接地或者绝缘条件。2.2.2传感器设计声发射传感器是声发射检测系统的重要部分，是影响系统整体性能重要因素。声发射传感器设计不合理，或许使得接受到的信号和希望接受到的声发射信号有较大差别，直接影响采集到的数据真实度和数据处理结果。在声发射检测中，大多使用的也是谐振式声发射传感器和宽带响应的声发射传感器。声发射传感器的主要类型有：高灵敏度声发射传感器，是应用最多的一种谐振式声发射传感器；宽频带声发射传感器，通常由多个不同厚度的压电元件组成，或采用凹球面形与楔形压电元件达到展宽频带的目的；高温声发射传感器，通常由铌酸锂或钛酸铅陶瓷制成；差动声
14、发射传感器，是由两只正负极差接的压电元件组成的，输出相应的差动信号，信号因迭加而增大；此外，还有微型声发射传感器、磁吸附声发射传感器、低频抑制声发射传感器和电容式声发射传感器等。 就声发射源定位而言，实际运用中大量遇到的是结构稳定的金属材料（如压力容器等），这类材料的声向各向异性较小，声波衰减系数也很小，频带范围大多是25KHz750KHz，因此选用谐振式声发射传感器比较适合。本设计中将会应用比较传统的压电式传感器。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
15、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。由于是比较传统的一种传感器，所以相对来说比较容易掌握，下面先对其做一个简单的介绍。压电效应：某些物质，当沿着一定方向对其加力而使其变形时，在一定表面上将产生电荷，当外力去掉后，又重新回到不带电状态，这种现象称为 压电效应 。压电效应可分为正压电效应和逆压电效应。正压电效应是指：当晶体受到某固定方向外力的作用时,内部就产生电极化现象,同时在某两个表面上产生符号
16、相反的电荷；当外力撤去后，晶体又恢复到不带电的状态；当外力作用方向改变时，电荷的极性也随之改变；晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。压电式传感器大多是利用正压电效应制成的。逆压电效应是指对晶体施加交变电场引起晶体机械变形的现象，又称电致伸缩效应。用逆压电效应制造的变送器可用于电声和超声工程。压电敏感元件的受力变形有厚度变形型、长度变形型、体积变形型、厚度切变型、平面切变型 5种基本形式。压电晶体是各向异性的，并非所有晶体都能在这 5种状态下产生压电效应。例如石英晶体就没有体积变形压电效应，但具有良好的厚度变形和长度变形压电效应。常用压电材料：明显呈现压电效应的敏感功能材料叫压电材料。压电
17、单晶体，如石英、酒石酸钾钠等；多晶压电陶瓷，如钛酸钡、锆钛酸铅、铌镁酸铅等，又称为压电陶瓷。此外，聚偏二氟乙烯 (PVDF) 作为一种新型的高分子物性型传感材料得到广泛的应用。根据之前阅读文献以及查阅的资料来看有两种比较合适的压电式传感器。压电式加速度传感器：压电式加速度传感器又称压电加速度计,在振动测试领域中是应用最广泛的传感器之一。它是利用某些物质如石英晶体的压电效应，在加速度计受振时，质量块加在压电元件上的力也随之变化。当被测振动频率远低于加速度计的固有频率时，则力的变化与被测加速度成正比。（1）压电式加速度传感器结构：常用的压电式加速度传感器的结构形式如图2.1所示。S是弹簧，M是质块
18、，B是基座，P是压电元件，R是夹持环。图2.1 压电式加速度传感器的结构形式图2.1a是中央安 装压缩型，压电元件质量块弹簧系统装在圆形中心支柱上，支柱与基座连接。这种结构有高的共振频率。然而基座B与测试对 象连接时，如果基座B有变形则将直接影响拾振器输出。此外，测试对象和环境温度变化将影响压电元件，并使预紧力发生变化，易引起温度漂移。图2.1b环形剪切型，结构简单，能做成极小型、高共振频率的加速度计，环形质量块粘到装在中心支柱上的环形压电元件上。由于粘结剂会随温度增高而变软，因此最高工作温度受到限制。图2.1c为三角剪切形，压电元件由夹持环将其夹牢在三角形中心柱上。加速度计感受轴向振动时，压
19、电元件承 受切应力。这种结构对底座变形和温度变化有极好的隔离作用，有较高的共振频率和良好的线性。（2）压电式加速度传感器原理：压电式加速度传感器是利用某些物质如石英晶体的压电效应，在加速度计受振时，质量块加在压电元件上的力也随之变化。当被测振动频率远低于加速度计的固有频率时，则力的变化与被测加速度成正比。由于压电式传感器的输出电信号是微弱的电荷，而且传感器本身有很大内阻，故输出能量甚微，这给后接电路带来一定困难。 为此，通常把传感器信号先输到高输入阻抗的前置放大器。经过阻抗变换以后，方可用于一般的放大、检测电路将信号输给指示 仪表或记录器。（3）压电式加速度传感器性能参数：工作温度 -196+
20、200测量范围 0.001800MPa重复性 0.51%FS灵敏度 0.21000PC/MPa非线性 0.31%FS迟滞 1%FS固有频率 75500kHz温度漂移 0.020.5% FS /加速度灵敏度 0.01100MPa/g灵敏度温度系数 0.020.5%/经过对比本设计将会采用2.2.3前置放大器设计声发射前置放大器-声发射前置放大器 （简称前放）置于传感器附近，放大传感器的输出信号，并通过长电缆供主机处理。主要作用为：(1)高阻抗传感器与低阻抗传输电缆之间提供阻抗匹配，以防信号衰减；(2)通过放大微弱的输入信号，以改善与电缆噪音有关的信噪比；(3)通过差动放大，降低由传感器及其电缆引
21、进的共模电噪音；(4)提供频率滤波器。声发射前置放大器-前置放大器的主要性能包括： A、增益：通常提供40dB固定增益。有的还备有20dB和60dB附加增益，以适用不同的用途。 B、频率范围：放大器本身可提供较宽的频率范围，通常约为2kHz1MHz。然而，实际频宽取决于滤波器的选择，包括低通、高通和带通滤波器。 C、噪音：噪音水平取决于晶体管的性能、放大器频宽、输入阻抗和环境因素，而频率范围越宽噪音水平就越高。因而，噪音水平，只有再同一频宽下比较才有意义。 D、动态范围：可用最大输出信号幅度对输出噪音幅度之表示。为适用于宽的信号幅度范围，放大器的动态范围应尽可能大，一般为6085dB。 PXPA声发射前置放大器具有体积小、抗撞击、高带宽、低噪音、完全兼容国际主流声发射仪器等特点，因而在国内声发射行业得到了广泛的应用。实物图如图2.2。图2.1 PXPA声发射前置放大器产品参数：带宽：10kHz到2MHz；增益：40dB；噪音：（输入短路，100到900kHz）1.7uVRMS 10uVpk；尺寸：90*30*55（不包括BNC接口）；重量：320g；接口：BNC Q9；输入方式：单端输入；使用温度：-40至80；供电：+24至28VDC 30mA；特点：体积小、抗撞击、高带宽、低噪音、完全兼容美德仪器。2.2.4传输线路设计
