CN107918109A - 一种声发射源的平面定位装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种声发射源的平面定位装置及控制方法，其中，平面定位装置由上位机和多台传感装置组成；传感装置由声传感器、控制模块和存储单元组成；单个传感装置中，声传感器和存储单元均与控制模块连接；各个控制模块均与上位机连接；将其中一个控制模块记为主模块，其余控制模块记为子模块；设子模块数量为n，用1至n的正整数将多个子模块顺次编号，则第i个子模块与第i+1个子模块连接，i=1、2、3......n‑1；主模块分别与多个子模块连接。本发明的有益技术效果是：提出了一种声发射源的平面定位装置及控制方法，该方法不需要昂贵的硬件和复杂的算法，搭建成本较低，应用范围较广，定位精度较高。

Description

一种声发射源的平面定位装置及控制方法

技术领域

本发明涉及一种声发射源平面定位技术，尤其涉及一种声发射源的平面定位装置及控制方法。

背景技术

声发射是指材料表面或者内部的局部区域在外力、内力或温度的影响下，产生塑性变形或有裂纹形成和扩展时，伴随能量迅速释放而产生的瞬态弹性波现象。

声发射源定位是声发射检测的重要项目，现有技术在进行声发射源定位时，大多采用基于时差定位原理的处理方法，这些方法主要有基本互相关法、基于LMS自适应时延估计法和二次相关法等；这些方法的共同点是两个传感器之间的声发射信号的时延估计是通过对两路声发射原始信号进行复杂的处理与计算得到，时延估计的结果由两路信号共同决定，要求信号具有较高的相似度，且要求传感器的各项参数一致，因此对硬件一致性的要求较高，然而在工程应用中，不同传感器的参数不可能完全一致，并且声波在材料中并不总是以一种模式传播，且在传播过程中存在衰减、反射等，易在传播过程中产生畸变，会发生较大的变化，这将导致基于传统时延估计的方法存在无法避免的误差，此外，目前的声发射测量设备大都为一体式的设备，体积较为庞大，且价格昂贵，不利于组成分布式的测量网络，更不适合于野外勘探。

发明内容

针对背景技术中的问题，本发明提出了一种声发射源的平面定位装置，其创新在于：所述平面定位装置由上位机和多台传感装置组成；所述传感装置由声传感器、控制模块和存储单元组成；单个传感装置中，声传感器和存储单元均与控制模块连接；各个传感装置的控制模块均与上位机连接；所述存储单元内设置了两个存储区域，其中一个存储区域记为数据暂存区，另一个存储区域记为有效存储区；所述多个传感装置分散布置；将其中一个控制模块记为主模块，其余控制模块记为子模块；设子模块数量为n，用1至n的正整数将多个子模块顺次编号，则第i个子模块与第i+1个子模块连接，i＝1、2、3......n-1；主模块分别与多个子模块连接。其中，控制模块可采用单片机和FPGA所构成的电路板来实现，存储单元可采用在FPGA内划分存储空间的方式来实现；

前述平面定位装置所采用的硬件均为现有技术中的常见装置，平面定位装置对硬件要求较低，硬件体积较小，易于布设，十分适合野外作业，而且硬件成本较低，适合大范围布设。

基于前述方案，本发明还提出了一种声发射源的平面定位装置的控制方法，所述平面定位装置如前所述；具体的控制方法包括：所述控制方法包括：设数据暂存区内的存储单元的地址跨度为0到M，有效存储区内的存储单元的地址跨度为0到N，N>M；

平面定位装置上电后，所述声传感器进行高频率的连续采样，并将采样得到的检测信号实时传输至相应的控制模块；

所述控制模块按如下方式对检测信号进行实时处理：

1)控制模块内预置有一阈值电压(设置阈值电压的目的是为了排除噪声干扰)，刚开始时，控制模块处于空闲状态；收到检测信号后，控制模块先将检测信号与阈值电压进行比较：若检测信号小于阈值电压，则控制模块继续保持在空闲状态并进入步骤2)；若检测信号大于阈值电压，则控制模块切换至捕获状态并进入步骤3)；

2)控制模块将检测信号传输至数据暂存区，数据暂存区将检测信号依序存储至地址0到M所对应的存储单元中；返回步骤1)；

3)设数据暂存区当前的存储地址为k，k＜M；控制模块将有效存储区当前的存储地址设为k，进入步骤4)；

4)控制模块将当前的检测信号传输至有效存储区；对于后续收到的检测信号，控制模块不再将其与阈值电压进行比较，直接将后续收到的检测信号传输至有效存储区；有效存储区收到检测信号后，将检测信号依序存储至地址k到N所对应的存储单元中；待有效存储区的存储空间被占满后，进入步骤5)；

5)此时数据暂存区内仅有地址0到k-1所对应的存储单元被占用，有效存储区中仅有地址k到N所对应的存储单元被占用；数据暂存区中地址0到k-1的存储单元存储的检测信号记为无效信号；控制模块将所述无效信号从数据暂存区内取出并传输至有效存储区，有效存储区将无效信号存储至地址0到k所对应的存储单元中；然后，控制模块将有效存储区内存储的所有检测信号依序传输至上位机；然后，控制模块将数据暂存区的当前存储地址置0，同时，控制模块切换至空闲状态并返回步骤1)；

平面定位装置运行过程中，若主模块处于空闲状态，则主模块周期性地向各个子模块发送复位信号；若主模块处于捕获状态，则停止发送复位信号；主模块发送复位信号的同时，将自身所辖的数据暂存区的当前存储地址置0，并重新进行步骤1)的操作；若子模块在空闲状态下收到复位信号，子模块将数据暂存区的当前存储地址置0，并重新进行步骤1)的操作；若子模块在捕获状态下收到复位信号，则子模块对复位信号不予理会；

声发射信号出现后，若最先识别出声发射信号的控制模块为主模块，则主模块向多个子模块同步发出捕获命令；若最先识别出声发射信号的控制模块为某一子模块，则相应子模块向主模块发出触发信号，主模块收到触发信号后，向多个子模块同步输出捕获命令；

若子模块在空闲状态下收到捕获命令，则子模块直接切换至捕获状态并开始进行步骤3)的操作；若子模块在捕获状态下收到捕获命令，则子模块对捕获命令不予理会。

前述控制方法的原理是：本发明的最终目的是为了实现声发射源平面定位，基于现有技术可知，在声传感器布设位置已知、多个声传感器相对位置已知以及声信号传播速度已知的条件下，只要知道声发射源到各个声传感器的距离，就能通过几何运算或双曲线定位法、Geiger迭代定位法等方法计算出声发射源的位置，显然，如何精确得到声发射源到各个声传感器的距离就是解决问题的关键；基于现有技术可知，在传输距离不大的情况下，电信号的传输时延不仅远远小于声信号的传输时延，而且几乎可以忽略不计，而且相应电子器件的动作时延也几乎可以忽略不计，于是发明人考虑通过数据存储地址来精确标定各个传感装置捕获到声发射信号的时刻，根据前述的时刻，我们就能精确计算出各个传感装置捕获到声发射信号的时间差，再结合相应算法，就能精确地定位出声发射源的位置；

具体来说，本发明中的数据暂存区和有效存储区相当于是2个“计时器”，在器件参数已知的情况下，多次存储操作的时间跨度是可以计算出的；在空闲状态下，数据暂存区将检测信号按地址顺序连续地存储在存储单元中，控制模块切换为捕获状态时，数据暂存区的当前存储地址就形成了一个“时刻标记”，由于主模块在周期性地发送复位信号，可以认为，主模块每次发出复位信号后，所有控制模块都同时将相应的数据暂存区地址置0了，这就确保了各个数据暂存区“计时基准”的统一；当某一子模块识别出声发射信号时，其会发出触发信号，主模块收到触发信号后，会向多个子模块同步输出捕获命令(若最先识别出声发射信号的控制模块是主模块，则主模块直接发出捕获命令)，由于电信号的传输时间和电子器件的动作时间都极短，可以认为所有控制模块是在相同时刻进入捕获状态的；为了便于阐述，将某次操作中，最先识别出声发射信号的控制模块记为基准模块，将其余控制模块记为参考模块，由于声信号的传输时延相对较大，虽然基准模块和参考模块同时切换为捕获状态，但参考模块接收到声发射信号的时间必然晚于基准模块，而且由于位置不同，不同参考模块接收到声发射信号的时间也可能各不相同；后续处理时，我们可以根据参考模块的输出信号确定出参考模块究竟是在什么时刻接收到声发射信号的(与普通的噪声信号相比，声发射信号的能量较大，从有效存储区最终输出的信号中很容易就能识别出，而且声发射信号在有效存储区中第一次出现时的存储地址也是可以知道的，通过计算声发射信号第一次出现时的存储地址与“时刻标记”所对应的存储地址的跨度，就能计算出参考模块捕捉到声发射信号的精确时刻)，由于基准模块和参考模块的“计时基准”和“时刻标记”在时间上具有同步性，我们就可以精确地计算出各个传感装置捕获到声发射信号的时间差，再结合相应算法，我们就能精确地定位出声发射源的位置。

本发明的复位信号、触发信号和捕获命令均采用底层硬件实现，相比于软件控制，采用底层硬件实现方式，耗时更短，精确度更高，同步性也更好；相比于进口设备，本发明对硬件要求较低，组网十分方便，可以大量布设，而且数据处理十分方便，不需要复杂的算法，更为有意义的是，本发明的时间精度较高，可以保证定位的准确性。

本发明的有益技术效果是：提出了一种声发射源的平面定位装置及控制方法，该方法不需要昂贵的硬件和复杂的算法，搭建成本较低，应用范围较广，定位精度较高。

附图说明

图1、上位机与传感装置连接关系示意图；

图2、传感装置电气原理示意图；

图3、各个控制模块连接关系示意图；

图中各个标记所对应的名称分别为：上位机1、传感装置2、声传感器2-1、控制模块2-2、存储单元2-3、主模块A、子模块B。

具体实施方式

一种声发射源的平面定位装置，其创新在于：所述平面定位装置由上位机1和多台传感装置2组成；所述传感装置2由声传感器2-1、控制模块2-2和存储单元2-3组成；单个传感装置2中，声传感器2-1和存储单元2-3均与控制模块2-2连接；各个传感装置2的控制模块2-2均与上位机1连接；所述存储单元2-3内设置了两个存储区域，其中一个存储区域记为数据暂存区，另一个存储区域记为有效存储区；所述多个传感装置2分散布置；将其中一个控制模块2-2记为主模块，其余控制模块2-2记为子模块；设子模块数量为n，用1至n的正整数将多个子模块顺次编号，则第i个子模块与第i+1个子模块连接，i＝1、2、3......n-1；主模块分别与多个子模块连接。

一种声发射源的平面定位装置的控制方法，所述平面定位装置由上位机1和多台传感装置2组成；所述传感装置2由声传感器2-1、控制模块2-2和存储单元2-3组成；单个传感装置2中，声传感器2-1和存储单元2-3均与控制模块2-2连接；各个传感装置2的控制模块2-2均与上位机1连接；所述存储单元2-3内设置了两个存储区域，其中一个存储区域记为数据暂存区，另一个存储区域记为有效存储区；所述多个传感装置2分散布置；将其中一个控制模块2-2记为主模块，其余控制模块2-2记为子模块；设子模块数量为n，用1至n的正整数将多个子模块顺次编号，则第i个子模块与第i+1个子模块连接，i＝1、2、3......n-1；主模块分别与多个子模块连接；其创新在于：

所述控制方法包括：设数据暂存区内的存储单元的地址跨度为0到M，有效存储区内的存储单元的地址跨度为0到N，N>M；

平面定位装置上电后，所述声传感器2-1进行高频率的连续采样，并将采样得到的检测信号实时传输至相应的控制模块2-2；

所述控制模块2-2按如下方式对检测信号进行实时处理：

1)控制模块2-2内预置有一阈值电压，刚开始时，控制模块2-2处于空闲状态；收到检测信号后，控制模块2-2先将检测信号与阈值电压进行比较：若检测信号小于阈值电压，则控制模块2-2继续保持在空闲状态并进入步骤2)；若检测信号大于阈值电压，则控制模块2-2切换至捕获状态并进入步骤3)；

2)控制模块2-2将检测信号传输至数据暂存区，数据暂存区将检测信号依序存储至地址0到M所对应的存储单元中；返回步骤1)；

3)设数据暂存区当前的存储地址为k，k＜M；控制模块2-2将有效存储区当前的存储地址设为k，进入步骤4)；

4)控制模块2-2将当前的检测信号传输至有效存储区；对于后续收到的检测信号，控制模块2-2不再将其与阈值电压进行比较，直接将后续收到的检测信号传输至有效存储区；有效存储区收到检测信号后，将检测信号依序存储至地址k到N所对应的存储单元中；待有效存储区的存储空间被占满后，进入步骤5)；

5)此时数据暂存区内仅有地址0到k-1所对应的存储单元被占用，有效存储区中仅有地址k到N所对应的存储单元被占用；数据暂存区中地址0到k-1的存储单元存储的检测信号记为无效信号；控制模块2-2将所述无效信号从数据暂存区内取出并传输至有效存储区，有效存储区将无效信号存储至地址0到k所对应的存储单元中；然后，控制模块2-2将有效存储区内存储的所有检测信号依序传输至上位机1；然后，控制模块2-2将数据暂存区的当前存储地址置0，同时，控制模块2-2切换至空闲状态并返回步骤1)；

平面定位装置运行过程中，若主模块处于空闲状态，则主模块周期性地向各个子模块发送复位信号；若主模块处于捕获状态，则停止发送复位信号；主模块发送复位信号的同时，将自身所辖的数据暂存区的当前存储地址置0，并重新进行步骤1)的操作；若子模块在空闲状态下收到复位信号，子模块将数据暂存区的当前存储地址置0，并重新进行步骤1)的操作；若子模块在捕获状态下收到复位信号，则子模块对复位信号不予理会；

声发射信号出现后，若最先识别出声发射信号的控制模块2-2为主模块，则主模块向多个子模块同步发出捕获命令；若最先识别出声发射信号的控制模块2-2为某一子模块，则相应子模块向主模块发出触发信号，主模块收到触发信号后，向多个子模块同步输出捕获命令；

若子模块在空闲状态下收到捕获命令，则子模块直接切换至捕获状态并开始进行步骤3)的操作；若子模块在捕获状态下收到捕获命令，则子模块对捕获命令不予理会。

Claims (2)

1.一种声发射源的平面定位装置，其特征在于：所述平面定位装置由上位机(1)和多台传感装置(2)组成；所述传感装置(2)由声传感器(2-1)、控制模块(2-2)和存储单元(2-3)组成；单个传感装置(2)中，声传感器(2-1)和存储单元(2-3)均与控制模块(2-2)连接；各个传感装置(2)的控制模块(2-2)均与上位机(1)连接；所述存储单元(2-3)内设置了两个存储区域，其中一个存储区域记为数据暂存区，另一个存储区域记为有效存储区；所述多个传感装置(2)分散布置；将其中一个控制模块(2-2)记为主模块，其余控制模块(2-2)记为子模块；设子模块数量为n，用1至n的正整数将多个子模块顺次编号，则第i个子模块与第i+1个子模块连接，i＝1、2、3......n-1；主模块分别与多个子模块连接。

2.一种声发射源的平面定位装置的控制方法，所述平面定位装置由上位机(1)和多台传感装置(2)组成；所述传感装置(2)由声传感器(2-1)、控制模块(2-2)和存储单元(2-3)组成；单个传感装置(2)中，声传感器(2-1)和存储单元(2-3)均与控制模块(2-2)连接；各个传感装置(2)的控制模块(2-2)均与上位机(1)连接；所述存储单元(2-3)内设置了两个存储区域，其中一个存储区域记为数据暂存区，另一个存储区域记为有效存储区；所述多个传感装置(2)分散布置；将其中一个控制模块(2-2)记为主模块，其余控制模块(2-2)记为子模块；设子模块数量为n，用1至n的正整数将多个子模块顺次编号，则第i个子模块与第i+1个子模块连接，i＝1、2、3......n-1；主模块分别与多个子模块连接；其特征在于：

所述控制方法包括：设数据暂存区内的存储单元的地址跨度为0到M，有效存储区内的存储单元的地址跨度为0到N，N>M；

所述平面定位装置上电后，所述声传感器(2-1)进行高频率的连续采样，并将采样得到的检测信号实时传输至相应的控制模块(2-2)；

所述控制模块(2-2)按如下方式对检测信号进行实时处理：

1)控制模块(2-2)内预置有一阈值电压，刚开始时，控制模块(2-2)处于空闲状态；收到检测信号后，控制模块(2-2)先将检测信号与阈值电压进行比较：若检测信号小于阈值电压，则控制模块(2-2)继续保持在空闲状态并进入步骤2)；若检测信号大于阈值电压，则控制模块(2-2)切换至捕获状态并进入步骤3)；

2)控制模块(2-2)将检测信号传输至数据暂存区，数据暂存区将检测信号依序存储至地址0到M所对应的存储单元中；返回步骤1)；

3)设数据暂存区当前的存储地址为k，k＜M；控制模块(2-2)将有效存储区当前的存储地址设为k，进入步骤4)；

4)控制模块(2-2)将当前的检测信号传输至有效存储区；对于后续收到的检测信号，控制模块(2-2)不再将其与阈值电压进行比较，直接将后续收到的检测信号传输至有效存储区；有效存储区收到检测信号后，将检测信号依序存储至地址k到N所对应的存储单元中；待有效存储区的存储空间被占满后，进入步骤5)；

5)此时数据暂存区内仅有地址0到k-1所对应的存储单元被占用，有效存储区中仅有地址k到N所对应的存储单元被占用；数据暂存区中地址0到k-1的存储单元存储的检测信号记为无效信号；控制模块(2-2)将所述无效信号从数据暂存区内取出并传输至有效存储区，有效存储区将无效信号存储至地址0到k所对应的存储单元中；然后，控制模块(2-2)将有效存储区内存储的所有检测信号依序传输至上位机(1)；然后，控制模块(2-2)将数据暂存区的当前存储地址置0，同时，控制模块(2-2)切换至空闲状态并返回步骤1)；

平面定位装置运行过程中，若主模块处于空闲状态，则主模块周期性地向各个子模块发送复位信号；若主模块处于捕获状态，则停止发送复位信号；主模块发送复位信号的同时，将自身所辖的数据暂存区的当前存储地址置0，并重新进行步骤1)的操作；若子模块在空闲状态下收到复位信号，子模块将数据暂存区的当前存储地址置0，并重新进行步骤1)的操作；若子模块在捕获状态下收到复位信号，则子模块对复位信号不予理会；

声发射信号出现后，若最先识别出声发射信号的控制模块(2-2)为主模块，则主模块向多个子模块同步发出捕获命令；若最先识别出声发射信号的控制模块(2-2)为某一子模块，则相应子模块向主模块发出触发信号，主模块收到触发信号后，向多个子模块同步输出捕获命令；

若子模块在空闲状态下收到捕获命令，则子模块直接切换至捕获状态并开始进行步骤3)的操作；若子模块在捕获状态下收到捕获命令，则子模块对捕获命令不予理会。