CN1333265C - 一种声发射检测技术中的声发射源信号反求方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种声发射检测技术中的声发射源信号反求方法及装置，属于声发射检测技术领域。本发明提供了一种声发射源信号反求方法以及所有的专用设备。该方法依据声波在介质中传播的可逆性，利用现有的全波形声发射检测仪和超声发射仪或全波形收发两用声发射仪器将接收到的声发射信号逆向求出声发射源信号，与目前常用的声源信号估计方法相比具有更高的准确度。这对声发射检测技术中判断声发射源的信号特征，从而评估声发射源本身的特征具有重要意义。

Description

一种声发射检测技术中的声发射源信号反求方法及装置

技术领域

本发明涉及一种声发射检测技术中确定声发射源的方法，属于声发射检测技术领域。

背景技术

声发射检测技术是无损检测中的一种重要的方法，与超声等常规无损检测方法相比，声发射检测技术具有三大优点：1)声发射检测的信号来自检测对象本身，因此能够对检测对象实现实时监测；2)检测覆盖面广，对于大型构件，不需要移动传感器做繁杂的扫查操作，只需要布置好足够数量的传感器就可以实现对大型构件的声发射监测；3)应用面广，几乎所有的材料都可以进行声发射检测，并且声发射检测不受检测对象的尺寸、几何形状、工作环境等影响。因此如今声发射检测已经广泛地应用在石油化工工业、电力工业、材料试验、民用工程、航天和航空工业、金属加工、交通运输业等领域，而且应用领域正在生物等领域拓宽。更甚者，在某些场合，如压力容器、油罐等大型构件的在役检测，声发射技术已经成为唯一可行的检测手段。

声发射又称为应力波发射，是材料或零部件受外力作用产生变形、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。在外部条件作用下，固体(材料或零部件)的缺陷或潜在缺陷改变状态而自动发出瞬态弹性波的现象亦称声发射。声发射弹性波能反映出材料或零部件的性质，因此采用检测声发射信号的方法，可以判断材料或零部件的某种状态。

声发射检测的重要功能是确定声发射源的位置，称为源定位，这样可以找到发射声信号的缺陷的位置。源定位的方法常用二维(平面)定位法如图1所示。

二维定位至少需要四个传感器和两组时差，但为得到单一解一般为三组时差。传感器阵列可任意选择，但为运算简便，常采用简单的阵列形式，如三角形、方形、菱形等。近年来，任意三角形阵列及连续多阵列方式也得到应用。就原理而言，波源的位置均为两组或三组双曲线的交点所确定；由四个传感器构成的菱形阵列平面定位原理见附图1。

若由传感器S₁和S₃间的时差Δt_x所得双曲线为1，由传感器S₂和S₁间的时差Δt_y，所得双曲线为2，波源Q离传感器S₁和S₃，S₂和S₄的各距离差分别为Lx和Ly，波速为v，两组传感器间距分别为a和b，那么波源就位于两条双曲线的交点Q(X，Y)上，其坐标可表示为：

$X=\frac{\mathrm{Lx}}{2a}\{\mathrm{Lx}+2\sqrt{{(X-\frac{a}{2})}^2+Y^2}\}$

$Y=\frac{\mathrm{Ly}}{2b}\{\mathrm{Ly}+2\sqrt{{(Y-\frac{b}{2})}^2+X^2}\}$

式中 $\mathrm{Lx}=\stackrel{\‾}{{\mathrm{QS}}_1}-\stackrel{\‾}{{\mathrm{QS}}_3}=\mathrm{\Δtx}\·v$

$\mathrm{Ly}=\stackrel{\‾}{{\mathrm{QS}}_2}-\stackrel{\‾}{{\mathrm{QS}}_4}=\mathrm{\Δty}\·v$

在声发射技术中，除了确定声发射源位置外，运用仪器检测、纪录、分析声发射信号，并利用声发射信号对声发射源的状态作出正确判断是十分重要的。因此如何对声发射信号进行分析和处理来获取有用的声发射源信息是声发射检测技术应用的关键问题。

因为在声发射检测技术中，传感器测到的信号都是声发射源发出的声波经结构介质传播到传感器的声波信号，而由于结构和介质的不同，对声波传播有不同的调制作用，所以至今还不能直接测到从声发射源发出的原始声发射信号。这样，通过对传感器接收到的声发射信号的分析和处理是目前获取声发射源某些信息的唯一有效途径。声发射检测技术最为常用的信号处理方法是声发射参数分析法，通过分析声发射信号的统计特征参数，如：振铃计数、幅度、上升时间、持续时间等获取声发射源的相关信息。该方法的硬件实现容易，至今仍得到广泛地应用。但是由于数据量少，所能提供的信息量有限，对声发射源的信息分析能力也有限。随着现代化工业的发展，声发射检测技术应用领域的拓宽，检测对象的多样化，对声发射检测技术的要求和精度也越高，仅仅依靠几个统计参数进行缺陷判断和结构完整性评估早就无法满足现在工业无损检测的需要，因此如何获取声发射源原始信号成为众所关心的问题。

但是，由于声发射源信号本身具有不确定性、不可预知性、突发瞬态性和多样性等特点，声发射源信号的传播途径受到工件结构多样性的限制，没有固定的模式，因此很难根据接收到的声发射信号从理论上推出声发射源信号及其全部特征。从事声发射技术的科学工作者都试图通过各种方法来根据所获得的声发射信号逆向求解出声发射源信号，但迄今为止尚未获得成功。为此如何根据接收到的声发射信号逆向求出声发射源信号是声发射技术中的关键问题

发明内容

本发明的目的是提供一种声发射检测技术中的声发射源信号反求方法，即根据声发射传感器接接收到的声发射信号逆向求出声发射源信号，这对声发射检测技术中判断声发射源的信号特征，从而评估声发射源本身的特征，满足现在工业无损检测的需要，对发展声发射技术具有重要意义。

本发明的目的是通过如下技术方案实现的：

一种声发射检测技术中的声发射源信号反求方法，其特征在于该方法包括如下步骤：

1)根据工件的几何关系，安装定位传感器S_A、S_B、S_C、S_D、···，并记录各传感器的安装位置A、B、C、D···；

2)利用全波形声发射检测仪器接收声发射信号，存储各定位传感器接收到的信号波形W_A、W_B、W_C···，并计算和判断出声发射信号源的位置X；

3)在计算和判断出的声发射源位置X处附近，至少安装三个声源传感器S_a、S_b、S_c···；

4)对所述的定位传感器得到的信号进行时间反转和幅度补偿，得到信号W_AR、W_BR、W_CR···，再通过定位传感器，利用具有全波形发射能力的超声发射仪在原来位置A、B、C···分别发射W_AR、W_BR、W_CR···，存储安装在声发射源位置X附近的声源传感器S_a、S_b、S_c···各自接收到的信号W_Sa、W_Sb、W_Sc···；

5)再通过声源传感器S_a、S_b、S_c···分别发射波形W_Sa、W_Sb、W_Sc··，记录在A、B、C···位置传感器接收到的信号W_SaA、W_SaB、W_SaC···，  W_SbA、W_SbB、W_SbC···，W_ScA、W_ScB、W_ScC···，与原来接收到的信号波形W_A、W_B、W_C···比较，最相符合的那组信号，该发射传感器的位置就是声发射源的位置，该发射传感器发射的信号波形就是所求的声发射源发射的源信号。

本发明提供了另一种声发射检测技术中的声发射源信号反求方法，其特征在于该方法包括如下步骤：

1)根据工件的几何关系，安装定位传感器S_A、S_B、S_C、S_D···，并记录各传感器的安装位置A、3、C、D···；

2)利用全波形收发两用声发射检测仪器接收声发射信号，存储各定位传感器接收到的信号波形W_A、W_B、W_C···，并计算和判断出声发射信号源的位置X；

3)在计算和判断出的声发射源位置X处附近，至少安装三个声源传感器S_a、S_b、S_c···；

4)对所述的定位传感器得到的信号进行时间反转和幅度补偿，得到信号W_AR、W_BR、W_CR···，再通过定位传感器，利用其发射部分在原来位置A、B、C···分别发射W_AR、W_BR、W_CR···，存储安装在声发射源位置X附近的声源传感器S_a、S_b、S_c···各自接收到的信号W_Sa、W_Sb、W_Sc···；

5)再通过声源传感器S_a、S_b、S_c···分别发射波形W_Sa、W_Sb、W_Sc···，记录在A、B、C···位置传感器接收到的信号W_SaA、W_SaB、W_SaC、···，  W_SbA、W_SbB、W_SbC···，W_ScA、W_ScB、W_ScC···，与原来接收到的信号波形W_A、W_B、W_C···比较，最相符合的那组信号，该发射传感器的位置就是声发射源的位置，该发射传感器发射的信号波形就是所求的声发射源发射的源信号。

本发明还提供了实现上述方法的一种收发两用的声发射检测仪器，其特征在于：该仪器包括信号发射部分、信号接收部分和工控机，三者通过PCI总线互联；所述的信号接收部分包括多个通道，每个通道依次包括定位传感器、前置放大器、程控放大器、滤波器、模数转换器、SRAM存储器、总线控制器以及可编程逻辑控制器，所述的逻辑控制器分别与程控放大器、滤波器、模数转换器、存储器及总线控制器相连；定位传感器接收到信号后，经前置放大和阻抗变换，再利用程控放大器进行放大，经滤波处理，最后进入模数转换环节进行A/D转换，得到的数据存放在SRAM存储器中；采样结束后，采集到的信号通过PCI总线传入到工控机，完成信号的接收与采集，这部分的逻辑控制通过可编程逻辑器实现；所述的信号发射部分包括多个通道，每个通道依次包括PCI总线、SRAM存储器、数模转换器、功率放大器和传感器；工控机将激励信号通过PCI总线传到发射通道的SRAM中，然后启动D/A转换器，产生低能量的激励信号，该信号经过两级功率放大，达到超声激励要求后，驱动传感器实现波形激励发射。

本发明依据声波在介质中传播的可逆性，利用声发射传感器接接收到的声发射信号逆向求出声发射源信号，与目前常用的声源信号估计方法相比具有更高的精度。本发明所提供的仪器集成了常规全波形声发射检测仪的检测功能，而且还集成了超声波形发射，因而可以非常方便的实现本发明的声源定位方法。

附图说明

图1为现有技术中声发射源二维(平面)定位法。

图2为本发明的原理示意图。

图3为全波形收发两用声发射检测仪的总体结构框图。

图4为全波形收发两用声发射检测仪接收部分单通道结构框图。

图5为全波形收发两用声发射检测仪发射部分单通道结构框图。

具体实施方式

图2为本发明的原理示意图。下面结合附图对本发明所提供的声发射源信号反求方法具体实施作进一步的说明。本发明具体实施可以通过2种方式进行：即利用现有仪器组合实现和利用专用的全波形收发两用声发射检测仪实现。

1.用现有仪器组合实现：

利用现有仪器组合实现本发明提供的声发射源信号反求方法，需要用到普通的全波形声发射检测仪和波形激励的超声发射仪，其实现过程如下：

1)根据工件的几何关系，安装并记录各定位传感器位置(假设传感器为S_A、S_B、S_C、S_D，安装的位置A、B、C和D)；

2)利用全波形声发射检测仪器接收声发射信号，存储各定位传感器接收到的信号波形W_A、W_B、W_C和W_D，根据声发射源定位法计算并预判断出声发射信号源的位置X；

3)在计算和判断出的声发射源位置X处附近，根据判定结果安装例如3个声源传感器S_a、S_b、S_c；

4)对所述的定位传感器得到的信号进行时间反转和幅度补偿，得到信号W_AR、W_BR、W_CR、W_CD，再通过定位传感器，利用具有全波形发射能力的超声发射仪在原来位置A、B、C、D分别发射W_AR、W_BR、W_CR、W_CD，存储安装在声发射源位置X附近的声源传感器S_a、S_b、S_c各自接收到的信号W_Sa、W_Sb、W_Sc；

5)通过声源传感器S_a、S_b、S_c分别发射波形W_Sa、W_Sb、W_Sc，记录在A、B、C和D位置传感器接收到的信号W_SaA、W_SaB、W_SaC、W_SaD；W_SbA、W_SbB、W_SbC、W_SbD；W_ScA、W_ScB、W_ScC、W_ScD，与原来接收到的信号波形W_A、W_B、W_C比较，假设得到W_Sa发射时，得到的信号与原来信号最相符，那么位置A为声发射源的位置，而信号W_Sa为声发射源信号。

2.利用全波形收发两用声发射检测仪

上述方法由于设计多台仪器，存在仪器间的匹配和连接问题，在实现过程中会引入额外的误差，为了解决这些问题，本发明还设计了专用的仪器全波形收发两用声发射检测仪来实现，该仪器集成了常规全波形声发射检测仪的检测功能，而且还集成了超声波形发射，因而可以非常方便的实现本发明的声源信号反求方法。

全波形声发射收发两用声发射检测仪由信号接收部分、信号发射部分和工控机组成，各部分通过PCI总线连接。图3为仪器的总体框图。

图4为全波形收发两用声发射检测仪接收部分单通道结构框图。每个通道依次包括定位传感器、前置放大器、程控放大器、滤波器、模数(A/D)转换器、SRAM存储器、总线控制器以及可编程逻辑控制器(CPLD)，所述的逻辑控制器分别与程控放大器、滤波器、模数转换器、存储器及总线控制器相连。

全波形收发两用声发射检测仪接收部分实现如下：定位传感器接收到信号后，经前置放大和阻抗变换，利用程控的对数放大器进行放大，经滤波处理，最后进入模数转换环节进行A/D转换，得到的数据存放在SRAM中；采样结束后，采集到的信号通过PCI总线传入到工控机，完成信号的接收与采集，这部分的逻辑控制通过可编程逻辑器(CPLD)实现。在实际系统中，根据实际要求，仪器的通道数可以增减。

图5为全波形收发两用声发射检测仪发射部分单通道结构框图。每个通道依次包括PCI总线、SRAM存储器、数模(D/A)转换器、功率放大器和传感器。

全波形收发两用声发射检测仪发射部分实现如下：工控机机将激励信号通过PCI总线传到发射通道的SRAM中(为了提高集成度，SRAM用FPGA内部的RAM实现)，然后启动D/A转换器，产生低能量的激励信号，该信号经过两级功率放大，达到超声激励的要求后，驱动探头实现波形激励发射。

利用全波形声发射收发两用声发射检测仪实现本发明声源信号反求方法，其步骤如下：

1)根据工件的几何关系，安装并记录各定位传感器位置(假设传感器为S_A、S_B、S_C、S_D，安装的位置A、B、C和D)；

2)利用全波形收发两用声发射检测仪器接收声发射信号，存储各定位传感器接收到的信号波形W_A、W_B、W_C和W_D，仪器自动根据声发射源定位法计算并预判断出声发射信号源的位置X；

3)在计算和判断出的声发射源位置X处附近，根据判定结果安装例如3个声源传感器S_a、S_b、S_c；

4)仪器会对定位传感器得到的信号进行时间反转和幅度补偿，得到信号W_AR、W_BR、W_CR、W_CD，再通过定位传感器，利用其发射部分在原来位置A、B、C、D分别发射W_AR、W_BR、W_CR、W_CD，存储安装在声发射源位置X附近的声源传感器S_a、S_b、S_c各自接收到的信号W_Sa、W_Sb、W_Sc；

5)通过声源传感器S_a、S_b、S_c分别发射波形W_Sa、W_Sb、W_Sc，记录在A、B、C和D位置传感器接收到的信号W_SaA、W_SaB、W_SaC、W_SaD；W_SbA、W_SbB、W_SbC、W_SbD；W_ScA、W_ScB、W_ScC、W_ScD，与原来接收到的信号波形W_A、W_B、W_C比较，假设得到W_Sa发射时，得到的信号预原来信号最相符，那么位置A为声发射源的位置，而信号W_Sa为声发射源信号。

Claims (3)

1.一种声发射检测技术中的声发射源信号反求方法，其特征在于该方法包括如下步骤：

1)根据工件的几何关系，安装多个定位传感器，并记录各传感器的安装位置；

2)利用全波形声发射检测仪器接收声发射信号，存储各定位传感器接收到的信号波形，并计算和判断出声发射信号源的位置；

3)在计算和判断出的声发射源位置处附近，至少安装三个声源传感器；

4)对所述的定位传感器得到的信号进行时间反转和幅度补偿，得到信号，再通过定位传感器，利用具有全波形发射能力的超声发射仪在原来位置分别发射定位传感器得到的并进行时间反转和幅度补偿的信号，存储安装在声发射源位置附近的声源传感器各自接收到的信号；

5)再通过多个声源传感器分别发射已存储的各自接收到的信号，此时，多个定位传感器记录接收到的信号，与原来接收到的信号波形进行比较，最相符合的那组信号，该声源传感器的位置就是声发射源的位置，该发射传感器发射的信号波形就是所求的声发射源发射的源信号。

2.一种声发射检测技术中的声发射源信号反求方法，其特征在于该方法包括如下步骤：

1)根据工件的几何关系，安装多个定位传感器，并记录各传感器的安装位置；

2)利用全波形收发两用声发射检测仪器接收声发射信号，存储各定位传感器接收到的信号波形，并计算和判断出声发射信号源的位置；

3)在计算和判断出的声发射源位置处附近，至少安装三个声源传感器；

4)对所述的定位传感器得到的信号进行时间反转和幅度补偿，得到多个信号，再通过定位传感器，在原来位置分别发射定位传感器得到的并进行时间反转和幅度补偿的信号，存储安装在声发射源位置附近的声源传感器各自接收到的信号；

5)再通过多个声源传感器分别发射已存储的各自接收到的信号，此时，多个定位传感器记录接收到的信号，与原来接收到的信号波形进行比较，最相符合的那组信号，该发射传感器的位置就是声发射源的位置，该发射传感器发射的信号波形就是所求的声发射源发射的源信号。

3.实施如权利要求2所述方法的一种收发两用的声发射检测仪器，其特征在于：该仪器包括信号发射部分、信号接收部分和工控机，三者通过PCI总线互联；所述的信号接收部分包括多个通道，每个通道依次包括定位传感器、前置放大器、程控放大器、滤波器、模数转换器、SRAM存储器、总线控制器以及可编程逻辑控制器，所述的逻辑控制器分别与程控放大器、滤波器、模数转换器、存储器及总线控制器相连；定位传感器接收到信号后，经前置放大和阻抗变换，再利用程控放大器进行放大，经滤波处理，最后进入模数转换环节进行A/D转换，得到的数据存放在SRAM存储器中；采样结束后，采集到的信号通过PCI总线传入到工控机，完成信号的接收与采集，这部分的逻辑控制通过可编程逻辑器实现；所述的信号发射部分包括多个通道，每个通道依次包括PCI总线、SRAM存储器、数模转换器、功率放大器和传感器；工控机将激励信号通过PCI总线传到发射通道的SRAM中，然后启动D/A转换器，产生低能量的激励信号，该信号经过两级功率放大，达到超声激励要求后，驱动传感器实现波形激励发射。

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