CN220773260U - 一种多通道声发射采集系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种多通道声发射采集系统，涉及声发射信号处理技术领域，包括声发射传感器阵列、声发射放大器、声发射采集器，声发射传感器使用低噪声信号线连接声发射放大器通道，声发射放大器通道通过同轴电缆和声发射采集器通道连接。本实用新型根据互易原理对现场已经装配固定好的传感器的灵敏度标定和声源定位检测，实现了声发射采集系统的功能自检和性能校准。

Description

一种多通道声发射采集系统

技术领域

本实用新型涉及声发射信号处理技术领域，尤其涉及一种多通道声发射采集系统。

背景技术

声发射采集系统在监测目标的不同位置部署多个声发射传感器，同时采集声发射信号，可监测较大范围的目标区域。对于目标区域内单一声发射源，系统可以根据各采集点信号的前沿时间差和信号相关性来定位，声发射信号的强度差异也能反映声波的路径衰减。

声发射采集系统在测试前需要进行调试，验证其功能和检测性能；声发射采集系统在现场安装部署，其灵敏度和定位精度受声发射传感器安装位置、固定方式的影响，在其长达数月到数年的工作周期，需要定期检查并校准。

由于声发射信号在正常状态不会产生，校准需要采用在被检构件上发射机械波的模拟声发射信号。声发射信号的模拟发生装置常用的有两种，一种是用电子信号发生器驱动声发射换能器产生机械波，另一种是在测试点上折断铅笔芯的方式来产生机械波。

灵敏度校准的目的是确认声发射传感器声学耦合换能效率及检测放大电路的一致性，即测量从声发射传感器到声发射采集器整个信道的系统增益、相位变化和系统时延。先对传感器灵敏度校准，再进行采集器的校准，在相同的激励条件下实现尽可能一致的输出。

定位校准的目的是验证声发射源位置的确定性，一般通过测量信号强度、时差，根据声速及信号相关性来确定声源位置。定位校准的最终结果为，所加模拟信号应被一个定位阵列所接收，并提供唯一的定位解析，区域定位时，应至少被二个传感器接收到。校准过程中，改变声发射源的位置、交换源点、接收点的位置可减小路径衰减和多径效应对定位精度的影响。

连续声发射信号更容易实现灵敏度校准，突发声发射（脉冲）信号便于实现定位计算。

现有的声发射采集系统通常需要借助专用的声发射信号发生器或实验装置作为声发射源，依靠实验人员操作，对系统进行验证和校准，难以在工业现场应用部署中实现，更不能在野外部署期间实施校验。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种多通道声发射采集系统。

实用新型内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本实用新型所要解决的技术问题是如何实现声发射采集系统的功能自检和性能校准，包括传感器在内的信号灵敏度、定位精度。

发明人分析，声发射传感器也可作为换能器使用，基于互易原理：一个线性、无源、可逆的换能器用作接收器时的电压灵敏度和用作发射器时的发送响应之比与换能器本身结构无关。利用这一原理，对于已知灵敏度的声发射传感器，通过电信号激励声发射传感器的方式产生声发射信号，用未知灵敏度的声发射传感器接收这一声发射信号，输出的电信号可以用于计算其灵敏度。已知灵敏度和响应特性的多个声发射传感器，轮流使用其中一只作为换能器，输入相同的模拟声发射激励信号，产生声发射信号，被其他声发射传感器同时接收，通过对各声发射传感器输出电信号之间的前沿时间、幅度、相位差异，可以定性分析传感器的耦合程度、与发射源之间的路径衰减，进而确定相对位置。

本实用新型的一个实施例中，提供了一种多通道声发射采集系统，包括：

声发射传感器阵列，接收声发射信号，包括R个声发射传感器，满足互易原理；

声发射放大器，包括S个声发射放大器通道和1个模拟声发射信号通道，对声发射信号放大，滤除噪声和带外信号，放大激励信号并输出；

声发射采集器，包括T个声发射采集器通道，将采集的声发射信号转换为数字信号，并进行数据处理和分析；

其中R、S、T为大于0的整数，R不大于S，S和T大于1；

声发射传感器使用低噪声信号线连接声发射放大器通道，声发射放大器通道通过同轴电缆和声发射采集器通道连接。

可选地，在上述实施例中的多通道声发射采集系统中，声发射传感器阵列中的声发射传感器型号规格相同。

进一步地，在上述实施例中的多通道声发射采集系统中，声发射传感器为压电陶瓷声发射传感器。

可选地，在上述任一实施例中的多通道声发射采集系统中，声发射放大器包括壳体、一个模拟声发射信号通道、S个声发射放大器通道、S个声发射传感器接口和信号输出接口，声发射传感器接口和信号输出接口设置在壳体表面。

进一步地，在上述实施例中的多通道声发射采集系统中，声发射放大器的壳体使用铝合金材料。

优选地，在上述实施例中的多通道声发射采集系统中，声发射放大器通道的数量S为4个。

优选地，在上述任一实施例中的多通道声发射采集系统中，每个声发射放大器通道的结构和性能相同。

可选地，在上述任一实施例中的多通道声发射采集系统中，模拟声发射信号通道包括信号发生器、功率放大器和输入口，功率放大器连接输入口接收激励信号。

可选地，在上述实施例中的多通道声发射采集系统中，功率放大器连接信号发生器，接收信号发生器产生的模拟声发射信号。

可选地，在上述实施例中的多通道声发射采集系统中，声发射放大器通道包括继电器、一级放大器、滤波器、二级放大器、信号电源混合器和主接口，继电器设置动触点、常开触点、常闭触点和电磁线圈，继电器的动触点通过声发射传感器接口连接声发射传感器，继电器的常开触点连接一级放大器的输入端，继电器的常闭触点连接功率放大器的输出端，继电器的电磁线圈连接到信号电源混合器的电源输出端；一级放大器的输出端与滤波器的输入端连接，滤波器的输出端与二级放大器的输入端连接，二级放大器的输出通过信号电源混合器将信号耦合到馈电电源线；一级放大器对声发射传感器输入的信号电压放大，二级放大器对一级放大器的输出电压提供足够的负载电流驱动能力；信号电源混合器为继电器、一级放大器和二级放大器提供工作电流，信号电源混合器连接主接口接收馈电，主接口是信号输出、馈电输入功能二合一。

可选地，在上述任一实施例中的多通道声发射采集系统中，声发射放大器采用幻象电源供电方式。

进一步地，在上述实施例中的多通道声发射采集系统中，声发射放大器通道包括独立的外部幻象电源馈电的信号和电源共用电路，当给声发射放大器通道馈电时，继电器将声发射传感器连接一级放大器，对外输出经过放大的声发射电信号；当没有给声发射放大器通道馈电时，继电器将声发射传感器连接功率放大器，声发射传感器作为换能器，激励信号注入声发射传感器产生声发射机械波，即模拟声发射信号。

可选地，在上述实施例中的多通道声发射采集系统中，声发射采集器包括一个激励信号发生器、T个声发射采集器通道，声发射采集器通道包括馈电开关，激励信号发生器产生激励信号，连接声发射放大器的输入口，激励信号为模拟声发射信号，幅度可调；馈电开关与声发射放大器通道相对应，馈电开关闭合时，对声发射放大器通道提供直流电源。

进一步地，在上述实施例中的多通道声发射采集系统中，声发射采集器控制馈电开关，馈电开关打开，给声发射放大器通道馈电，声发射放大器通道处于信号放大模式；关闭馈电开关，没有给声发射放大器通道馈电，声发射传感器作为换能器接收激励信号，产生声发射机械波。

进一步地，在上述实施例中的多通道声发射采集系统中，声发射采集器接收声发射放大器的输出信号，进行数字化处理，计算幅度和前沿时间。

进一步地，在上述实施例中的多通道声发射采集系统中，声发射采集器利用互易原理计算各声发射传感器的接收灵敏度，利用时差定位法计算声发射传感器之间的相对位置，检验声源定位精度。

发明人设计了多通道声发射采集系统的自检过程，以包含四个声发射传感器，四个声发射放大器通道和四个声发射采集器通道的多通道声发射采集系统为例，四个声发射传感器，即声发射传感器一、声发射传感器二、声发射传感器三和声发射传感器四，四个声发射放大器通道，即声发射放大器通道一、声发射放大器通道二、声发射放大器通道三和声发射放大器通道四，四个声发射采集器通道即声发射采集器通道一、声发射采集器通道二、声发射采集器通道三和声发射采集器通道四；每个声发射放大器通道中的器件编号和声发射放大器通道编号一致，即声发射放大器通道一中的继电器为继电器一、每个声发射采集器通道中的器件编号和声发射采集器通道编号一致，即声发射采集器通道一的馈电开关为馈电开关一。多通道声发射采集系统的自检过程包括：

S100、声发射传感器阵列、声发射传感器和声发射采集器依次连接，即声发射采集器通道一连接声发射放大器通道一，声发射放大器通道一连接声发射传感器一，声发射放大器中的模拟声发射信号通道连接声发射传感器中的激励信号发生器，其他声发射传感器、声发射放大器和声发射采集器通道以此类推；

S200、断开馈电开关一，模拟声发射信号经功率放大器放大，通过继电器一的常闭触点输入声发射传感器一，声发射传感器一作为换能器使用，产生声发射机械波；发射采集器控制馈电开关二、馈电开关三、馈电开关四打开，继电器二、继电器三、继电器四吸合，同时分别给一级放大器二、一级放大器三、一级放大器四供电，声发射传感器二、声发射传感器三、声发射传感器四接收声发射传感器一产生的声发射信号，分别输出到一级放大器二、一级放大器三、一级放大器四；一级放大器二输出的脉冲信号电压幅度为RS1V2，一级放大器三输出的脉冲信号电压幅度为RS1V3，一级放大器四输出的脉冲信号电压幅度为RS1V4；将脉冲信号作为模拟声发射信号，脉冲信号前沿时间记为0，一级放大器二输出的脉冲信号前沿时间为RS1T2，一级放大器三输出的脉冲信号前沿时间为RS1T3，一级放大器四输出的脉冲信号前沿时间为RS1T4；

S300、馈电开关二断开，馈电开关一、馈电开关三、馈电开关四闭合，输出电压驱动继电器一、继电器三、继电器四吸合，同时对一级放大器一、一级放大器三、一级放大器四供电；模拟声发射信号经功率放大器放大后，通过继电器二的常闭触点驱动声发射传感器二产生声发射机械波，声发射传感器一、声发射传感器三、声发射传感器四接收到这一机械波后，分别输入一级放大器一、一级放大器三、一级放大器四；一级放大器一输出的脉冲信号电压幅度为RS2V1，一级放大器三输出的脉冲信号电压幅度为RS2V3，一级放大器四输出的脉冲信号电压幅度为RS2V4；将脉冲信号作为模拟声发射信号，脉冲信号前沿时间记为0，一级放大器一输出的脉冲信号前沿时间为RS2T1，一级放大器三输出的脉冲信号前沿时间为RS2T3，一级放大器四输出的脉冲信号前沿时间为RS2T4；

S400、根据步骤S200和S300的结果，利用互易原理计算各声发射传感器的信道接收灵敏度，接收灵敏度差异反映声发射信号路径衰减和传感器耦合效果的差异；利用时差定位法计算声各发射传感器之间的相对位置，用已知的部署位置加以验证，检验声发射采集系统的声源定位精度；

S500、参照S200-S400，依次断开馈电开关三和馈电开关四，分别以声发射传感器三、声发射传感器四作为换能器，测量其他一级放大器输出的脉冲信号的电压幅度和前沿时间，检验所有声发射传感器的接收灵敏度和相对位置。

本实用新型利用声发射传感器逆压电效应，使声发射放大器的一个通道连接的声发射传感器作为换能器输出，为其他声发射放大器的通道提供声发射检测信号，经过数模转换、放大后换能输出，其他声发射传感器接收信号放大处理后，根据互易原理对现场已经装配固定好的传感器的灵敏度标定和声源定位检测，实现了声发射采集系统的功能自检和性能校准。

以下将结合附图对本实用新型的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本实用新型的目的、特征和效果。

附图说明

图1是图示根据示例性实施例的多通道声发射采集系统的组成示意图；

图2是图示根据示例性实施例的多通道声发射采集系统的连接示意图。

具体实施方式

以下参考说明书附图介绍本实用新型的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本实用新型可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本实用新型的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。

在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本实用新型并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方示意性地适当夸大了部件的厚度。

发明人设计了一种多通道声发射采集系统，如图1所示，包括：

声发射传感器阵列，接收声发射信号，包括R个声发射传感器，满足互易原理，R=4，声发射传感器型号规格相同，选择压电陶瓷声发射传感器；

声发射放大器，如图2所示，包括S个声发射放大器通道和1个模拟声发射信号通道，对声发射信号放大，滤除噪声和带外信号，放大激励信号并输出，S=4，每个声发射放大器通道的结构和性能相同，模拟声发射信号通道包括信号发生器、功率放大器和输入口，功率放大器连接输入口接收激励信号，功率放大器连接信号发生器，接收信号发生器产生的模拟声发射信号；声发射放大器还包括壳体、4个声发射传感器接口和信号输出接口，声发射放大器通道的接口和信号输出接口设置在壳体表面，壳体使用铝合金材料；声发射放大器通道包括继电器、一级放大器、滤波器、二级放大器、信号电源混合器和主接口，继电器设置动触点、常开触点、常闭触点和电磁线圈，继电器的动触点通过声发射传感器接口连接声发射传感器，继电器的常开触点连接一级放大器的输入端，继电器的常闭触点连接功率放大器的输出端，继电器的电磁线圈连接到信号电源混合器的电源输出端；一级放大器的输出端与滤波器的输入端连接，滤波器的输出端与二级放大器的输入端连接，二级放大器的输出通过信号电源混合器将信号耦合到馈电电源线；一级放大器对声发射传感器输入的信号电压放大，二级放大器对一级放大器的输出电压提供足够的负载电流驱动能力；信号电源混合器为继电器、一级放大器和二级放大器提供工作电流，信号电源混合器连接主接口接收馈电，主接口是信号输出、馈电输入功能二合一；声发射放大器采用幻象电源供电方式，声发射放大器通道包括独立的外部幻象电源馈电的信号和电源共用电路，当给声发射放大器通道馈电时，继电器将声发射传感器连接一级放大器，对外输出经过放大的声发射电信号；当没有给声发射放大器通道馈电时，继电器将声发射传感器连接功率放大器，声发射传感器作为换能器，激励信号注入声发射传感器产生声发射机械波，即模拟声发射信号；

声发射采集器，包括T个声发射采集器通道和1个激励信号发生器，将采集的声发射信号转换为数字信号，并进行数据处理和分析，T=4；声发射采集器通道包括馈电开关，激励信号发生器产生激励信号，连接声发射放大器的输入口，激励信号为模拟声发射信号，幅度可调；馈电开关与声发射放大器通道相对应，馈电开关闭合时，对声发射放大器通道提供直流电源；声发射采集器控制馈电开关，馈电开关打开，给声发射放大器通道馈电，声发射放大器通道处于信号放大模式；关闭馈电开关，没有给声发射放大器通道馈电，声发射传感器作为换能器接收激励信号，产生声发射机械波；声发射采集器接收声发射放大器的输出信号，进行数字化处理，计算幅度和前沿时间，利用互易原理计算各声发射传感器的接收灵敏度，利用时差定位法计算声发射传感器之间的相对位置，检验声源定位精度；

声发射传感器使用低噪声信号线连接声发射放大器通道，声发射放大器通道通过同轴电缆和声发射采集器通道连接。

基于上述实施例，发明人设计了多通道声发射采集系统的自检过程，声发射传感器阵列包括四个声发射传感器，声发射放大器包括四个声发射放大器通道和一个模拟声发射信号通道，声发射传感器包括四个声发射传感器通道和一个激励信号发生器；四个声发射传感器，即声发射传感器一、声发射传感器二、声发射传感器三和声发射传感器四，四个声发射放大器通道，即声发射放大器通道一、声发射放大器通道二、声发射放大器通道三和声发射放大器通道四，四个声发射采集器通道即声发射采集器通道一、声发射采集器通道二、声发射采集器通道三和声发射采集器通道四；每个声发射放大器通道中的器件编号和声发射放大器通道编号一致，即声发射放大器通道一中的继电器为继电器一，声发射放大器通道二中的继电器为继电器二，以此类推；每个声发射采集器通道中的器件编号和声发射采集器通道编号一致，即声发射采集器通道一的馈电开关为馈电开关一，声发射采集器通道二的馈电开关为馈电开关二，以此类推。多通道声发射采集系统的自检过程包括：

S100、声发射传感器阵列、声发射传感器和声发射采集器依次连接，如图2所示，即声发射采集器通道一连接声发射放大器通道一，声发射放大器通道一连接声发射传感器一，声发射放大器中的模拟声发射信号通道连接声发射传感器中的激励信号发生器，其他声发射传感器、声发射放大器和声发射采集器通道以此类推；

S200、断开馈电开关一，模拟声发射信号经功率放大器放大，通过继电器一的常闭触点输入声发射传感器一，声发射传感器一作为换能器使用，产生声发射机械波；发射采集器控制馈电开关二、馈电开关三、馈电开关四打开，继电器二、继电器三、继电器四吸合，同时分别给一级放大器二、一级放大器三、一级放大器四供电，声发射传感器二、声发射传感器三、声发射传感器四接收声发射传感器一产生的声发射信号，分别输出到一级放大器二、一级放大器三、一级放大器四；一级放大器二输出的脉冲信号电压幅度为RS1V2，一级放大器三输出的脉冲信号电压幅度为RS1V3，一级放大器四输出的脉冲信号电压幅度为RS1V4；将脉冲信号作为模拟声发射信号，脉冲信号前沿时间记为0，一级放大器二输出的脉冲信号前沿时间为RS1T2，一级放大器三输出的脉冲信号前沿时间为RS1T3，一级放大器四输出的脉冲信号前沿时间为RS1T4；

S300、馈电开关二断开，馈电开关一、馈电开关三、馈电开关四闭合，输出电压驱动继电器一、继电器三、继电器四吸合，同时对一级放大器一、一级放大器三、一级放大器四供电；模拟声发射信号经功率放大器放大后，通过继电器二的常闭触点驱动声发射传感器二产生声发射机械波，声发射传感器一、声发射传感器三、声发射传感器四接收到这一机械波后，分别输入一级放大器一、一级放大器三、一级放大器四；一级放大器一输出的脉冲信号电压幅度为RS2V1，一级放大器三输出的脉冲信号电压幅度为RS2V3，一级放大器四输出的脉冲信号电压幅度为RS2V4；将脉冲信号作为模拟声发射信号，脉冲信号前沿时间记为0，一级放大器一输出的脉冲信号前沿时间为RS2T1，一级放大器三输出的脉冲信号前沿时间为RS2T3，一级放大器四输出的脉冲信号前沿时间为RS2T4；

S400、根据步骤S200和S300的结果，利用互易原理计算各声发射传感器的信道接收灵敏度，接收灵敏度差异反映声发射信号路径衰减和传感器耦合效果的差异；利用时差定位法计算声各发射传感器之间的相对位置，用已知的部署位置加以验证，检验声发射采集系统的声源定位精度；

S500、参照S200-S400，依次断开馈电开关三和馈电开关四，分别以声发射传感器三、声发射传感器四作为换能器，测量其他一级放大器输出的脉冲信号的电压幅度和前沿时间，检验所有声发射传感器的接收灵敏度和相对位置。

以上详细描述了本实用新型的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本实用新型的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本实用新型的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种多通道声发射采集系统，其特征在于，包括：

声发射传感器阵列，接收声发射信号，包括R个声发射传感器，满足互易原理；

声发射放大器，包括S个声发射放大器通道和1个模拟声发射信号通道，对声发射信号放大，滤除噪声和带外信号，放大激励信号并输出；

声发射采集器，包括T个声发射采集器通道，将采集的声发射信号转换为数字信号，并进行数据处理和分析；

其中R、S、T为大于0的整数，R不大于S，S和T大于1；

所述声发射传感器使用低噪声信号线连接所述声发射放大器通道，所述声发射放大器通道通过同轴电缆和所述声发射采集器通道连接。

2.如权利要求1所述的多通道声发射采集系统，其特征在于，所述声发射传感器阵列中的声发射传感器型号规格相同。

3.如权利要求2所述的多通道声发射采集系统，其特征在于，所述声发射传感器为压电陶瓷声发射传感器。

4.如权利要求1所述的多通道声发射采集系统，其特征在于，所述声发射放大器包括壳体、一个模拟声发射信号通道、S个声发射传感器接口、S个声发射放大器通道和信号输出接口，所述声发射放大器通道的接口和信号输出接口设置在壳体表面。

5.如权利要求4所述的多通道声发射采集系统，其特征在于，所述声发射放大器通道的数量S为4个。

6.如权利要求4所述的多通道声发射采集系统，其特征在于，所述模拟声发射信号通道包括信号发生器、功率放大器和输入口，所述功率放大器连接输入口接收激励信号。

7.如权利要求6所述的多通道声发射采集系统，其特征在于，所述声发射放大器通道包括继电器、一级放大器、滤波器、二级放大器、信号电源混合器和主接口，所述继电器设置动触点、常开触点、常闭触点和电磁线圈，所述继电器的动触点通过所述声发射传感器接口连接所述声发射传感器，所述继电器的常开触点连接所述一级放大器的输入端，所述继电器的常闭触点连接所述功率放大器的输出端，所述继电器的电磁线圈连接到所述信号电源混合器的电源输出端；所述一级放大器的输出端与所述滤波器的输入端连接，所述滤波器的输出端与所述二级放大器的输入端连接，所述二级放大器的输出通过所述信号电源混合器将信号耦合到馈电电源线；所述一级放大器对所述声发射传感器输入的信号电压放大，所述二级放大器对所述一级放大器的输出电压提供足够的负载电流驱动能力；所述信号电源混合器为所述继电器、所述一级放大器和所述二级放大器提供工作电流，所述信号电源混合器连接所述主接口接收馈电，所述主接口是信号输出、馈电输入功能二合一。

8.如权利要求7所述的多通道声发射采集系统，其特征在于，所述声发射放大器采用幻象电源供电方式。

9.如权利要求7所述的多通道声发射采集系统，其特征在于，所述声发射放大器通道包括独立的外部幻象电源馈电的信号和电源共用电路，当给所述声发射放大器通道馈电时，所述继电器将所述声发射传感器连接所述一级放大器，对外输出经过放大的声发射电信号；当没有给所述声发射放大器通道馈电时，所述继电器将所述声发射传感器连接所述功率放大器，所述声发射传感器作为换能器，激励信号注入所述声发射传感器产生声发射机械波，即模拟声发射信号。

10.如权利要求6所述的多通道声发射采集系统，其特征在于，所述声发射采集器包括一个激励信号发生器、T个声发射采集器通道，所述声发射采集器通道包括馈电开关，所述激励信号发生器产生激励信号，连接所述声发射放大器的所述输入口，所述激励信号为模拟声发射信号，幅度可调；所述馈电开关与所述声发射放大器通道相对应，馈电开关闭合时，对所述声发射放大器通道提供直流电源。