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技术与应用

PCIE高速声发射仪/千兆网络声发射仪

技术与应用

基于 LabVIEW 的声发射信号采集分析与处理系统

发布日期:2005-07-13 10:05    浏览次数:

马 永 辉 ,  刘    康 ,  杨 大 志

(四 川 理 工 学 院 机 械 工 程 学 院 ,  四 川 自 贡 643000)

摘  要 :  基 于 LabVIEW 软 件 与 PCI-6251 数 据 采 集 卡 ,设 计 了 一 套 声 发 射 信 号 采 集 、分 析 与 处 理系统 。  该系 统通过实际 操作可以对 声发射信号 进行采集 ,储存与回放 ,并能通过软 件强大的模

块和接口功 能实现对声 发射信号的 频谱分析与 小波除噪处 理 。

关键词 :  labview; 信号 采集 ;  信号分 析处理

中图分类号 :   TP39  文献标志码 :   A 文章编号 :   1003 - 0794(2011)02 - 0258 - 04

System of AESignal Analysis and Processing Based on LabVIEW

MA Yong-hui, LIU Kang, YANG Da-zhi

(College of Mechanical Engineering,Sichuan University  of Science and Engineering, Zigong 643000, China)

Abstract:  A set  of system about  acoustic  emission  collection   is developed,analysis  and  processing based on LabVIEW software and the PCI-6251 data acquisition  card. The system not only can collect,

store and playback  acoustic emission signal through the real operation but also can realize the acoustic emission

frequency  spectrum analysis and wavelet denoising  processing by using powerful  modules and interface functions of LabVIEW.

Key words: labview; signal acquisition; signal analysis and processing

0 引言

 

声发射检测 的方法可对  CNG 钢瓶进行检 测 ,采 集 分 析 与 处 理 信 号 ,及 时 发 现 缺 陷 ,避 免 事 故 产 生 。

因 此 声 发 射 信 号 的 采 集 分 析 与 处 理 就 成 为 一 个 重

点 ,   利 用 虚 拟 仪 器 LabVIEW 和 高 速 的 数 据 采 集 卡 可 很 好 的 实 现 对 声 发 射 信 号 的 采 集 、   分 析 与 处 理 ,

并 及 时 为 钢 瓶 的 状 态 做 出 评 价 提 供 依 据 ,减 少 事 故 发生的 可能性 。

1   声发射检测

声 发 射 检 测 是 一 种 动 态 无 损 检 测 方 法 ,它 可 以 利 用 材 料 内 部 缺 陷 的 存 在 所 引 起 的 声 反 应 的 变 化

对 材 料 内 部 的 缺 陷 进 行 检 测 ,并 对 缺 陷 的 状 态 做 出 判断 和评价 。   对于 CNG 气瓶而言 ,气瓶本身或 内 部

的 缺 陷 在 加 压 时 如 果 产 生 变 形 或 有 缺 陷 扩 展 ,在 此 过 程 中 产 生 的 应 力 应 变 能 就 会 以 弹 性 波 形 式 释 放

出 来 , 此 弹 性 波 就 是 声 发 射 信 号 , 这 些 信 号 均 来 自 钢 瓶 的 缺 陷 ,对 这 些 信 号 进 行 采 集 分 析 与 处 理 就

可 以实 现对钢瓶 状态的评估 。

2   系统总体设 计

信 号 采 集 是 利 用 传 感 器 等 设 备 从 被 测 单 元 中自 动 采 集 信 息 的 过 程 它 是 硬 件 与 软 件 系 统 相 结 合 的 产 物 。   一 个 完 整 的 采 集 系 统 包 括 传 感 器 ,信 号 调理电路 ,数据采集和 分析软件等 。硬 件 系 统 主 要 由 传 感 器 ,   信 号 预 处 理 电 路 ,数据采 集卡与计算 机组成 。   其 原理如图 1 所 示。

1

针 对 声 发 射 信 号 的 特 征 , 其 频 率 主 要 集 中 在

100~400 kHz,中心频率在 100~200 kHz,本系统选用 的传感器为国产北京鹏翔科技有限公司的 PXR15 的 谐振式传感器,其采用日本富士 PZT 敏感元件,在灵 敏度、一致性、温度稳定性方面具有较好的性能,它的 性 能 指 标 为 中 心 频 率 150 kHz, 带 宽 100~400 kHz, 灵敏度 65 dB,这对于声发射信号十分适用。

在 实 际 的 测 量 中 ,采 集 到 的 信 号 对 于 信 号 采 集 卡 的 输 入 有 一 定 的 要 求 ,传 感 器 具 有 较 高 的 容 抗 和 阻 抗 , 其 输 出 的 声 发 射 信 号 十 分 微 弱 , 如 果 经 过 长 电缆输 送会导致信 噪比很低 。   传感器在接 受信号的 同 时 也 接 收 到 噪 音 ,这 些 噪 音 对 信 号 分 析 有 一 定 的

影 响 ,   因 此 需 要 利 用 处 理 电 路 对 这 些 信 号 进 行 滤 波,剔除 一些没用的 信号 。   针对 该系统 ,为了 提高信

噪 比 , 对 一 部 分 干 扰 信 号 进 行 过 滤 , 因 此 其 中 一 个

声道的信号 调理电路 如图 2 所示。

2

 

通 过 信 号 调 理 后 ,就 可 以 与 数 据 采 集 卡 进 行 连

接 ,数 据 采 集 卡 是 硬 件 系 统 的 核 心 ,其 性 能 对 数 据 采集的速度 和精度都能 直接的影 响 。   系统所选 用的

信 号 采 集 卡 为 NI 公 司 的 PCI-6251 数 据 采 集 卡 ,NI PCI-6251 是 一 款 高 速 M 系 列 多 功 能 DAQ 板 卡 ,在

高采 样率下也能 保持高精度 。   它在多通 道采集时能

达 到 1MS/s,具 有 16 路 模 拟 输 入 ,16 位 分 辨 率 ,2 路 模 拟 输 出 , 更 新 速 率 为  2.8 MS/s,8  路 高 速 可 达

10 MHz,  由 于 钢 制 气 瓶 的 声 发 射 频 率 主 要 集 中 在

100~400 kHz 之 间 ,   因 此 该 数 据 卡 可 以 达 到 采 集 的

效果 。

软 件 使 计 算 机 与 信 号 采 集 硬 件 形 成 一 个 完 整 的 信号采集 、分 析与显示 系统 。  Labview 是一个 高性 能 的 上 层 软 件 开 发 程 序 应 用 平 台 ,它 自 身 所 带 的 驱 动 程 序 可 以 对 硬 件 系 统 各 个 参 数 进 行 相 关 的 设 置 ,

并按 设置好的参 数对信号 进行采集 。

3 软件系统

测 试 仪 器 由 信 号 采 集 、信 号 分 析 处 理 与 回 放 显 示 3 部 分 组 成 ,其 中 软 件 系 统 包 括 信 号 分 析 处 理 与

回放显示 。   其 主要的功能 就是把输 入计算机中 的信

号 信 息 进 行 储 存 ,   以 便 后 期 处 理 信 号 方 便 调 用 ,再 一 个 就 是 对 信 号 用 LabVIEW 中 提 供 的 程 序 进 行 相 关 方 面 的 分 析 ,并 显 示 出 来 ,从 信 号 信 息 中 发 现 并 得 到有用的信 息 。

3.1   信号采集与 储存

数 据 采 集 在 整 个 系 统 中 占 有 很 重 要 的 地 位 ,直 接 决 定 信 号 分 析 的 准 确 性 ,在 该 步 骤 中 主 要 是 对 采

集 设 备 中 的 采 集 参 数 进 行 设 置 ,   包 括 通 道 的 选 择 ,

采 样 频 率 以 及 每 通 道 的 采 样 数 等 ,采 样 频 率 过 高 或 者 过 低 都 会 对 信 号 采 集 产 生 一 定 的 负 面 影 响 ,为 了

防 止 这 些 负 面 影 响 的 产 生 ,   根 据 乃 奎 斯 特 定 理 ,最

低 采 样 频 率 必 须 是 信 号 频 率 的 2 倍 ,经 过 大 量 实 验 验证,采 样频 率 一 般 设 置 为 输 入 信 号 最 高 频 率 的 7~

10 倍 ,在 此 情 况 下 ,就 可 以 正 确 的 还 原 波 形 ,得 到 理 想的 波形 。

在 信 号 采 集 的 过 程 中 ,每 采 集 一 次 数 据 都 要 经

过 数 据 分 析 显 示 之 后 才 能 再 次 进 行 采 集 ,这 样 会 导 致时间延 迟从而影响 数据采集 的周期 。   因此 本系统

采 用 多 线 程 的 方 式 实 现 信 号 采 集 与 分 析 ,   即 采 用

labview 队 列 状 态 机 的 方 式 进 行 采 集 ,状 态 机 由 一 个 while 和 case 系 统 组 成 ,   状 态 的 变 换 通 过 移 位 寄 存 器 的 跳 转 来 实 现 ,while 系 统 实 现 对 信 号 的 连 续 采 集 ,   而 case 系 统 则 实 现 不 同 状 态 下 进 行 不 同 操 作 , case 结 构 的 分 支 与 状 态 一 一 对 应 ,其 内 部 程 序 为 该

进 行 排 队 ,把 状 态 的 名 字 存 在 队 列 中 ,通 过 调 用 队

列 中 状 态 的 名 字 进 行 状 态 的 跳 转 ,调 用 后 的 名 字 利 用 Dequeue Element VI 程序 从队列中删 除 ,   根 据 需 要新的状态

名字又会被 加入到队列 中 。   这样一个 循 环 系 统 可 以 不 断 的 进 行 数 据 采 集 将 采 集 到 的 信 息 放 入 队 列 中 ,另 一 个 循 环 系 统 则 不 断 的 从 队 列 中 读 取 信 息 对 数 据 进 行 处 理 ,2 个 系 统 实 现 通 信 的 互 用 , 且互不 影响 。

3

图 3    队列状态机示意图

在 图 3 中 ,最 上 面 的 一 个 循 环 为 程 序 的 控 制 指 令 ,将 所 需 的 状 态 名 添 加 到 队 列 中 ,在 下 面 的 循 环

的 case 中 为 各 个 状 态 所 要 执 行 的 任 务 的 程 序 ,并 通 过 enum 来 实 现 与 下 一 个 状 态 的 连 接 ,

初 始 化 为 在 case 编程 中所需要数 据传送的接 口 ,   将其整体 绑定 在 一 个 簇 中 ,并 通 过 bundle 相 关 指 令 来 实 现 数 据 的

交换与更改 。

Case 中 所 针 对 的 状 态 为 创 建 任 务 、   数 据 采 集 、 数据显示 与处理状态 。   通过创建 任务实现对 信号的 输 入 ,再 经 过 数 据 采 集 实 现 对 信 号 的 读 取 ,最 后 再 数据显示与 处理完成 信号的显示 和相关的处 理 。

采 用 如 上 所 述 的 方 法 对 声 发 射 信 号 进 行 采 集 , 其中声道为 2 声道,每个声道的采样数为 1 000,由于

钢 制 气 瓶 的 声 发 射 频 率 主 要 集 中 在 100~400 kHz,  所示。

4

 

图 4   采 集 到 的 信 号

从 上 图 中 可 以 清 晰 地 观 察 到 2 个 声 道 形 成 的 声 发 射 信 号 ,此 信 号 的 特 征 符 合 声 发 射 信 号 突 发 性

信号的特征 。

在 采 集 的 过 程 中 经 常 会 遇 到 信 号 采 集 的 速 度

高 于 信 号 硬 盘 读 取 的 速 度 ,   因 此 造 成 信 号 的 丢 失 ,

为 了 实 时 地 高 速 采 集 信 号 并 进 行 储 存 ,本 系 统 采 用 双 缓 存 储 , 即 开 辟 2 个 缓 存 空 间 , 一 个 作 为 循 环 缓 存 ,一 个 作 为 转 移 缓 存 ,当 循 环 缓 存 存 储 到 一 半 时 , 数 据 被 拷 贝 到 转 移 缓 存 , 当 循 环 缓 存 存 满 时 ,

则 新 数 据 将 旧 数 据 覆 盖 , 如 此 循 环 进 行 存 储 , 为 了 保 证

plot((0:nfft/2-1)/nfft*fs,Y(1:nfft/2)); xlabel(‘频率  f/Hz’); ylabel(‘功率谱  P/W’);

prompt

Choose a file name and location

*.tdms open(read-only)

数 据 能 够 完 好 的 被 存 储 ,转 移 缓 存 的 大 小 要 比 循 环 缓 存 的 空 间 的 一 半 大 一 些 ,其 中 循 环 缓 存 区 的 大 小 至 少 为 扫 面 率 的 2 倍 ,10 倍 的 效 果 最 佳 。   本 系 统 在 vc 状 态 下 对 存 储 程 序 进 行 编 程 , 并 生 成 DLL, 然 后 通 过 labview 中

的 Call  Library  Function Node 模 块 调 用 来 实 现 双 缓 存 存 储 的 功 能 ,其 中 所 需 程 序 还 应 调 用 数 据 采 集 函 数 库 中 的 nidaq32.lib 和 nidex32. lib。

信 号 采 集 的 数 据 量 较 大 ,因 此 采 用 TDMS 格 式 对 数 据 进 行 保 存 ,   并 对 信 号 进 行 描 述 属 性 的 添 加 , 有 利 于 数 据 的 查 询 和 管 理 ,由 于 该 数 据 的 储 存 格 式

是 二 进 制 的 , 因 此 速 度 很 快 , 很 适 合 采 集 高 速 的 数

据。

信号以 TDMS 的 格 式 进 行 储 存 ,因 此 信 号 回 放 的 时 候 需 要 对 TDMS 文 件 操 作 函 数 进 行 编 程 ,从 中 读取数据 。

3.2 信号分析与 处理

信 号 分 析 与 处 理 是 一 个 不 可 缺 少 的 步 骤 ,它 的 主 要 目 的 就 是 从 被 测 对 象 的 信 号 特 征 中 找 出 有 用

的 信 息 ,LabVIEW 软 件 为 信 号 的 分 析 与 处 理 提 供 了 强 大 的 信 号 处 理 包 ,如 小 波 分 析 ,时 频 分 析 ,时 间 序

列分析等等 ,极大地方便 了测试人员 的编程操作 。

频 谱 分 析 是 一 种 分 析 信 号 的 传 统 方 法 ,其 原 理

Y=abs(fft(x,nfft));

plot((0:nfft/2-1)/nfft*fs,Y(1:nfft/2)); xlabel(‘频率  f/Hz’); ylabel(‘功率谱  P/W’);

是 利 用 傅 立 叶 变 换 将 信 号 在 频 域 范 围 内 加 以 分 析 ,

并 在 其 中 研 究 信 号 的 各 种 特 征 ,   找 出 有 用 的 信 息 ,

它 是 数 字 信 号 处 理 中 常 用 的 、   重 要 的 方 法 之 一 ,

LabVIEW 在 其 中 提 供 了 丰 富 的 频 谱 分 析 程 序 ,以 便 针 对 不 同 的 情 况 对 信 号 进 行 频 域 上 的 分 析 。   Lab- VIEW 虽 然 功 能 很 强 大 ,   但 是 仍 然 会 有 一 些

功 能 无 法 实 现 , 为 了 弥 补 不 足 , 其 提 供 了 强 大 的 外 部 程 序 接 口 来 充 分 利 用 其 他 变 成 软 件 的 优 势 ,如 MATLAB 接口,本 系 统 利 用 MATLAB 接 口 进 行 编 程 对 信 号 进 行功 率谱分析 ,其 程序如图 5 所示。

MATLAB 编程如下所 示:

5

功率谱如图  6 所示。

6

 

图 6   功 率 谱 分 析

在 图 6 中 可 以 明 显 的 看 出 声 发 射 信 号 在 频 率 范围 内的幅值特 征 。

由 于 各 种 环 境 问 题 的 存 在 ,采 集 的 信 号 中 掺 杂 着 很 多 干 扰 信 号 ,这 些 信 号 的 存 在 对 信 号 分 析 提 供 了 种 种 困 难 ,   导 致 不 能 准 确 找 出 信 号 的 真 正 特 征 。

其 中 小 波 分 析 就 是 一 种 有 效 地 除 噪 方 法 ,其 主 要 原

理 是 选 定 一 种 小 波 ,   对 信 号 进 行 N 层 小 波 分 析 ,然 后 对 分 解 得 到 的 各 层 系 数 选 择 一 个 阀 值 ,对 细 节 系 数 进 行 软 阀 值 处 理 ,降 噪 处 理 后 的 系 数 通 过 小 波 重 建 恢 复 原 始 信 号 。   小 波 基 的 选 择 应 满 足 小 事 距 ,紧 支 性 , 对 称 性 , 正 则 性 几 个 特 征 , 因 此 选 用 Symlers 小 波 对 其 进 行 分 析 ,分 解 尺 度 根 据 采 用 频 率 的 大 小 确 定 为 7,在 MATLAB 接 口 条 件 下 对 其 中 一 个 声 道 的信 号进行小波 分析 ,其结果 如图 7 所示 。

 

7