損傷場(chǎng)數(shù)據(jù)采集裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

郭慧　劉偉

摘要：介紹為了減少損傷波形數(shù)據(jù)的采集量，從而降低成本，我們可以從波形的特征值入手，來判斷物體是否發(fā)生損壞的損失場(chǎng)數(shù)據(jù)采集裝置，即采集有限的波形數(shù)據(jù)并通過分析，找出我們所需要的波形特征值，做為損傷場(chǎng)數(shù)據(jù)采集裝置判斷物體損害的依據(jù)。

關(guān)鍵詞：損傷場(chǎng)；數(shù)據(jù)采集；高速AD

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2012）33-8044-03

1設(shè)計(jì)思想

損傷場(chǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過對(duì)材料結(jié)構(gòu)變化所產(chǎn)生的損傷場(chǎng)聲譜信號(hào)做高科技分析，從而得到諸如損傷狀態(tài)廣義譜空間、損傷狀態(tài)概率空間、損傷狀態(tài)信息熵、損傷狀態(tài)動(dòng)態(tài)響應(yīng)等參數(shù)的特征提取、數(shù)據(jù)融合等，最終達(dá)到量化材料或結(jié)構(gòu)損傷狀態(tài)的目的。這項(xiàng)技術(shù)具有靈活的實(shí)用性和廣泛的應(yīng)用前景！

目前市場(chǎng)上材料損傷場(chǎng)檢測(cè)聲發(fā)射儀比較多，都是采集完整的波形來判斷材料的損傷程度，但價(jià)格昂貴，對(duì)于一些小企業(yè)或個(gè)人來說，沒有必要得到非常精準(zhǔn)的材料損傷場(chǎng)檢測(cè)報(bào)告，只需大致估計(jì)判斷材料損傷場(chǎng)程度即可。因此我們提出了新的研究思路，即采用模擬量與數(shù)字量結(jié)合的方法，通過多次數(shù)據(jù)采集，形成一個(gè)損傷波形，這個(gè)損傷波形是通過幾個(gè)特征參數(shù)實(shí)現(xiàn)的，特征參數(shù)包括起始點(diǎn)、結(jié)束點(diǎn)、最大值點(diǎn)、以及上升期與下降期之間各一點(diǎn)等，把這幾個(gè)參數(shù)點(diǎn)描繪出來，生成接近實(shí)際情況損傷波形圖，作為我們分析材料的依據(jù)。這樣不但可以減少損傷波形數(shù)據(jù)的采集量，還可以大大的降低成本。

2硬件框圖

根據(jù)我們的設(shè)計(jì)思想，損傷場(chǎng)數(shù)據(jù)采集裝置的硬件框圖如1所示。

根據(jù)圖1所示的硬件框圖，我們想要做出具體的實(shí)驗(yàn)板，就需要對(duì)具體的器件進(jìn)行比較選擇。硬件設(shè)計(jì)與具體的應(yīng)用場(chǎng)合有關(guān)，采用不同的器件對(duì)系統(tǒng)的性能影響很大。而器件和芯片的多樣性，使得不同廠家生產(chǎn)的芯片和器件的電氣特性并不相同。如果選擇不當(dāng)，可能會(huì)出現(xiàn)兼容性問題。硬件是滿足實(shí)際應(yīng)用需求的，對(duì)應(yīng)用環(huán)境的充分調(diào)研和考慮后才能選擇出合適的芯片和器件。

在整個(gè)的硬件電路設(shè)計(jì)中，用到的芯片有LM339，74HCT573，SN74HC148，MC74HC74，SN74HC244，存儲(chǔ)器，有源晶振等芯片。選好芯片以后，我們通過制作PCB、焊接元器件等制作了損傷場(chǎng)數(shù)據(jù)采集裝置實(shí)驗(yàn)板，如圖2所示。

3各部分工作原理

3.1模擬信號(hào)量

模擬信號(hào)量在時(shí)間上是連續(xù)的，它是損傷場(chǎng)的聲發(fā)射經(jīng)過傳感器而得到的。

3.2放大電路

原始的聲發(fā)射為模擬信號(hào)量，由于聲發(fā)射信號(hào)幅值范圍為：1μV-100mV。模擬電信號(hào)比較弱，所以需要放大器進(jìn)行放大處理。

3.3高速AD

為了更好的減少成本，我選用高速AD和主控芯片AT89C51單片機(jī)進(jìn)行有限的數(shù)據(jù)采集。但遇到速度不匹配的問題，高速AD采集速度快，作為主控芯片的單片機(jī)速度慢，為了協(xié)調(diào)速度問題，我決定自行設(shè)計(jì)一款帶存儲(chǔ)裝置的并行高速AD，此存儲(chǔ)裝置起到一個(gè)緩存的作用。自行設(shè)計(jì)的高速AD分為五個(gè)部分，它們是電壓比較器部分、鎖存器部分、編碼部分、存儲(chǔ)器部分、控制部分組成。

電壓比較器部分：在給定的參考電壓范圍內(nèi)并聯(lián)15個(gè)電壓比較器，這15個(gè)電壓比較器對(duì)參考電壓值切割分段并實(shí)現(xiàn)了15個(gè)比較電平。這就可以是輸入的連續(xù)模擬信號(hào)經(jīng)過并聯(lián)的電壓比較器組后輸出離散的電信號(hào)。

鎖存器部分：由于電壓比較器轉(zhuǎn)化模擬信號(hào)形成數(shù)字信號(hào)量的速度很快，為了有效的形成正比的二進(jìn)制數(shù)，需要帶記憶功能的鎖存器。鎖存器用帶邊沿觸發(fā)的D觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)鎖存功能。

編碼器：編碼器是把從鎖存器傳輸過來的離散數(shù)字量所代表量化單位整數(shù)倍轉(zhuǎn)化成對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)。轉(zhuǎn)化過程使用優(yōu)先編碼器，按輸入信號(hào)排定的優(yōu)先順序，只對(duì)同時(shí)輸入的N個(gè)信號(hào)中優(yōu)先權(quán)最高的一個(gè)進(jìn)行編碼。

存儲(chǔ)器部分：此部分是我們自行設(shè)計(jì)高速AD的重點(diǎn)，主要是解決速度不匹配的問題，把轉(zhuǎn)換出的數(shù)字量進(jìn)行緩存。轉(zhuǎn)換夠一組數(shù)后再通知主控芯片取數(shù)。

控制部分：它是通過計(jì)數(shù)器來實(shí)現(xiàn)的，每計(jì)數(shù)一次時(shí)，都要給存儲(chǔ)器分配地址的同時(shí)存儲(chǔ)一個(gè)數(shù)據(jù)，當(dāng)存儲(chǔ)到有限數(shù)據(jù)時(shí)，計(jì)數(shù)器在清零的同時(shí)給外部主控芯片一個(gè)中斷信號(hào)。

3.4主控芯片

主控芯片采用AT89C51單片機(jī)，它控制高速AD的數(shù)據(jù)采集過程。把采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。

3.5PC機(jī)

高速AD可以連續(xù)采集一組數(shù)據(jù)，然后通知主控芯片接收數(shù)據(jù)。經(jīng)過PC機(jī)的擬合分析得出我們所需要的波形特征值，做為判斷損傷場(chǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中物體是否發(fā)生損壞的依據(jù)。

4實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

4.1自行設(shè)計(jì)高速AD驗(yàn)證

使用偉福H51/L單片機(jī)硬件仿真器對(duì)51單片機(jī)進(jìn)行硬件仿真，圖3是一組測(cè)試數(shù)據(jù)：

在測(cè)試前，利用萬用表測(cè)的幅值是0.9V，電壓范圍是在0.8V-1.0V之間，理論輸出的二進(jìn)制數(shù)字量為0100。通過單步測(cè)試，從圖中REG、SFR、Project窗口可以看出，P0口的值為F4。再通過DATA，CODE窗口可以看出，在地址40的地方有8組數(shù)據(jù)都是F4。說明輸出量是為0100，說明實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)仿真結(jié)果是一致的。經(jīng)過多次測(cè)試，可以證明，單片機(jī)可以控制高速AD的數(shù)據(jù)采集，連續(xù)的模擬信號(hào)量是能夠轉(zhuǎn)化其相對(duì)應(yīng)成正比的二進(jìn)制數(shù)。

4.2設(shè)計(jì)思想驗(yàn)證

由4.1可知，我們自行設(shè)計(jì)的帶存儲(chǔ)裝置的高速AD可以正常的采集數(shù)據(jù)，然后加上前面的傳感器和前置放大器，我們實(shí)驗(yàn)性的采集了一些物體的聲發(fā)射信號(hào)數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)表明，采集到的數(shù)據(jù)的頻率在聲發(fā)射信號(hào)頻率范圍：100kHz-1MHz之內(nèi)，PC機(jī)經(jīng)過擬合分析得到我們需要的數(shù)據(jù)，根據(jù)這些數(shù)據(jù)使用軟件來繪制不同的圖形，如正弦波、柱狀圖、點(diǎn)狀圖等，從而得到材料的損傷程度。

5結(jié)論

通過大量的實(shí)驗(yàn)證明，我們自行設(shè)計(jì)這款帶存儲(chǔ)裝置的高速AD，能夠匹配高速AD和低速的單片機(jī)進(jìn)行有限的數(shù)據(jù)采集的速度問題，而且它的存儲(chǔ)裝置起到一個(gè)緩存的作用。通過這種方式，高速AD可以連續(xù)采集一組數(shù)據(jù)，然后通知主控芯片接收數(shù)據(jù)。這樣就可以實(shí)現(xiàn)使用低速的控制芯片完成對(duì)一個(gè)連續(xù)波形的高速采集，這就完成了損傷場(chǎng)的數(shù)據(jù)采集任務(wù)。我們本課題的目標(biāo)是為了減少損傷波形數(shù)據(jù)的采集量，運(yùn)用我們?cè)O(shè)計(jì)的系統(tǒng)能夠采集到聲發(fā)射波形的特征值，從而來判斷物體是否發(fā)生損壞。我們自行設(shè)計(jì)的高速AD能夠滿足我們的要求，最后把我們的整個(gè)系統(tǒng)連接起來，基本可以實(shí)現(xiàn)我們的目標(biāo)。

課題中實(shí)現(xiàn)的高速AD在提升分辨率和存儲(chǔ)容量后，并用單片機(jī)加以控制，向外引出幾根控制線，可作為一種智能型高速AD使用。這樣的智能型AD能夠?yàn)槠渌到y(tǒng)一次提供一組數(shù)據(jù)。使用起來非常方便，既減輕了整個(gè)系統(tǒng)的工作負(fù)荷，又能提供一組高速采集到的數(shù)據(jù)。并且價(jià)格非常低廉。在今后的工作中會(huì)對(duì)智能型高速AD進(jìn)行更深入的研究。經(jīng)過本課題的研究、設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)，使得該項(xiàng)技術(shù)成本大幅度降低，具有靈活的適用性和有廣泛的應(yīng)用前景，不但可以滿足于大型的綜合工業(yè)，而且也可以應(yīng)用到小型的企業(yè)。它應(yīng)用的領(lǐng)域很多，包括各種材料性能測(cè)試、大型機(jī)械設(shè)備可靠性檢測(cè)、重要工程結(jié)構(gòu)可靠性檢測(cè)、醫(yī)療骨科密度診斷等等。

參考文獻(xiàn)：

[1]王?？?，陳莉.聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)的原理及應(yīng)用[J].廣西輕工業(yè)，2010（3）.

[2]耿榮生.聲發(fā)射技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀[J].無損檢測(cè)，1998（6）.

[3]李培江，童冠軍.基于USB的發(fā)射信號(hào)高速采集系統(tǒng)的研究[J].監(jiān)控自動(dòng)化，2011.

[4]中國(guó)石化無錫石油地質(zhì)研究所實(shí)驗(yàn)地質(zhì)技術(shù)之巖石熱聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù).

[5]聲發(fā)射.http：//baike.baidu.com/view/206038.htm#sub206038.

[6]SzolwinskiMP，F(xiàn)arrisTN.Mechanicsoffrettingfatiguecrackformation.Wear1996；198；93.

[7]BaoY，WierzbickiT.AComparativeStudyonVariousDuctileCrackFormationCriteria.J.Eng.Mater.Technol，2004.

[8]葉念渝.單片機(jī)聲發(fā)射檢測(cè)及定位系統(tǒng)研究[J].儀表技術(shù)與傳感器，1998（2）.