基于光纖傳輸?shù)慕Y(jié)構(gòu)損傷聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

萬(wàn) 帥，李 青，丁克勤，趙 娜，李 娜

(1.中國(guó)計(jì)量大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，杭州 310018; 2.中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院，北京 100013)

基于光纖傳輸?shù)慕Y(jié)構(gòu)損傷聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

萬(wàn) 帥1,2，李 青1，丁克勤2，趙 娜2，李 娜2

(1.中國(guó)計(jì)量大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，杭州 310018; 2.中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院，北京 100013)

聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)作為一種先進(jìn)的故障診斷技術(shù)，在大型起重設(shè)備檢測(cè)行業(yè)“大行其道”；由于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境比較復(fù)雜，不可避免地要受到各種噪聲的影響；當(dāng)前對(duì)聲發(fā)射信號(hào)大多是靠電纜進(jìn)行傳輸，這種傳輸方式有傳輸距離有限、信號(hào)容易受到干擾等缺點(diǎn)；針對(duì)傳統(tǒng)電纜傳輸信號(hào)的不足之處提出使用光纖作為傳輸信號(hào)的媒介，設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)了一種基于光纖的聲發(fā)射監(jiān)測(cè)的信號(hào)采集系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)且信號(hào)的抗干擾能力比較好。

聲發(fā)射技術(shù)；光纖傳輸；信息采集

0 引言

目前起重設(shè)備的日常安全維護(hù)主要還是依靠工作人員的定期安全檢查，而每次檢查都會(huì)存在時(shí)間間隔，并且一般的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)只是檢測(cè)了起重機(jī)械非工作狀態(tài)下的一些幾何量和物理量，當(dāng)起重設(shè)備工作時(shí)就不能檢測(cè)。這就不能實(shí)現(xiàn)對(duì)起重機(jī)械的結(jié)構(gòu)健康全天候的實(shí)時(shí)監(jiān)控，也就無(wú)法做到對(duì)裂紋擴(kuò)展、結(jié)構(gòu)損傷的預(yù)測(cè)報(bào)警。有時(shí)常規(guī)的安全檢測(cè)結(jié)果是合格的，但是當(dāng)起重設(shè)備工作狀態(tài)下還是會(huì)發(fā)生結(jié)構(gòu)損傷，甚至材料斷裂等嚴(yán)重情況，引發(fā)重大安全事故[1]。現(xiàn)今起重機(jī)械行業(yè)的結(jié)構(gòu)健康檢測(cè)主要還是依靠聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)，考慮到起重機(jī)械的應(yīng)用場(chǎng)景如碼頭、港口，這些地方的工作環(huán)境比較復(fù)雜對(duì)電纜傳輸信號(hào)有很大的影響，且電纜本身的一些物理屬性造成信號(hào)傳輸時(shí)容易受到外界的干擾并且有信號(hào)衰減的問(wèn)題。這是聲發(fā)射遠(yuǎn)程監(jiān)控的一個(gè)局限性。因此，本文提出用光纖取代傳統(tǒng)的電纜傳輸聲發(fā)射信號(hào)，不僅可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸且大大減少了外界的干擾和信號(hào)衰減。

1 聲發(fā)射檢測(cè)原理

聲發(fā)射屬于一種非常常見(jiàn)的物理現(xiàn)象，主要是指材料的能量迅速放出時(shí)發(fā)出的瞬時(shí)彈性聲波的現(xiàn)象。大多數(shù)工程材料斷裂及形變過(guò)程中都會(huì)伴有聲發(fā)射信號(hào)發(fā)出。不同的材料發(fā)出的聲發(fā)射頻率也不相同，但是每一種材料信號(hào)頻率范圍都是相當(dāng)?shù)膶?，一般從幾Hz到數(shù)MHz[2]。聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)在港口碼頭起重機(jī)械設(shè)備上應(yīng)用的相當(dāng)廣泛。當(dāng)起重機(jī)械工作時(shí)，機(jī)械會(huì)受到應(yīng)力作用，隨著時(shí)間的前進(jìn)就會(huì)產(chǎn)生裂紋及焊縫的內(nèi)部腐蝕等缺陷，這些缺陷源就會(huì)產(chǎn)生聲發(fā)射信號(hào)。

聲發(fā)射檢測(cè)的本質(zhì)就是采集聲波并進(jìn)行分析，其原理如圖1所示，從信號(hào)源產(chǎn)生的信號(hào)(聲波)沿著材料內(nèi)部傳播到構(gòu)件的表面，表面產(chǎn)生微弱的位移，這時(shí)傳感器就可以把構(gòu)件表面微弱的機(jī)械振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，然后再通過(guò)放大器進(jìn)行放大處理并記錄下來(lái)。工程人員可以根據(jù)觀察到的檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行分析并加以推斷從而了解材料產(chǎn)生聲發(fā)射信號(hào)的機(jī)制。

圖1 聲發(fā)射檢測(cè)原理圖

聲發(fā)射信號(hào)頻率的波段一般從次聲波段到超聲波，這個(gè)范圍與材料的屬性、聲發(fā)射源的微觀結(jié)構(gòu)、能量釋放緩急過(guò)程等因素有很大的關(guān)系。通常來(lái)說(shuō)，聲發(fā)射信號(hào)的頻率范圍與聲發(fā)射源的尺寸和頻率成正比關(guān)系，源的尺寸越大，頻率范圍越寬。聲發(fā)射機(jī)構(gòu)與其頻譜是一一對(duì)應(yīng)的，不同的頻率成分其對(duì)應(yīng)的幅度也是不一樣的。因此當(dāng)我們對(duì)它進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)，想要接受到它所包含的所有頻段這幾乎是不可能完成的任務(wù)。由于在現(xiàn)實(shí)的生產(chǎn)環(huán)境中頻率低的信號(hào)很容易受到現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境噪聲的干擾，頻率較高的信號(hào)在電纜中傳輸時(shí)又出現(xiàn)嚴(yán)重的衰減，因此我們?cè)趯?duì)聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行采集時(shí)通常只會(huì)采集頻率在幾十到幾MHz的超聲波信號(hào)。對(duì)于大型的起重機(jī)械的金屬構(gòu)建而言，采集與分析的聲發(fā)射信號(hào)頻率也是幾十到幾MHz。

從時(shí)域上看，可以把聲發(fā)射信號(hào)看作是由一組頻率、幅值和相位不同的信號(hào)相加所得，如下式：

其中：s(t)是連續(xù)的時(shí)域聲發(fā)射信號(hào)；An為第n個(gè)聲發(fā)射信號(hào)的幅值；為第n個(gè)信號(hào)的頻率；tn為第n個(gè)瞬態(tài)信號(hào)的相位差；θn為第n個(gè)信號(hào)的頻率；αn為第n個(gè)信號(hào)傳輸?shù)乃p系數(shù)。

2 聲發(fā)射光纖信號(hào)采集系統(tǒng)

聲發(fā)射光纖信號(hào)采集系統(tǒng)從整體結(jié)構(gòu)上看主要有：信號(hào)采集與預(yù)處理部分、光纖傳輸部分和上位機(jī)軟件3個(gè)部分所構(gòu)成。系統(tǒng)的原理如圖2所示。

圖2 聲發(fā)射光纖信息采集系統(tǒng)框圖

2.1 信號(hào)采集與預(yù)處理

信號(hào)的采集與預(yù)處理主要是由聲發(fā)射傳感器和信號(hào)調(diào)理兩部分組成，其中聲發(fā)射傳感器負(fù)責(zé)采集聲發(fā)射信號(hào)，該信號(hào)是微弱的電信號(hào)，需要對(duì)此信號(hào)進(jìn)行相關(guān)調(diào)理。信號(hào)的調(diào)理包括信號(hào)的放大和信號(hào)的濾波。因?yàn)槁暟l(fā)射傳感器受到的是模擬信號(hào)且是比較微弱，在處理之前需通過(guò)放大器進(jìn)行放大。然后對(duì)放大后的模擬信號(hào)進(jìn)行調(diào)理，通過(guò)調(diào)理電路處理后再送給A/D 芯片處理。最后由控制電路完成實(shí)時(shí)聲發(fā)射，并提取特征和聲發(fā)射波形采集。因?yàn)槁暟l(fā)射傳感器輸出端的信號(hào)比較微弱不容易觀察，且在通過(guò)遠(yuǎn)程傳輸?shù)倪^(guò)程中信號(hào)的衰減在所難免，因此必須要在接近傳感器的位置接入前端放大器對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，將傳感器輸出端的信號(hào)按照一定的倍數(shù)放大，使其適合后端處理模塊處理。最后，將調(diào)度后的信號(hào)傳送給信號(hào)處理模塊對(duì)其進(jìn)行處理。前端放大器處理的是模擬信號(hào)，前端處理電路的工作電源采用的是電源和信號(hào)共線方式輸送，工作原理框圖如圖 3 所示。

圖3 工作原理框圖

2.2 光纖傳輸模塊

光纖傳輸模塊處理的是光信號(hào)，采集器采到的信號(hào)是模擬信號(hào)。首先將采集器傳輸過(guò)來(lái)的模擬信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，使其變成數(shù)字信號(hào)，然后再進(jìn)行電光調(diào)制。在光纖傳輸模塊中，將電信號(hào)所攜信息加到光載波上，使光載波按電信號(hào)的變化而變化，這就是所謂的光波調(diào)制[4]。就根本上來(lái)說(shuō)，光波的調(diào)制和電波的調(diào)制沒(méi)有什么本質(zhì)區(qū)別，它們都可以攜帶信號(hào)，此信號(hào)包括：幅度、頻率、強(qiáng)度、相位以及偏振等參數(shù)，也即有調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)強(qiáng)度、調(diào)相、調(diào)偏等調(diào)制方式。但為了便于反向操作即解調(diào)，因此在光頻端一般多采用光的強(qiáng)度調(diào)制方式。

光纖傳輸?shù)暮蠖颂幚砟K必須要對(duì)光信號(hào)進(jìn)行光電解調(diào)操作。光電解調(diào)模塊的功能是用最小的失真度和附加噪聲恢復(fù)出由光纖傳輸過(guò)來(lái)的光信號(hào)所攜帶的信息。光電解調(diào)模塊的前端主要包括光電二極管(反向偏壓)和前置兩部分[5]。反向偏壓的光電二極管用來(lái)接收由光纖耦合輸出的光信號(hào)。在對(duì)電路進(jìn)行分析時(shí)，可將光電二極管看作是一個(gè)電流源，此電流源是二極管和結(jié)電容Cd并聯(lián)的產(chǎn)物，電流源的等效電路圖如圖4所示，圖中的RL是電流源的負(fù)載電阻。

圖4 電流源等效電路圖

光電解調(diào)前端模塊的等效電路圖如圖5所示。其中

C

i

為電路的總輸入電容，此中包含有二極管

I

p

的結(jié)電容和前放大器

G

引起的電容。

圖5 光電解調(diào)前端電路圖

當(dāng)輸入電路的總電阻Ri和前置放大器中的阻抗都比較大時(shí)，這時(shí)通過(guò)加大放大器的輸入電壓，由于Ri值較大，可以起到減小熱噪聲且接收端的靈敏度也能得到提高。這種電路的帶寬可表示為：

Δf=(2πRiCi)-1

從上述公式可以看出，當(dāng)Ri較大則Δf就越小，即帶寬就越窄。

Rb是前置放大電路的輸入電阻，RL是光電二極管的負(fù)載電阻，Ri是輸入電路的總等效電阻。

等效輸入電阻Ri表示為：

Ri=Rb//RL

輸入電路引入的熱噪聲表示為：

由此可以看出,RL越大，帶寬越小。在保證電路的靈敏度的前提下，由上面的公式可以減小輸入電阻Ri的方法使帶寬得到增大，或提高高頻也可以起到增加帶寬的作用。

2.3 軟件設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

針對(duì)聲發(fā)射光纖信息采集系統(tǒng)的需求開(kāi)發(fā)了聲發(fā)射信息采集軟件，選用visual studio2010開(kāi)發(fā)環(huán)境，該開(kāi)發(fā)環(huán)境提供了大量的控件便于系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。聲發(fā)射光纖信息采集系統(tǒng)主要有數(shù)據(jù)采集模塊、參數(shù)設(shè)置模塊、特征參數(shù)提取模塊、歷史數(shù)據(jù)查詢模塊等四部分組成。軟件系統(tǒng)框圖如圖6所示。

圖6 軟件系統(tǒng)框圖

聲發(fā)射數(shù)據(jù)采集模塊主要采集撞擊對(duì)時(shí)間的實(shí)時(shí)折線圖和幅度對(duì)時(shí)間的實(shí)時(shí)散點(diǎn)圖，幅度信號(hào)用dB表示，幅度與事件大小有直接的關(guān)系，不受門(mén)檻影響，直接決定事件的可測(cè)性，常用于波源的類型鑒別、強(qiáng)度及衰減的測(cè)量，反映事件的相對(duì)能量或強(qiáng)度。撞擊計(jì)數(shù)即是對(duì)撞擊的次數(shù)的計(jì)數(shù)。此特征信號(hào)參數(shù)的意義在于對(duì)聲發(fā)射活動(dòng)性評(píng)價(jià)和反映聲發(fā)射活動(dòng)的總量及頻度[6]。軟件的主界面如圖7所示。

圖7 聲發(fā)射采集軟件主界面

通過(guò)設(shè)置按鈕來(lái)設(shè)置通道信息包括門(mén)檻值、模擬濾波器上下限、波形采樣率、定時(shí)參數(shù)等。設(shè)置界面如圖8所示。

圖8 設(shè)置界面

通過(guò)單擊采集按鈕開(kāi)始聲發(fā)射信息的采集并實(shí)時(shí)顯示在主界面，暫停按鈕可以暫停本次采集，點(diǎn)擊停止按鈕結(jié)束本次采集并將采集的信息以XML文件格式保存，文件名自動(dòng)保存為時(shí)間，如201605271328.XML。這樣可以避免文件名重復(fù)又利于根據(jù)實(shí)驗(yàn)時(shí)間快速查找歷史數(shù)據(jù)。XML文件具有存儲(chǔ)空間小、解析速度快等優(yōu)點(diǎn)。單擊重放按鈕可以查看歷史數(shù)據(jù)。

3 數(shù)據(jù)采集對(duì)比實(shí)驗(yàn)

基于光纖的聲發(fā)射采集系統(tǒng)能否應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境需要實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的驗(yàn)證，為此設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)采集對(duì)比實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)所用的試樣應(yīng)力集中位置的正反面(同一位置)放置兩個(gè)聲發(fā)射傳感器，一個(gè)用光纖系統(tǒng)采集，另一個(gè)用電纜進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。將這兩套系統(tǒng)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，看光纖采集到的數(shù)據(jù)與用電纜采集到的數(shù)據(jù)是否吻合，如果兩者的數(shù)據(jù)能夠很好的吻合，這就說(shuō)明聲發(fā)射光纖采集是有實(shí)用價(jià)值的。

3.1 實(shí)驗(yàn)器材

本實(shí)驗(yàn)器材主要有：基于光纖的聲發(fā)射信號(hào)采集系統(tǒng)、拉伸試驗(yàn)機(jī)、計(jì)算機(jī)軟件、拉伸試件等器材。

試件所用材質(zhì)為鋼 Q235-B，試件的中心厚度和寬度分別為4 mm、20 mm，試件總長(zhǎng)度為340 mm，試件的示意圖和實(shí)物圖如圖9所示。

圖9 試件示意圖和實(shí)物圖(圖中圓點(diǎn)為傳感器安放處)

3.2 實(shí)驗(yàn)步驟

在準(zhǔn)備好上述所需器材后按照如下步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。第一步：將試驗(yàn)機(jī)上的電夾的距離調(diào)整到試件長(zhǎng)度略大一點(diǎn)的位置，確保試件能夠放入，并留出安裝傳感器的位置；第二步：在放置傳感器的位置均勻涂抹粘合劑后，用磁吸座將傳感器安放好；第三步：檢測(cè)設(shè)備調(diào)試：試驗(yàn)中的光纖長(zhǎng)度大約500 m長(zhǎng)，需要對(duì)其進(jìn)行斷鉛實(shí)驗(yàn)以測(cè)試傳感器的幅度響應(yīng)，并校準(zhǔn)傳感器的靈敏度；第四步：由于實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)有很大的噪聲干擾，所以需要進(jìn)行濾波。開(kāi)啟聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)量周圍的噪聲值(聲發(fā)射幅度值)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)所測(cè)的噪聲值(40 dB以下)，將聲發(fā)射系統(tǒng)的門(mén)檻值設(shè)置為45 dB,這樣系統(tǒng)就會(huì)將低于45 dB的信號(hào)過(guò)濾掉。第五步：設(shè)置拉伸試驗(yàn)機(jī)的參數(shù)，將拉伸試驗(yàn)機(jī)的拉伸速率設(shè)置為5 mm/min,加載信號(hào)為正弦波信號(hào)，拉伸頻率設(shè)置為3.5 Hz。設(shè)置好參數(shù)后，檢查系統(tǒng)是否連接完好。最后，先啟動(dòng)拉伸試驗(yàn)機(jī)后再開(kāi)啟聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)，采集聲發(fā)射信號(hào)直到試件被拉斷。實(shí)驗(yàn)裝置如圖10所示。

圖10 試驗(yàn)裝置圖

3.3 數(shù)據(jù)對(duì)比與分析

當(dāng)試件被拉斷后關(guān)閉聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)，檢測(cè)系統(tǒng)采集到了拉伸過(guò)程中的聲發(fā)射信號(hào)。2個(gè)試樣被拉斷時(shí)的信號(hào)圖，其中橫軸是時(shí)間(s),縱軸是幅度(dB)如11圖所示。

圖11 幅值對(duì)時(shí)間散點(diǎn)圖對(duì)比圖

由上述兩組圖的對(duì)比可以看出，光纖采集的信號(hào)和電纜采集的信號(hào)吻合比較好。以此有理由相信基于光纖的聲發(fā)射信號(hào)采集系統(tǒng)是能夠替代傳統(tǒng)的電纜采集系統(tǒng)。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)多組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析可知，基于光纖的聲發(fā)射信號(hào)采集系統(tǒng)基本包含了傳統(tǒng)的電纜所有的功能，并且還能電纜采集所不具有的有點(diǎn)。該系統(tǒng)能在復(fù)雜的生產(chǎn)環(huán)境下進(jìn)行遠(yuǎn)距離信號(hào)傳輸，并具有很好的看干擾性。使用光纖對(duì)起重機(jī)械結(jié)構(gòu)健康遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)將會(huì)得到廣泛的應(yīng)用。基于光纖的聲發(fā)射信號(hào)采集技術(shù)為開(kāi)展遠(yuǎn)程機(jī)械結(jié)構(gòu)健康的監(jiān)測(cè)提供技術(shù)支持，具有非常好的發(fā)展前景。

[1] 李 力，陳向前，趙美云，等．起重機(jī)活性缺陷的聲發(fā)射信號(hào)特征[J]．無(wú)損檢測(cè)，2008，30(6)：334-337．

[2] 沈功田,戴 光,劉時(shí)風(fēng).中國(guó)聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)進(jìn)展[J].無(wú)損檢測(cè).2003,25(6):302-307.

[3] 劉 娟,丁克勤.光纖聲發(fā)射傳感器的研究現(xiàn)狀與展望[J].傳感器與微系統(tǒng),2010,29(9): 5-7.

[4] 李 威,羅春華,楊 臻.基于光電信號(hào)轉(zhuǎn)換原理與單片機(jī)的彈丸測(cè)速系統(tǒng)[J].機(jī)械管理開(kāi)發(fā),2008,23(6):29-30.

[5] 曾慶軍,劉 利,黃巧亮,等.具有遠(yuǎn)程監(jiān)控功能的光纖收發(fā)器及數(shù)據(jù)傳輸方法[J].中國(guó): 江蘇科技大學(xué)發(fā)明, 200910234398,2009,11,24.

[6] 丁克勤.大型起重機(jī)械運(yùn)行狀態(tài)虛擬仿真與動(dòng)力學(xué)評(píng)價(jià)方法應(yīng)用研究[R]. “十一五”支撐計(jì)劃課題(2006BAK02B04)研究報(bào)告.中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院, 2009.

Research on Monitoring System of Acoustic Emission of Structural Damage Based on Optical Fiber Transmission

Wan Shuai1，2，Li Qing1，Ding Keqing2，Zhao Na2，Li Na2

(1.Institute of Mechanical and Electrical Engineering, China Jiliang University, Hangzhou 310018,China； 2.China Special Equipment Inspection and Research Institute,Beijing 100013,China)

Acoustic emission detection technology as an advanced fault diagnosis technology, is widely used in the large-scale lifting equipment testing industry. The occurrence of interfere noise,the fashion of interfere and the effect to the system in the AE automatic online monitoring system is analyzed. At present， most of the acoustic emission signal transmission by cable，this way of transmission has a limited transmission distance, and signal easily disturbed. It proposed in this paper based on the optical fiber transmission technology, designed and developed a information collection system based on optical fiber acoustic emission monitoring.This way has the advantages of long distance transmission, strong anti-jamming capability.

acoustic emission technology; optical fiber transmission; information collection

2016-06-20；

2016-07-19。

國(guó)家863計(jì)劃課題(2015AA043702)。

萬(wàn) 帥(1989-)，男，江蘇宿遷人，碩士研究生，主要從事檢測(cè)技術(shù)方向的研究。

丁克勤(1968-)，男，安徽樅陽(yáng)人，研究員，博士，博士生導(dǎo)師，主要從事電磁檢測(cè)技術(shù)方向的研究。

1671-4598(2016)12-0020-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.12.007

TP273

A