基于Lab VIEW的多通道木材聲發(fā)射信號采集系統(tǒng)①

王明華,鞠 雙,李新慈,李曉崧,李 明

(西南林業(yè)大學 機械與交通學院,昆明 650224)

聲發(fā)射(Acoustic Emission,AE)是指材料變形和斷裂的過程中釋放應(yīng)力波的現(xiàn)象.材料在外力作用下產(chǎn)生的AE 信號,隱含著有關(guān)AE 源特性的重要信息,如材料狀態(tài)、裂紋產(chǎn)生時間、位置、變化趨勢及嚴重程度等[1].故而可以利用AE 技術(shù)對實測的AE 信號進行分析與處理,實現(xiàn)對材料缺陷的診斷和損傷過程的監(jiān)測[2,3].AE 信號作為一種非平穩(wěn)的隨機信號,能量微弱,采集易受到外界噪聲的影響[4,5],實現(xiàn)對AE 信號的有效采集是進行AE 研究的前提.

AE 信號采集系統(tǒng)在多個領(lǐng)域廣泛應(yīng)用,劉倩穎等[6]以PSoC 為控制核心,利用Lab VIEW 編寫軟件程序?qū)崿F(xiàn)對信號的實時采集;馬豪等[7]利用DSP 和ARM芯片設(shè)計了磨床AE 監(jiān)測系統(tǒng);李欣等[8]采用PLC 控制設(shè)計了工業(yè)振動信號采集系統(tǒng);在木材科學領(lǐng)域,對于AE 信號采集與處理研究,較多是借助Lab VIEW 軟件和NI 公司的數(shù)據(jù)采集卡搭建信號采集與處理系統(tǒng).朱曉東等[9]利用Lab VIEW 軟件搭建了木材振動信號采集與分析系統(tǒng),實現(xiàn)了對木質(zhì)材料振動信號的在線檢測;于帥帥[10]利用NI 設(shè)備設(shè)計了多通道AE 信號采集與分析平臺,實現(xiàn)了云南松表面AE 信號的采集及重構(gòu);Li Y 等[11]針對膠合板表面聲發(fā)射源定位問題,提出了互相關(guān)的AE 源定位法并利用Lab VIEW 搭建AE 信號采集平臺,有效提取AE 信號實現(xiàn)準確的源定位;丁小康等[12]利用基于Lab VIEW 的AD 數(shù)據(jù)采集、小波分析、頻譜分析等模塊,實現(xiàn)了對木材干燥過程的監(jiān)控.現(xiàn)有的研究較多是關(guān)注木材斷裂損傷等片段式信號的連續(xù)采集問題,當涉及到長時間的數(shù)據(jù)采集時,如木材蠕變、在役結(jié)構(gòu)件安全監(jiān)測等,進行不間斷的高速信號采集將會出現(xiàn)存儲數(shù)據(jù)過大現(xiàn)象,容易造成數(shù)據(jù)溢出或是系統(tǒng)性能表現(xiàn)不佳等情況.因此,實現(xiàn)對木質(zhì)材料在長時間載荷作用下產(chǎn)生的大數(shù)據(jù)的有效采集與存儲,已經(jīng)是木材聲發(fā)射研究中一個不得不克服的難點.

本文針對木材在長時間載荷作用下的AE 信號采集與存儲問題,設(shè)計一種基于Lab VIEW 的4 通道木材AE 信號采集系統(tǒng),實現(xiàn)每隔一定時間,存儲給定時長的數(shù)據(jù)并在計算機界面上顯示各通道的波形;同時將采集到的數(shù)據(jù)自動命名存儲在指定的路徑下,最后在力學試驗機上進行木材三點彎曲試驗并采集試件在斷裂過程中的AE 信號,以此驗證系統(tǒng)的效用.作為一種AE 信號采集工具,該系統(tǒng)能為研究木材在長時間載荷作用下的AE 特性提供基礎(chǔ)保障.

1 系統(tǒng)硬件組成

系統(tǒng)硬件包括NI USB-6366 高速采集卡、前端放大器、前放供電分離信號器、SR 150N 單端諧振聲發(fā)射傳感器及計算機等.用于實際AE 信號的檢測、傳輸及采集.

其中AE 傳感器用于檢測木材的AE 信號,現(xiàn)有研究表明木材AE 信號頻率最高約為200 kHz[13,14],故系統(tǒng)選用帶寬為22～220 kHz 的AE 傳感器;為減小AE 傳感器的輸出阻抗對AE 信號傳播的影響,系統(tǒng)配置了增益為40 dB 的PAI 前端放大器,用于放大傳感器的信號實現(xiàn)長距離傳輸;前放供電信號分離器主要用于給前端放大器供電和有效提取數(shù)據(jù)信號至NI 高速采集卡;根據(jù)香農(nóng)采樣定理為了不失真地恢復模擬信號有fs≥2fmax,而在實際工程運用中,采樣頻率fs為輸入信號最高頻率fmax的7～10 倍時,就可以正確還原信號得到理想的波形[15],所以系統(tǒng)采用采樣頻率最高可達2 MHz 的USB—6366 NI 高速數(shù)據(jù)采集卡作為AE 信號采集設(shè)備.系統(tǒng)硬件實物連接如圖1所示.

圖1 系統(tǒng)硬件連接圖

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟件部分采用模塊化設(shè)計,包括參數(shù)設(shè)置、信號采集與存儲設(shè)置及人機界面3 部分.其功能是將傳感器檢測到的AE 信號分段采集并儲存在系統(tǒng)指定的路徑下,以便后期進行數(shù)據(jù)分析時調(diào)用.再者就是在計算機界面上實時顯示信號波形信息及系統(tǒng)所處的運行狀態(tài)等.

2.1 參數(shù)設(shè)置及人機界面

參數(shù)設(shè)置模塊包括通道設(shè)置、采樣設(shè)置和觸發(fā)設(shè)置等,它與人機界面共同完成系統(tǒng)的物理通道、采樣數(shù)、采樣模式及文件存儲路徑等參數(shù)的配置,確保系統(tǒng)能夠在人為調(diào)控的情況下有序地進行.軟件程序及系統(tǒng)人機界面如圖2所示.

其中通道設(shè)置用于實現(xiàn)軟件系統(tǒng)與外部硬件系統(tǒng)之間的通信,從而將傳感器采集到的AE 信號轉(zhuǎn)化為模擬電信號;而采樣設(shè)置則是利用采樣時鐘控件來設(shè)置采樣率,采樣數(shù)、時鐘源等參數(shù),其本質(zhì)是一個用于產(chǎn)生各種時鐘脈沖的DAQ 定時器,保證采樣過程能夠周而復始有序地進行;為了適應(yīng)不同類型的數(shù)據(jù)采集需求,系統(tǒng)還配置了數(shù)字邊沿觸發(fā)、模擬邊沿觸發(fā)、數(shù)字邊沿參考及模擬邊沿參考4 種觸發(fā)模式.關(guān)于觸發(fā)采集的設(shè)置可以在人機界面中進行數(shù)字觸發(fā)源或模擬觸發(fā)源的選擇,并指定觸發(fā)源的觸發(fā)電平、觸發(fā)采樣及觸發(fā)發(fā)生的時刻,從而實現(xiàn)對系統(tǒng)采樣過程的控制.在人機界面上,除了上述的參數(shù)設(shè)置面板外,還集成了一些指示性的面板,如波形顯示、記錄指示燈、運行時長顯示等控件,用于指示系統(tǒng)當前的運行狀態(tài),使用戶能直觀地獲取系統(tǒng)的運行信息.

圖2 參數(shù)設(shè)置及人機界面

2.2 信號采集與存儲設(shè)置

信號采集與存儲是整個系統(tǒng)的核心,其功能定位為間隔性數(shù)據(jù)采集并在計算機界面上顯示波形信息,同時將數(shù)據(jù)按指定格式自動命名存儲.包括數(shù)據(jù)自動命名及儲存設(shè)置和存儲數(shù)據(jù)長度設(shè)置及圖形顯示兩部分.其程序框圖如圖3所示.

數(shù)據(jù)自動命名及儲存設(shè)置用于實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲判斷、文件命名更新及存儲路徑配置,其軟件程序如圖4所示.數(shù)據(jù)存儲的第一步是判斷該數(shù)據(jù)是否要存儲.本文利用循環(huán)次數(shù)i與常量2 的余數(shù)作為存儲參照進行判斷,當余數(shù)為0 時進行數(shù)據(jù)存儲,反之則不存儲.當存儲判斷的結(jié)果為“真”時,數(shù)據(jù)采集進入命名與存儲路徑階段.

圖3 采集模塊程序流程圖

圖4 自動命名及儲存設(shè)置軟件程序

為避免人為進行存儲路徑選擇與命名,首先掃描指定文件夾中要存儲類型文件的數(shù)量k;其次利用字符串控件將掃描到的文件數(shù)執(zhí)行k+1 并將data (k+1)轉(zhuǎn)為字符串;再次將文件掃描路徑作為基路徑,字符串data (k+1)作為創(chuàng)建路徑控件的相對路徑寫入;最后將創(chuàng)建路徑控件的輸出值寫入DAQmx 文件配置控件,實現(xiàn)在基路徑下以data (k+1)命名文件存儲.

存儲數(shù)據(jù)長度設(shè)置及圖形顯示模塊的核心作用:一是數(shù)據(jù)分段存儲;二是表征系統(tǒng)的運行狀態(tài)并顯示實時圖像信息.包括數(shù)據(jù)間隔設(shè)置、數(shù)據(jù)時長設(shè)置與圖像顯示2 部分,其軟件程序如圖5所示.本文利用在二級循環(huán)體內(nèi)部建立2 個并列的條件結(jié)構(gòu)并把上述存儲判斷結(jié)果作為條件結(jié)構(gòu)判斷依據(jù),實現(xiàn)對采集過程的記錄、間隔及顯示的控制.2 個并列的條件結(jié)構(gòu),一個作為圖像顯示判斷,當其條件值為“真”時,系統(tǒng)顯示實時的波形信息,值為“假”則不顯示實時圖像;而另一個條件結(jié)構(gòu)用于數(shù)據(jù)間隔與數(shù)據(jù)記錄判斷,當其值為“真”時,采集過程進入數(shù)據(jù)時長記錄配置,其值為“假”時,采集過程則進入數(shù)據(jù)間隔配置模塊.

圖5 存儲設(shè)置及圖形顯示模塊軟件程序

當某次循環(huán)屬于存儲階段時,系統(tǒng)進入時長設(shè)置與圖像顯示模塊.利用DAQmx 讀取控件獲取當前任務(wù)的模擬波形并通過索引數(shù)組將混疊的信號分離至各個傳感器.對于數(shù)據(jù)記錄則利用獲取當前時間控件分別獲取大循環(huán)處時間t0和圖像顯示二級循環(huán)體處的時間t1,兩者的差值T=t1–t0即是大循環(huán)到二級循環(huán)所用時間,如此便可以用T和輸入的記錄時長s進行比較判斷是否達到了記錄時長,從而跳出存儲循環(huán)進入新一輪的存儲判斷;而當某次循環(huán)是為不存儲階段時,此處的T則與輸入間隔時長t比較大小以判斷是否到了間隔時長,從而跳出間隔循環(huán)進入下一次的存儲判斷.

3 實驗與結(jié)果分析

3.1 材料及方法

為了驗證該系統(tǒng)的效用,采用尺寸為970 mm×40 mm×20 mm 的杉木鋸材試件在力學試驗機上進行三點彎曲實驗,實驗中試件跨距為260 mm,試驗加載速度為1 mm/min,4 傳感器在試件上表面呈中心對稱布置(如圖6).采集系統(tǒng)的記錄時長設(shè)置為0.5 min,間隔時長為0.2 min,采樣頻率為500 kHz,文件路徑為“F:實驗數(shù)據(jù)記錄2019-4-11 三點彎曲”.

圖6 傳感器布置示意圖

3.2 實驗驗證

根據(jù)上述的參數(shù)設(shè)置進行實驗,4 個傳感器在采集過程中的實時AE 信號情況如圖7所示,可以直觀地看到4 個傳感器的各自的信號波形及它們在混疊狀態(tài)下的波形信息,且信號波形的特性與AE 信號突發(fā)性特征一致.在該彎曲試驗中,杉木的彎曲斷裂過程歷時約為840 s,根據(jù)參數(shù)設(shè)置中的記錄時長0.5 min,間隔時長0.2 min 可知,實驗過程中,有240 s 屬于間隔不采集階段,故實際采集到的數(shù)據(jù)總時長為600 s,共20 組數(shù)據(jù),每組時長為30 s,文件自動命名為data1～data20,并保存在“F:實驗數(shù)據(jù)記錄2019-4-11 三點彎曲”文件夾下(見圖8),每組數(shù)據(jù)對應(yīng)著一段時間的AE 信號且各個數(shù)據(jù)之間間隔12 s,即data1 對應(yīng)0–30 s,data2 對應(yīng)42–72 s,兩組之間間隔了12 s,其他數(shù)據(jù)所對應(yīng)時間段情況依次類推即可.

圖7 實時AE 信號

采集到的數(shù)據(jù)是4 個傳感器混疊狀態(tài)下的AE 信號,為了更直觀的觀察杉木在整個彎曲損傷過程各個傳感器的AE 情況,利用信號分離程序從原始的混疊信號中析取了各個傳感器的時域信號.為方便表述,將5 個數(shù)據(jù)分為一個單元,則一個單元里有20 個獨立信號.各個單元析取完成后對應(yīng)傳感器的時域信號如圖9.

圖8 系統(tǒng)采集到的信號

圖9 杉木AE 信號時域圖

如圖9(a)從上到下分別對應(yīng)data 1、data 2、data 3、data 4、data 5 的各傳感器信號,從左到右分別對應(yīng)傳感器S1、S2、S3、S4 等4 個傳感器的時域信號.則由圖9可以看出杉木在彎曲實驗的前期,試件沒被破壞,系統(tǒng)的信號主要是以外部噪聲為主,故各傳感器沒有出現(xiàn)明顯的聲發(fā)射現(xiàn)象,表現(xiàn)為低幅值噪聲信號;到了中后期,隨著杉木斷裂過程的逐步加劇,杉木受到嚴重破壞,系統(tǒng)采集到的AE 信號則表現(xiàn)出強烈且急促的突變,由此可見,采集到的AE 信號能較好地表征杉木在損傷斷裂過程的大致情況.

為了進一步說明系統(tǒng)的效用,此處將data16 單獨取出加以說明,其時域波形信息如圖10所示.該階段處于試件斷裂的后期,聲發(fā)射現(xiàn)象顯著,表現(xiàn)為高幅值高能量,圖10很好地體現(xiàn)了這一斷裂特性,而且S2 和S3 距離聲發(fā)射源較近,S1 和S4 距離聲發(fā)射源較遠,AE信號在傳播過程中會有能量衰減,故AE 信號到達S1和S4 的幅值會低于S2 和S3,圖10的波形信息也準確地體現(xiàn)了AE 信號這一傳播規(guī)律.由此可見,該采集系統(tǒng)能夠很好地采集杉木在彎曲斷裂過程中的AE 信號.

圖10 630–660s AE 信號時域圖

4 結(jié)果與討論

本文介紹的基于Lab VIEW 的四通道木材AE 信號采集系統(tǒng),不僅能實現(xiàn)數(shù)據(jù)分段采集與自動命名存儲,還能在計算機界面上顯示各個通道的波形.人機操作界面配置了必要的參數(shù)設(shè)置面板及輔助指示控件,能直觀地反映系統(tǒng)當前的運行狀態(tài),具有一定的人機友好性.系統(tǒng)效用良好,能實現(xiàn)預期的功能需求,可應(yīng)用于多種不同的實驗領(lǐng)域.但是,該系統(tǒng)仍有改進的空間,如結(jié)構(gòu)不夠緊湊、程序冗長、實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集過程卻沒有配置相應(yīng)的模塊用于信號處理等.因此,在今后的實際應(yīng)用過程中,仍應(yīng)按照應(yīng)用領(lǐng)域的需求進一步對系統(tǒng)進行優(yōu)化與完善.