多通道、数字化声发射系统
1、厂家介绍：
美国物理声学公司（PAC）　始创于1978年，它的创立者是来自于Bell实验室的科学家Sotirios J. Vahaviolos博士。作为一家高科技公司，PAC公司依靠声发射领域众多卓越的人才和不断创新的技术而使公司得以迅速发展和壮大，且于1985年兼并了当时世界上最著名的声发射技术公司──美国Dunegan公司（成立于1968年），而使PAC公司成为世界上最大的声发射技术研发公司和公认的世界声发射技术的领导者。也正是由于PAC公司在声发射领域的一次次技术突破和创新，使声发射技术渐渐走出实验室而不断进入一个又一个工程应用领域，成功的解决了一个又一个工程问题, 并带领声发射技术向更深、更高和更实用的方向发展。自从进入二十世纪以来，经过几次兼并同行业其它公司的一系列资本运作过程，PAC公司已成为全球有数十家子公司及办事机构，员工总数近800人的全球性公司。不仅是世界声发射技术的领导者，而且成为民办NDT行业产品研发及技术服务的佼佼者。 目前，PAC公司的声发射产品和技术服务占全球市场份额的85%以上。
PAC公司的业务包括科研项目研发（R&D)、声发射检测、超声C-扫描检测、振动检测、电阻测量仪等无损检测设备的生产与销售、技术咨询、技术服务及培训认证等多个领域。
　　20多年来，PAC研发中心为美国国防、政府部门及大公司等领域完成了数十个项目研发及应用的交钥匙工程。同时，PAC公司为如下领域世界排名前100名的许多大公司的数千台工业设备进行过声发射安全检测和评估。
压力容器检测
贮罐检测管道检测
阀门检测桥梁检测
变压器检测铁路罐车检测
起重设备检测压力气瓶检测
航空航天器的检测核电站松动部件、泄漏检测等
摘要：
　  在现在的经济观点中，结构必须保持工作的时间要比初始预期的时间要长的多。这些结构的老化效应变得很显著，并在确定关于这些结构使用、维护和退役方案时必须考虑老化效应。
　用于监控结构状况的无损检验技术的发展是非常活跃的，且这些发展主要集中于已存在结构现有寿命的延长和维护费用的降低。
　　一种快速、准确和成本较低的结构监控方法是声发射(AE)和超声-声发射(AU)，这种方法已被证明非常可靠，并能检测"局部"和"全局"。AE/AU技术可以在可能的灾难性故障以前检测结构缺陷，补充其他的无损检测检验方法。AE/AU技术在预定的维护计划中结构健康监控已被证明是可靠的、合理的技术。这是因为在危及结构完整性和结构故障发生之前，中断处可以产生可检测到的声发射。声发射技术和超声-声发射技术可以应用于现在很多的老化结构问题，范围涉及航天工业中的结构健康监控。确定混合复合材料结构由活动缺陷引起的不连续处。本文将检验这种技术，并讨论几种应用和监控案例。
介绍：
　  声发射 (AE)是从材料中的损伤源快速释放能量而产生的弹性应力波。这些弹性波可以监测到并转换成压电信号，这些由安装在材料表面的小的压电晶体传感器完成。传感器响应通过前后滤波器去除频率低于100KHz的可听得见的噪声。结果表明即使是周围的噪声水平很高使用声发射也能监控结构的活动损伤。声发射的损伤源包括断裂、塑性变形、冲击、磨擦、腐蚀膜层破坏及其他过程。对于检测几百平方微米或更小的表面上新形成的裂纹，声发射有足够的灵敏度。
　  超声-声发射(AU)是在具有声发射应用特征的频率范围内使用超声波方法。该技术能检测和描绘单层和多层金属、陶瓷和复合板材料结构的差异。也能对微观结构、金属厚度和厚的复合材料进行腐蚀及分布差异的检测。AU使用脉冲发生器和接收传感器以低超声范围内的共振频率，结合波传播动力学预测来检测损伤。超声波被表面和界面反射回来，由于散射和吸收衰减，在反射和播送中模式发生变化。这些结果主要依赖于波的频率、方向、初始模式和表面损伤的位置和方位。当结构发生损伤时，信号发生变化就表示损伤类型。通过计算信号中给定的损伤类型和度的平均变化。可以从AU测量值来估算损伤。
2、产品介绍：
DiSP系统--高速度、高性能系统
　　DiSP系统由并行处理的PCI-DSP-4卡构成。PCI-DSP-4卡是在成功的AEDSP-32/16卡基础上开发的新一代DSP卡。它也是以32位数字信号处理(DSP）为基础的数字化声发射卡。
DiSP系统的主要特性：
? 每块PCI-DSP-4卡4个AE通道；
? PCI总线及高速DMA技术提供AE数据与计算机之间132MB/秒的数据传输速度；
? 16-bit，10MHz A/D转换器，>82dB动态范围不再需要增益设置；
? 每通道4个高通，4个低通选择可构成13种滤波范围，而且全部由软件控制；
? 高性能：32位浮点DSP处理器具有150MFLOPS处理能力；
? 噪声最小门槛值：18dB;
?频率范围：10KHz-2.1MHz (±1dB)
? 20000Hits/秒，2000Waveform/秒的高速处理速度；
?第一块PCI-DSP-4(母板)上具有8个外参数输入功能；
? 外参数采样率：20KHz；
? 多个硬件FPGA（可编程门阵列）及ASIC IC设计提供最强的性能和最低的成本
? 波形处理选件模块上的高速40MIPS 数字信号处理器（DSP）缓冲存储器可对所有通道进行波形捕捉及处理
? 数字信号处理电路避免了漂移现象，实现更高的精度和稳定性
PCI-DiSP-4卡性能参数:
物理参数:
? 尺寸：12.28"Lx4.2"Hx0.6"T
　　　　(311.9x106.7x15.2mm)
? 重量：1.1磅
? 电功耗：18W
? 直流电源：+12.0V 0.6amp，-12.0V 0.1amp
　　　　　　+5.0V 2.0amp(1amp 可从+3.3V)
计算机接口：PCI总线(可直接插入计算机)
电参数：
? 声发射输入：4通道
? 输入阻抗：50W
? 传感器测试：AST（自动传感器测试）
? 频率响应：10KHz-2.1MHz+/-1.0dB
SPM模块（插在PCI-DSP-4主板上）：
? 尺寸：3.5"x6.5"带有滤波器和A/D转换器
? 滤波器：4个高通（软件控制）
　10KHz,20KHz,100KHz,200KHz,
　　　　　4个低通（软件控制）
　100KHz,200KHz,400KHz,2.1MHz
? 噪声最小阈值：18dB
? 最大信号幅度：100dB
? A/D类型：16位10M采样率/每通道
? 动态范围：>82dB
? 采样率：固定@10MSPS（对于特征）
处理器：TMS320C33 (或更高)-32位浮点DSP处理器。
? 速度：75MHz, 150MFLOPS
波形模块选件：4通道插件模块
? 处理器：DSP处理器
? 波形内存：128Kbytes/每通道基本
? 采样长度：每通道1-15K
? 波形采样率：可选10MSPS, 5MSPS,2.5MSPS, 1MSPS, 500KSPS,　200KSPS, 100KSPS
外参数输入：所有外参数都从第一个卡输入
? 参数通道数：基本为8个参数在第一块卡上, +/-10V输入，16位A/D
? 参数输入类型：1-2通道为差动输入3-8通道为单端输入
? 参数采样率：20KHz对每个模拟量参数高速A/D可达20KHz
? Hit驱动参数：2个模拟量Hit参数，串行总线将参数传到所有PCI-DSP-4卡
? 时间参数：全部8个参数都可用在时间数据设置
? 时间驱动数据率：10msec-60sec,由软件控制
? 参数时间门：AE数据采集由参数值抑制。两个阈值, 灵活的门选项-外部阈值，内部阈值，阈值之间，正/负斜率。
? 循环记数类型：24 bit 记数分辨率。软件可编程的阈值，从0-5.00V以10mV步长。独立软件可选模拟量参数通道源1-4（滤波或不滤波）。串行总线将循环参数传到所有PCI-DSP-4卡。
音频监视：软件可控制模拟量开关及缓冲器来选择所需通道来激活音频检测板。
LED显示：卡上Hit LED直接驱动
监视：连接到前面板上的LED
SAMOS 系统－－高集成、低价位系统
　SAMOS系统是PAC公司第三代全数字化系统，其核心是并行处理PCI总线的声发射功能卡-PCI-8板，在一块板上具有8个通道的实时声发射特征提取、波形采集及处理的能力。是PAC公司目前集成化更高、价格更低的系统，更适用压力容器检测等工程应用。
SAMOS系统的主要特性：
? 数字化的8个声发射特性/波形通道在一个PCI卡上；
? PCI总线提供声发射数据与PC机的传输速度可达132M/S；
? 4个高通，4个低通可供选择，可通过软件进行控制来组成13个滤波段；
?8个并行处理器 3MS/S 16位A/D转换器；
? 最大信号幅度：100dB；
? 每个PCI-8板的2个外参数的输入更新速度可达10，000个数据/S；
? 并行的FPGA处理器和ASIC IC芯片可提供非常高的性能和更低成本费用；
? 硬件实现的AE特征采集提供高速传输下的高速特征采集及实时分析；
? 方便使用SMB连接头；
? 1-400KHz的带宽；
? 内置的波形处理功能、DMA技术、及PCI总线结构可最大限度的实时采集/处理及传输所有通道的AE参数及波形数据以满足高水平声发射应用的要求；
? 数字信号处理器可达到高精度和可信度的要求.
声发射传感器
　  在声发射测试中，选择适合的传感器是至关重要的。美国物理声学公司（PAC）研制生产的各种类型的声发射传感器会达到用户不同的要求。PAC公司研发、生产传感器的历史源于1968年的DUNEGAN公司，拥有独有的技术，广泛应用在声发射研究、检测的各个领域。
 　传感器的作用是接收材料、结构内部的声发射信号。压力容器、储罐、热交换器、管线、反应器、航空推进器、核电站的设备等许多类型的结构都可以用声发射进行监控。在所有的应用中，声发射传感器是连接结构与分析仪器之间的桥梁，所以，声发射传感器的性能对测试是非常重要的。
 　PAC公司的声发射传感器在外形尺寸、频率范围及温度范围、包装形式上是多种多样的，可以适用与不同的应用环境。如：普通型、 宽频型、高温型、水下型、单向型、前放一体化型等。
结构健康状态监控(SHM)系统：
　 声发射-直升机健康状态和使用监控系统(AE-HUMS)是一种用于直升机动力传动系统中检测损伤的装置。该系统使用SH-60动力传动系统(组成见图1)获得的实验数据研制而来。使用该数据显示AE-HUMS系统有能力检测动力传动系统中不同部件的多种损伤过程，能估算相对损伤危害度，及能识别损伤进展，例如：裂纹扩展等。在副齿轮中扩展的裂纹能在故障发生前15分钟检测出来。
   同时，还能检测和监控裂纹形成前数小时由损伤引起的裂纹(如图2)，有迹象表示将来对系统修改将允许裂纹的形成和裂纹扩展，并可以与其他类型的损伤扩展区分开来。在广泛的应用范围内AE-HUMS系统用来监控动力传动系统、齿轮箱及转动零件有很大的潜力。
  目前装配的AE-HUMS系统提供了四个级别的损伤指标。每个通道显示一个状态条，四种颜色中的一种表示部件的一种状态。这些颜色是：绿色表示无故障情况；黄色表示可能的最小无扩展损伤；橙色表示明确的和严重的无扩展损伤；红色表示严重的扩展损伤。无声音报警。操作员可以关掉任一通道或整个系统。
　 飞机全尺寸疲劳试验(FSFT)：现在的无损检测技术,象超声波、涡流和放射线照相术要求很高的经过培训的技术人员，花费很多时间寻找显著区域，且经常分解机架结构以确定裂纹位置和长度。目前，检测位置和间隔必须依据以前的缺陷统计特征。然后必须在所有位置进行无损检测扫描来确定是否有真正的缺陷存在。使用声发射允许通过裂纹扩展声音识别点位置检测。
　 全尺寸疲劳试验是依据在实际产品结构预先加载与服役中一样的循环载荷原理。试验的自动加载系统在比实际运行服役短很多的时间段内提供很多次载荷循环。因为强迫缺陷扩展，在维修它时要和实际操作规程一样。这个试验全部目的是确定疲劳临界位置和在这些位置上疲劳寿命和裂纹扩展特征。
　FSFT的独特方面是载荷模式，即：疲劳载荷谱依据于实际运行数据。在早期产品阶段(图3)完成全尺寸试验通常使用很低危害的疲劳载荷谱(和多数飞行目前进行载荷谱比较)，期望的飞行使用寿命也比现在要求机架寿命短。这就导致要保持我们旧的飞行就要求越来越多的FSFTS。
　声发射试验是一项在应力状态下"听"结构的技术。在预加应力的结构中裂纹或缺陷发射声波。这些波通过结构传播并由一组压电晶体传感器收集信号。这些信号传输到基于仪器的计算机中来分析波形特征，通过比较在传感器组中不同传感器信号的到达时间，可以确定缺陷点所在的位置。
　声发射在F-15疲劳试验上的应用主要集中于飞机上的几个关键的结构(图4)。主要感兴趣的点是在机翼和机身之间的连接耳片。这些中间的和主翼梁上的耳片在工作过程承受巨大的载荷并经常在现场进行检测。机翼和机身固定耳片将机翼主梁与机身隔壁连成一体，由2124铝合金，7075铝合金和6A1-4V钛锻件加工而来。
   即使使用最现代的传统检测技术确定疲劳裂纹的位置也常常很困难。声发射有告诉检测人员什么时间什么区域检测的能力。用这个系统可以节省试验停车时间，减少试验样机发生灾难性故障的机率，用该系统获得较好地对裂纹形成的理解。这种类型的仪器(图5)对疲劳研究是非常有用的，总有一天我们将看到空中声发射监控设备作为一种重要的监控系统。图6和图7所示为传感器和前置放大器在FST飞机上的位置。
  飞行声发射（AE）作为一种健康状态管理试验在DC-XA三角机翼运输机技术验证机上获得了成功地验证。AE系统作为商业可买到的仪器单元修改用于自动控制和重设计AEFIS，AEFIS表示声发射飞行仪器系统。声发射技术预示着对满足新的要求有了希望：能监控和反馈关于结构、燃油箱和燃油系统状态的信息并传递给机载计算机。未来空间旅行的最关心的问题之一就昌微陨石冲击，它能碰击飞行器上升、下降及在轨道上运动，特别是复合材料结构逐步成为主流。在飞行器上用声发射，它能被动地"听"结构并确定冲击发生的位置。一旦发生冲击，系统确定冲击部位并评估它的危害度。确定位置以后，系统横过冲击区域完成AU试验：主动发射脉冲到AE传感器及获得收到的数字化波形并和地面标定获得的波形进行比较。然而这个试验结果进入人工智能化(AI)算法以便给进行下一步或不进行下一步命令(即：如果损伤发生在陶瓷热防护罩上，就可以从分裂及燃烧掉的状况前挽救结构。) 象前面提到的，AEFIS最初设计作为一种原型反馈关于LH2箱结构和工作环境，包括温度极限、振动和背景噪声等信息。其他技术挑战有：
?修改标准的AE系统不用主动冷却就能工作；
?通过滤波器去除高背景声音和电噪声；
?去除电磁干涉(EMI)；
?随状态更新能直接与火箭PC机通信，自检查和指示；
?由结构完整性分析数据并将数据相关联；
?由火箭飞行器提供飞行数据基线。
　　研制一套AEFIS装置可能采用现成的产品将超过6个月时间。在飞行器内部将最后的配置安装到着陆脚支柱上，将AE传感器由电缆连到LH2箱上并包括前置放大器(图9)。该装置使用耐用的工业PC机带后板CPU，(2) PAC AEDSP 32/16AE板，一块24VDC电源用飞行器动力并且是固体状态硬件驱动。最后配置尺寸为6.5"X9.5"X15.5"，重23磅，无可移动零件(图10)。软件来自标准软件，在安装过程中允许有多种选择增加自控自检能力，系统状态I/O及通过母系连接加载/下载能力等特征。母系连接常用来加载新的试验配置和下载试验数据，通过位于飞行器外面的一面板接入的笔记本电脑完成。
   使用的传感器也是现成的产品并包括三种不同类型，选择传感器根据它们的频率响应、大小、灵敏度及在火箭中燃料加载，飞行和着陆过程中承受苛刻温度和振动振荡的能力，图11所示为三种传感器中的两种及它们的大小。