梁藝軍,劉俊鋒,張巧萍,吳雷,樊晨光

(哈爾濱工程大學 理學院,黑龍江 哈爾濱 150001)

聲發(fā)射(AE)是材料結(jié)構(gòu)受外力或內(nèi)力作用產(chǎn)生變形或斷裂時,以某種彈性波形式釋放出應(yīng)變能的現(xiàn)象.聲發(fā)射信號可以借助高靈敏度的聲發(fā)射檢測儀檢測、分析,從而推斷聲發(fā)射源(如裂紋)的位置和活動度.近年來,聲發(fā)射技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于設(shè)備無損檢測、在線監(jiān)控等場合.聲發(fā)射源定位技術(shù)是聲發(fā)射技術(shù)研究的核心問題之一,由于此檢測技術(shù)的無損性和動態(tài)性,目前已經(jīng)成為檢測材料缺陷或結(jié)構(gòu)完整性的重要手段[1].

在已開發(fā)的諸多聲發(fā)射檢測儀中,較為先進的多通道聲發(fā)射檢測系統(tǒng)一般裝備了微型計算機,具有檢測、定位、分析等功能[2-4],但價格極其昂貴.傳統(tǒng)的聲發(fā)射檢測儀多采用壓電陶瓷作為敏感元件,其檢測靈敏度受到壓電傳感器諧振頻率的限制.光纖傳感器具有檢測頻率范圍寬、不受電磁干擾等優(yōu)點,又由于光纖自身的特質(zhì)(柔軟性好、幾何尺寸小、耐腐蝕等),亦可埋入固體材料結(jié)構(gòu)內(nèi)部,實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)健康的長時間監(jiān)控[5-6].因此本文擬采用光纖Sagnac干涉儀作為聲信號的敏感元件,構(gòu)成傳感方陣,基于AVR系列單片機開發(fā)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),利用VB語言設(shè)計聲發(fā)射信號處理軟件,構(gòu)建一成本低廉、檢測靈敏度高、適用范圍廣泛的聲發(fā)射源定位平臺.

1 基本原理

1.1 光纖傳感器檢測聲發(fā)射信號原理

單模光纖Sagnac干涉儀用于超聲波檢測的原理結(jié)構(gòu)由圖1給出.l1和l2是干涉儀的2個臂,起傳輸光信號的作用.l是一段被纏繞成圓環(huán)狀的光纖,用來接收或感應(yīng)超聲波,2×2光纖 3 dB耦合器被用來分解和合成干涉光束.從耦合器的一端注入的激光經(jīng)過耦合器后被分成兩束,一束光經(jīng) l1→l→l2傳輸?shù)捷敵龆?另一束經(jīng)l2→l→l1傳輸?shù)捷敵龆?當超聲波作用于圓環(huán)狀光纖l時,在l中傳輸?shù)膬墒獾奈幌啾徽{(diào)制.超聲波對干涉儀的 2個臂l1和 l2的作用可以忽略不計[7-8].

圖1 光纖Sagnac干涉儀原理圖Fig.1 Schematic of the fiber op tic Sagnac interferometer

到達光探測器的兩束光的光波場EL和ER分別可表示為

式中:A是與注入光的振幅和耦合器的插入損耗成正比的常數(shù);ω是光波的頻率;φs是超聲波導致的傳感區(qū)域兩束光位相的變化;τL和τR分別是這兩束光通過傳導光纖l1和l2從光纖敏感區(qū)域l傳播到光探測器所經(jīng)歷的時間;φ1和 φ2分別是兩束光在光纖敏感區(qū)域l的初位相,它們與傳導光纖 l1和l2的長度有關(guān).由式(1)和(2),輸出到光探測器的光強度為

式中:Δφs=φs(t-τR)-φs(t-τL),Δφ=φ2-φ1.

給PZT加載一個正弦波電壓,并認為PZT的振動為超聲波且在鋼板中線性傳播.作用在光纖l上的超聲波(或振動)對l中傳輸?shù)墓獠ㄎ幌嗟恼{(diào)制可以被表示為

式中:ωu是超聲波的頻率;φs0是位相變化的幅值,與超聲波的強度成正比.Δφs可表示為

其中,τ=τR+τL,τ′=τR-τL.

在實際檢測中,通常只關(guān)心信號的交流部分,式(3)可以被改寫為

其中,γ=2φs0sin(ωuτ′/2).

通過MATLAB軟件對式(6)進行了仿真,當γ的數(shù)值較小,而 Δφ接近于 π/2時,干涉儀處于正交狀態(tài),輸出信號的基頻和超聲波調(diào)制信號的頻率相同.當 Δφ接近于 0或 π時,干涉儀輸出信號中除基頻外,含有越來越明顯的倍頻分量.由此可見,只要合理的構(gòu)建干涉儀系統(tǒng),使之工作在正交區(qū)間附近,即 Δφ=π/2附近的區(qū)域,即可用于聲發(fā)射信號的檢測.

1.2 聲發(fā)射源定位原理

本系統(tǒng)采用歸一化矩形陣列定位方法,它是一種將聲源位置坐標歸一化的定位方法.這種方法數(shù)學表達形式簡單、對稱,易于進行數(shù)據(jù)處理,在公式的推導過程中沒有作任何近似假設(shè),表達準確,并且不經(jīng)過判斷就可以確定唯一解[9].

要在鋼板上進行聲源定位,首先將定位系統(tǒng)等效成一個理想的模型:激勵源在鋼板上所產(chǎn)生的聲波,波速為一常數(shù),即不受介質(zhì)本身性質(zhì)的影響;四路傳感器的響應(yīng)特性相同;聲源及傳感器都近似成點.聲發(fā)射源的定位是利用四路傳感器接收到聲源發(fā)出同一聲波的時刻不同,當有傳感器采集到信號后,開始計時,依次記下另外 3個傳感器所采集到信號的時間,在根據(jù)已知的速度就可計算出聲源的位置.

建立幾何模型如圖2所示,取矩形的長為a,寬為b,1點處的幾何坐標為(0,0),聲源的位置坐標為(x,y).

圖中傳感器 1、2、3、4為四路傳感器所在的位置;r為聲源到1的距離;聲源到 2的距離與聲源到1的距離差S2=vt2,聲源到 3的距離與聲源到 1的距離差S3=vt3,聲源到 4的距離與聲源到 1的距離差S4=vt4,其中 v為聲波在該介質(zhì)中的傳播速度, t2、t3、t4分別為采集信號的時間差.

圖2 聲源定位原理示意圖Fig.2 Schematic of the principle of the acoustic source

根據(jù)圖 2,當信號先到達傳感器 1時,列出方程有

解得

同理即可求出信號先到達傳感器 2、3、4等其他情況下的x、y坐標值.

2 聲發(fā)射源定位系統(tǒng)開發(fā)

隨著計算機的迅速普及和計算機控制技術(shù)的發(fā)展,計算機被廣泛應(yīng)用于自動化監(jiān)控領(lǐng)域之中.而要完成一個監(jiān)控過程一般都要利用集散式計算機控制系統(tǒng).在這種監(jiān)控系統(tǒng)中,下位機主要完成對現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集和對設(shè)備一級的監(jiān)控,上位機則要完成對整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、分析、處理、控制以及數(shù)據(jù)、圖形顯示、打印、人機對話等工作.而上位機與下位機大多是通過PC機的RS-232串行接口或USB接口實現(xiàn)通信.

2.1 上位機軟件程序設(shè)計

上位機的作用是對下位機采集的數(shù)據(jù)進行分析處理,得到所要的結(jié)果,并實現(xiàn)對下位機的控制.本實驗平臺以VB6.0作為開發(fā)環(huán)境,主要應(yīng)用VB自帶的MSComm控件來實現(xiàn)上位機(計算機)與下位機(單片機)的串口通信[10-11],所設(shè)計的軟件界面可以對聲發(fā)射源定位信號采集處理電路采集到的聲發(fā)射源信號進行處理,包括繪制出每一路信號的波形,根據(jù)定位原理的計算結(jié)果顯示聲發(fā)射源的位置,針對各傳感器初位相不同而附加時間差修正等功能.實驗平臺設(shè)計流程圖如圖3所示.

圖3 實驗平臺設(shè)計流程圖Fig.3 The flowchart of the experimental p latform

2.2 下位機硬件實現(xiàn)

下位機主要完成對現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集和對設(shè)備的一級監(jiān)控.本實驗平臺的下位機主要由 4通道放大電路和數(shù)據(jù)采集電路組成.光纖Sagnac環(huán)形傳感器輸出的干涉信號要通過電信號的形式加以表現(xiàn),而光電轉(zhuǎn)換器的輸出電壓是毫伏量級,很難進行后續(xù)的信號處理,因此要對其進行適當?shù)姆糯?系統(tǒng)的放大電路部分主要由低通濾波器,高通濾波器,放大器組成.采用OP07芯片的單路放大電路如圖4所示.數(shù)據(jù)采集電路的作用主要是將模擬電信號經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后傳送給計算機,主要由模數(shù)轉(zhuǎn)換器,單片機電路兩部分組成.為了節(jié)約成本,采用模數(shù)轉(zhuǎn)換器復用的方式實現(xiàn)4通道模數(shù)轉(zhuǎn)換.由于數(shù)據(jù)采集對單片機的速度有一定要求,選用ATmega32,它具有比普通的微控制器高至 10倍的數(shù)據(jù)吞吐率.通過 AT-mega32將模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果采入單片機后,再通過MAX 232對其進行電平轉(zhuǎn)換,即可實現(xiàn)單片機與計算機的串行通信異步傳輸.數(shù)據(jù)采集電路圖如圖 5所示[12-13].

圖4 單路放大電路圖Fig.4 The circuitof the single channel amplifier

圖5 數(shù)據(jù)采集電路圖Fig.5 The circuit of the data acquisition

3 模擬聲發(fā)射源定位實驗

實驗采用一種自制機械式聲發(fā)射模擬源激勵鋼板,在鋼板上排布4個Sagnac干涉式光纖傳感器,并將放大器,數(shù)據(jù)采集電路與計算機相連,實驗系統(tǒng)如圖6所示,鋼板尺寸為825 cm×545 cm,圖中所示交叉網(wǎng)格為10 cm×10 cm.實驗過程中,首先在4個光纖傳感器確定的矩形中心敲擊,理論上 4個傳感器探頭會同時接收到聲發(fā)射信號,因為有初相位的存在,導致四路信號存在時間差,計算機可以通過此次敲擊信號獲取當前實驗條件下的時差參考修正值.

保存參考時差修正值后即可進行定位實驗,進行定位實驗時首先點擊軟件上的“開始采集”按鈕,此時計算機發(fā)給下位機一個開始采集的命令,采集電路部分開始工作,然后在鋼板上選擇一位置進行敲擊,采集電路將采集到四路傳感器檢測的信號,采集完成后將對采集的數(shù)據(jù)進行處理并發(fā)送給計算機,計算機接收到串口傳來的數(shù)據(jù),解調(diào)處理后即可完成波形的繪制與聲發(fā)射源位置的計算.

實驗過程中,均勻選取鋼板上的點作為測試點.聲源作用點為(150mm,150mm)時所采波形如圖7所示.實驗共測試鋼板上隨機選取 16個點,當無時間修正值時定位結(jié)果如圖 8所示,加入時間修正值后的測試結(jié)果如圖9所示.

圖6 聲發(fā)射源定位實驗系統(tǒng)Fig.6 Experimental system of the acoustic source location

圖7 測試點(150,150)敲擊波形圖Fig.7 The waveform when knocking at test point(150,150)

實驗結(jié)果表明此實驗平臺用于模擬聲源定位是可行的,由圖 8、9可以直觀的看到各位置測量結(jié)果的偏差程度,圖中三角形圖例表示測試點的標準位置,圓形圖例表示測試位置.加入時差修正值后,測試結(jié)果精度明顯提高.定位結(jié)果的橫向誤差范圍小于4 cm,縱向誤差范圍小于5 cm,個別點在某一個方向的定位精度較高.圖中可見,鋼板邊緣點相對精度較中心點高,原因是中心坐標精度受時間差法影響較大.

影響聲發(fā)射源定位精度的因素很多,環(huán)境的波動,光源的波動,傳感器與聲源的尺寸,各個傳感器初相位的差異,鋼板結(jié)構(gòu)的各向異性,鋼板中波的選取,聲發(fā)射信號計算點的選取等都可以使定位結(jié)果產(chǎn)生偏差.實驗中加入時差修正值,目的在于克服傳感器間初相位的不同對定位精度的影響,實驗結(jié)果表明,初相位的影響因素在一定程度上可以提高定位精度,對于其他影響因素,還有待進一步研究.

圖 8 無時差修正值時測試結(jié)果Fig.8 Test resultswithout time difference correction value

圖 9 加入時差修正值時測試結(jié)果Fig.9 Test resultswith time difference correction value

4 結(jié)束語

本文給出了光纖Sagnac環(huán)形傳感器檢測聲波及實現(xiàn)聲源定位的原理,提出了基于光纖傳感器的聲發(fā)射源定位實驗平臺的開發(fā)與設(shè)計,給出了基于VB6.0的軟件設(shè)計方案及基于ATmega32的硬件采集電路的硬件實現(xiàn)方案.通過模擬聲源定位實驗驗證了以上設(shè)計思想及方案,嘗試用時間值修正的方法提高定位精度.基于以上實驗平臺的開發(fā),為后續(xù)的信號處理提供了良好的條件,為了進一步提高定位精度,可以對采集的信號進行小波分析,頻譜變換等信號處理手段,找到合適有效的定位算法,得到更為滿意的定位結(jié)果,構(gòu)建成本低廉、檢測靈敏度高、適用范圍廣泛的聲發(fā)射源定位平臺,使聲發(fā)射技術(shù)在材料研究、壓力容器評價、飛機構(gòu)件的強度監(jiān)視、混凝土結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)監(jiān)控等方面獲得廣泛應(yīng)用.

[1]藤山邦久.聲發(fā)射(AE)技術(shù)的應(yīng)用[M].馮夏庭,譯.北京:冶金工業(yè)出版社,1996:13-83.

[2]JOMDECHAA C,PRATEEPASEN A.Study on source location using an acoustic emission system for various corrosion types[J].NDT＆E International,2007,40:584-593.

[3]沈功田,耿榮生,劉時風.聲發(fā)射源定位技術(shù)[J].無損檢測,2002,24(3):114-117.

SHENG Gongtian,GENG Rongsheng,LIU Shifeng.Acoustic emission source location[J].Non Destructive Testing, 2002,24(3):114-117.

[4]WATANABE K,NIWA J,IWANAMIM,YOKOTA H.Localized failure of concrete in compression identified by AE method[J].Construction and Building Materials,2004,18 (3):189-196.

[5]YUAN L B,ZHOU L M,JINW.Detection of acoustic em ission in structureusing Sagnac-like fiber-loop interferometer[J].Sensors and Actuators A,2005,118:6-13.

[6]YUAN L B,ZHOU L M,JIN W.Long-gauge length embedded fiber optic u ltrasonic sensor for large-scale concrete structures[J].Optics＆Laser Technology,2004,36:11-17.

[7]梁藝軍,徐彥德,劉志海,等.環(huán)形光纖聲發(fā)射傳感器的相位調(diào)制特性研究[J].光子學報,2006,35(9):1337-1340.

LIANG Yijun,XU Yande,LIU Zhihai,YUAN Libo.Frequency response of coiled-fiber optic sensor for detection of the acoustic emission[J].Acta Photonica Sinica,2006,35 (9):1337-1340.

[8]梁藝軍,劉志海,楊 軍,等.測量微振動的光纖Sagnac干涉?zhèn)鞲衅鱗J].哈爾濱工程大學學報,2007,28(1): 118-122.

LIANG Yijun,LIU Zhihai,YANG Jun.Optic fiber Sagnac interferomettric sensor for measutrment of feeble vibration [J].Journal of Harbin Engineering University,2007,28 (1):118-122.

[9]龔 斌,金志浩,齊 輝,等.無須測量聲速的聲發(fā)射源定位方法研究[J].儀器儀表學報,2007,28(1):185-188.

GONG Bin,JIN Zhihao,QI Hui,WEN Bangchun.Research on acoustic em ission source locating method without measuring the sonic speed[J].Chinese Journalof Scientific Instrument,2007,28(1):185-188.

[10]李江全,張 麗.Visual Basic串口通信與測控應(yīng)用技術(shù)實戰(zhàn)詳解[M].北京:人民郵電出版社,2007:87-181.

[11]瑪 昊.Visual Basic程序設(shè)計與上機指導[M].北京:清華大學出版社,2000:101-196.

[12]馬 潮,詹衛(wèi)前.耿德根.ATmega8原理及應(yīng)用手冊[M].北京:清華大學出版社,2003:100-152.

[13]宋建國.AVR單片機原理與應(yīng)用[M].北京:北京航空航天大學出版社,1998:1-40.