，，，

（1.北京化工大學(xué) 化工安全教育部工程研究中心，北京 100029；2.美國(guó)物理聲學(xué)公司 北京代表處，北京 100029）

基于USB AE模塊的便攜式聲發(fā)射檢測(cè)設(shè)備是新型的聲發(fā)射設(shè)備，其靈活性大大提高，是聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)的重要發(fā)展，對(duì)于聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)的推廣與應(yīng)用具有重要意義。

聲發(fā)射檢測(cè)過(guò)程中，當(dāng)管道泄漏時(shí)，由于內(nèi)部壓力，造成管道中介質(zhì)噴射從而誘發(fā)瞬態(tài)彈性波，并且其沿管壁材料傳播到表面，產(chǎn)生表面微位移。將聲發(fā)射傳感器置于管壁，傳感器通過(guò)壓電效應(yīng)將材料表面的微機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，然后經(jīng)放大、傳輸后顯示和處理。聲發(fā)射信號(hào)實(shí)際上是由一個(gè)或多個(gè)AE事件經(jīng)系統(tǒng)處理得到的電信號(hào)［1]。這些來(lái)自聲發(fā)射源（即泄漏點(diǎn)）的信號(hào)載有源的特征信息，解析這些信息可以掌握管道的泄漏情況，達(dá)到檢測(cè)泄漏的目的。

筆者將闡述利用USB AE模塊設(shè)計(jì)多通道的便攜式聲發(fā)射設(shè)備，并圍繞如何提高便攜式USB聲發(fā)射軟件系統(tǒng)可操作性這一問(wèn)題，重點(diǎn)研究基于USB AE模塊的管道泄漏檢測(cè)系統(tǒng)的開發(fā)。

1 硬件結(jié)構(gòu)

1.1 USB AE模塊

試驗(yàn)所使用的是美國(guó)物理聲學(xué)公司（PAC）的高性能USBAE模塊。與傳統(tǒng)的聲發(fā)射板卡不同，USB AE模塊是基于USB（Universal Serial Bus）通用串行總線技術(shù)的，這一技術(shù)進(jìn)步使得聲發(fā)射設(shè)備脫離了PCI插槽的束縛，從而可以擺脫笨重的工控機(jī)。USB AE模塊體積更小靈活性更大，但其功能并不比傳統(tǒng)聲發(fā)射設(shè)備少，聲發(fā)射實(shí)時(shí)特征抽取與波形采集器等功能都可以實(shí)現(xiàn)。每一個(gè)USB AE模塊為單通道。它不需要外部電源，可以通過(guò)通用USB數(shù)據(jù)線直接與計(jì)算機(jī)連接形成聲發(fā)射采集分析系統(tǒng)。

USBAE模塊具有18位A/D轉(zhuǎn)換、20 M/s的采樣率和1 MHz的帶寬。該模塊集成了前置放大電路。放大電路的輸入輸出信號(hào)都為模擬信號(hào)，它是一個(gè)模擬電路，放大倍數(shù)為40 dB，通頻帶為20～1 000 kHz，輸入噪聲電壓小于5μV。

1.2 多通道便攜式USB AE聲發(fā)射系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

筆者設(shè)計(jì)使用多個(gè)USB AE模塊組成多通道聲發(fā)射系統(tǒng)。利用RJ45接口，使用連接線（帶有RJ45型插頭的網(wǎng)線）將4個(gè)USB AE模塊連接形成4通道系統(tǒng)，低通道序號(hào)模塊的LINK OUT接口連接高序號(hào)通道模塊的LINK IN接口。該系統(tǒng)中，傳感器采集的聲發(fā)射信號(hào)經(jīng)信號(hào)電纜輸入到USB AE模塊，完成A/D轉(zhuǎn)換，再經(jīng)USB通信協(xié)議接口傳輸至計(jì)算機(jī)，如圖1所示。

圖1 USB AE硬件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)配備使用的是美國(guó)物理聲學(xué)公司的Al pha系列傳感器中的R3a和R6a傳感器。主要功能是利用壓電原理實(shí)現(xiàn)機(jī)械能與電能之間的能量轉(zhuǎn)化。

由于USB AE模塊使用的是USB通用串行總線協(xié)議，所以該系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)終端選擇裝載Window7系統(tǒng)的筆記本電腦，更加體現(xiàn)了該系統(tǒng)的便捷性。計(jì)算機(jī)的USB接口供給5 V、500 mA的電能給USB AE模塊。

系統(tǒng)所選用信號(hào)電纜為1 m的1502－4003－1型電纜和2 m的1502－4003－2型電纜，它們都為75Ω的同軸電纜。

2 軟件系統(tǒng)開發(fā)

2.1 現(xiàn)有聲發(fā)射軟件系統(tǒng)的局限性

現(xiàn)有的聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)，操作設(shè)置復(fù)雜且需要大量從業(yè)經(jīng)驗(yàn)，操作性、適用性有待提高。如AE通道設(shè)置，需設(shè)置每個(gè)通道的門檻值、模擬濾波器上下限、采樣率、預(yù)觸發(fā)、長(zhǎng)度。模擬濾波器的設(shè)置需根據(jù)對(duì)象不同而進(jìn)行不同的設(shè)置，需要豐富的專業(yè)知識(shí)。AE定時(shí)參數(shù)PDT/HDT/HLT的設(shè)置，需要根據(jù)檢測(cè)對(duì)象材料的不同來(lái)設(shè)置經(jīng)驗(yàn)值。

聲發(fā)射參數(shù)眾多，如撞擊、事件計(jì)數(shù)、幅值、ASL值、RMS值等，但是這些參數(shù)對(duì)于不同的檢測(cè)對(duì)象并不是全部都有意義，軟件中對(duì)于檢測(cè)對(duì)象沒(méi)有意義的參數(shù)采集不但浪費(fèi)了資源，也使得操作人員對(duì)各種參數(shù)混淆，容易操作錯(cuò)誤。因此急需設(shè)計(jì)針對(duì)特定環(huán)境和對(duì)象的便攜式USB聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)來(lái)滿足使用需求。

2.2 系統(tǒng)開發(fā)

2.2.1 開發(fā)平臺(tái)

為保證軟件的可靠性和可移植性，該系統(tǒng)軟件采用Windows 7操作系統(tǒng)和Visual Studio C＋＋2012作為程序開發(fā)平臺(tái)。C＋＋語(yǔ)言的可靠性、靈活性、高繼承性、便于移植等特點(diǎn)，成就了它代碼質(zhì)量高、可讀性好、安全性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，非常適合本次研究。C＋＋的面向?qū)ο蠊δ?，使得軟件的界面化得以保證，人機(jī)交互可以實(shí)現(xiàn)。

2.2.2 采集模塊

該系統(tǒng)開發(fā)是以美國(guó)物理聲學(xué)公司（PAC）的底端開發(fā)環(huán)境為基礎(chǔ)。該底端開發(fā)環(huán)境為系統(tǒng)開發(fā)提供動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，動(dòng)態(tài)鏈接是一種應(yīng)用程序運(yùn)行時(shí)與庫(kù)鏈接的機(jī)制。系統(tǒng)通過(guò)訪問(wèn)、調(diào)用該動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)來(lái)控制、操縱USB板卡。采集模塊以此為基礎(chǔ)，通過(guò)調(diào)用分析PAC公司提供的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集活動(dòng)。

2.2.3 數(shù)據(jù)傳輸與儲(chǔ)存模塊

系統(tǒng)開發(fā)充分利用USB總線的帶寬，設(shè)計(jì)為多線程，采集、保存、顯示都為獨(dú)立的線程［2]。需使各個(gè)線程保持高度同步，從而保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。系統(tǒng)基于C＋＋面向?qū)ο蠊δ?，?shí)現(xiàn)人機(jī)交互界面，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示、分析。

為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃耘c準(zhǔn)確性。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)了具有完備功能的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。USB提供的四種傳輸模式保證了系統(tǒng)設(shè)備間的實(shí)時(shí)聯(lián)系。在USB AE設(shè)備接入計(jì)算機(jī)進(jìn)行配置時(shí)，依靠USB的控制傳輸方式發(fā)送請(qǐng)求給USB設(shè)備，進(jìn)行配置。USB的同步傳輸模式在采集數(shù)據(jù)的時(shí)候可以保證數(shù)據(jù)到主機(jī)的同步傳輸［3]。為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性，將數(shù)據(jù)包的格式定義為報(bào)頭與報(bào)文兩部分。報(bào)頭（head）部分存儲(chǔ)有數(shù)據(jù)的版本號(hào)、通道號(hào)、存儲(chǔ)地址等信息。報(bào)頭的封裝提高了數(shù)據(jù)包傳輸及尋源的準(zhǔn)確度。報(bào)文部分主要包括數(shù)據(jù)的類型、數(shù)據(jù)信息等。

2.2.4 系統(tǒng)功能

管道泄漏檢測(cè)系統(tǒng)包括以下幾個(gè)基本功能：

（1）參數(shù)設(shè)置：該系統(tǒng)不同于傳統(tǒng)的聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)，不需要進(jìn)行許多需要專業(yè)知識(shí)的參數(shù)設(shè)置，軟件已經(jīng)將管道泄漏的參數(shù)設(shè)置集成到系統(tǒng)中。使用時(shí)只需要根據(jù)環(huán)境噪聲適當(dāng)調(diào)整門檻值，以及管道、環(huán)境等相關(guān)數(shù)據(jù)。

（2）顯示：系統(tǒng)可建立并顯示多種聲發(fā)射圖譜。除了圖譜顯示外還可顯示數(shù)據(jù)，將所需數(shù)據(jù)以列表形式顯示出。

（3）定位：可進(jìn)行管道泄漏點(diǎn)的定位，并可顯示三維的定位圖。

（4）微調(diào)選項(xiàng)：聲發(fā)射信號(hào)受周圍環(huán)境等其他因素的影響比較大，在檢測(cè)時(shí)需要對(duì)設(shè)置進(jìn)行調(diào)整，但是這種調(diào)整無(wú)不需要豐富的經(jīng)驗(yàn)。針對(duì)這一問(wèn)題，在該系統(tǒng)開發(fā)中，設(shè)計(jì)微調(diào)功能，該功能類似收音機(jī)的微調(diào)功能。微調(diào)功能將檢測(cè)時(shí)可以改變的參數(shù)設(shè)置慢慢進(jìn)行微小的組合調(diào)整，直到達(dá)到要求。

2.3 管道泄漏檢測(cè)模塊算法

2.3.1 信號(hào)處理方法

聲發(fā)射能量分析法適用于連續(xù)聲發(fā)射信號(hào)，不依賴于任何閾值電壓，故采用能量分析法。聲發(fā)射參數(shù)中，RMS值和ASL值反映聲發(fā)射的大小，不受門檻值的影響，非常適用于連續(xù)聲發(fā)射且測(cè)量簡(jiǎn)單，故試驗(yàn)選擇ASL值和RMS值來(lái)評(píng)判管道的泄漏［4]。

有效值電壓（RMS）表示采樣時(shí)間內(nèi)信號(hào)的均方根值，以V表示。平均信號(hào)電平（ASL）表示采樣時(shí)間內(nèi)，信號(hào)電平的平均值，以Db表示。

使用能量分析法進(jìn)行信號(hào)處理：

（1）將4～20 mA的電流信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)。聲發(fā)射傳感器利用壓電效應(yīng)將聲發(fā)射源發(fā)出的瞬態(tài)彈性波所產(chǎn)生的位移轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，即4～20 mA的電流信號(hào)。系統(tǒng)將經(jīng)過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)變處理得到的4～20 mA電流與0～5 V的電壓值線性對(duì)應(yīng)。（2）有效值電壓（RMS）為：

式中：V（t）為隨時(shí)間變化的信號(hào)電壓值；ΔT為平均時(shí)間，ΔT＝T2－T1。

通過(guò)試驗(yàn)得知，對(duì)于泄漏檢測(cè)，ΔT值一般為0.5～5 s。

（3）平均信號(hào)電平（ASL）為：

式中：ASL單位為dB；pre為前置放大器增益，單位為dB。ASL值的意義是為了縮小數(shù)量級(jí)，以提高數(shù)據(jù)的可讀性。

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用ASL值為定性評(píng)判被檢測(cè)管道泄漏與否的決定值，也是估算管道、閥門泄漏率的唯一主要變量［5]。

2.3.2 定位算法

該系統(tǒng)應(yīng)用于管道的泄漏檢測(cè)，定位方式主要為線定位和平面定位。當(dāng)管道的長(zhǎng)徑比非常大時(shí)，采用時(shí)差線定位的方法［6－7]；當(dāng)管道長(zhǎng)徑比小時(shí)，采用平面定位。系統(tǒng)開發(fā)主要面對(duì)的是長(zhǎng)徑比大的管道，所以使用線定位算法。

如圖2（a）所示，聲發(fā)射源在1，2傳感器之間，t1，t2為傳感器1、2接收到聲發(fā)射信號(hào)的時(shí)間，D為兩傳感器間距?？梢杂?jì)算出聲發(fā)射源距傳感器1的距離d為：

式中：V為聲波在管道的傳播速度；Δt為兩傳感器接收到信號(hào)的時(shí)間差。

圖2 管道線定位圖

當(dāng)聲發(fā)射源在傳感器陣列外部時(shí)，如圖2（b）所示，Δt均為D/V，聲發(fā)射源定位為傳感器1外部。

如式（3）所述，只需得到傳感器接收信號(hào)的時(shí)間差Δt以及聲波在檢測(cè)材料中的傳播速度，即可計(jì)算出泄漏源的位置。管道泄漏的聲發(fā)射信號(hào)為連續(xù)聲發(fā)射信號(hào)，連續(xù)信號(hào)兩個(gè)波之間的時(shí)間延遲由互相關(guān)方法得到［8]。兩波的互相關(guān)函數(shù)為：

式中：X（t）為傳感器X接收到來(lái)自連續(xù)AE源的波；Y（t＋τ）為傳感器Y接收到的來(lái)自同AE源的波，與X（t）的時(shí)間延遲為τ；ΔT為一個(gè)有限的時(shí)間間隔，單位為ms。

X，Y兩傳感器接收到同AE源所發(fā)出波的時(shí)間差Δt可以由互相關(guān)函數(shù)XY（τ）的最大峰值處來(lái)得到，Δt＝τ。

3 應(yīng)用試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)設(shè)備

搭建管道泄漏模擬試驗(yàn)平臺(tái)，在該平臺(tái)使用便攜式USB AE系統(tǒng)，驗(yàn)證其功能的有效性與準(zhǔn)確性。

試驗(yàn)臺(tái)選用長(zhǎng)2 m、外徑100 mm、壁厚10 mm的無(wú)縫鋼管模擬泄漏管道。在管道兩端分別連接水泵和球閥，用于加壓和壓力調(diào)節(jié)。管中介質(zhì)為水，當(dāng)試驗(yàn)時(shí)，由揚(yáng)程為28 m的耐腐節(jié)能管道泵加壓至0.3 MPa。以管道連接泵一端為零點(diǎn)，沿軸向方向分別在0.7，1.3 m處設(shè)置AE傳感器。為模擬泄漏孔，沿軸向方向，在距零點(diǎn)1.25 m位置制作直徑為1.2 mm的孔，如圖3所示。試驗(yàn)時(shí)將另一臺(tái)空氣泵開啟運(yùn)行，用于模擬現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境噪聲。

圖3 模擬試驗(yàn)平臺(tái)

3.2 試驗(yàn)步驟

（1）參數(shù)設(shè)置：將模擬泄漏孔封堵住，將模擬環(huán)境噪聲的空氣泵打開，應(yīng)用軟件測(cè)量噪聲，以便設(shè)置門檻值。經(jīng)測(cè)量，噪聲信號(hào)為26 dB，故將門檻值設(shè)置為30 dB。將泄漏孔堵住，當(dāng)管道內(nèi)壓力加到預(yù)計(jì)的0.3 MPa并穩(wěn)定后開始采集，此時(shí)ASL值為14 dB，故ASL報(bào)警值設(shè)為30 dB。

（2）使用微調(diào)功能調(diào)整設(shè)置。建立ASL值隨時(shí)間變化圖、RMS值隨時(shí)間變化圖、撞擊隨時(shí)間變化圖、功率譜圖。

（3）開放泄漏孔，在管道壓力穩(wěn)定在0.3 MPa后開始采集，觀察圖像，如圖4所示。

圖4 AE信號(hào)圖譜

（4）進(jìn)行泄漏點(diǎn)定位，并計(jì)算誤差及誤差分析。將傳感器置于四個(gè)不同位置進(jìn)行四組定位試驗(yàn)。傳感器的設(shè)置及四組試驗(yàn)的泄漏點(diǎn)定位數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。圖5為第一組試驗(yàn)定位圖。

表1 四組試驗(yàn)泄漏點(diǎn)定位數(shù)據(jù)

圖5 泄漏點(diǎn)定位3D圖

3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

（1）由ASL值隨時(shí)間變化圖可以看出，在壓力穩(wěn)定開始采集后，ASL值穩(wěn)定并且明顯高于報(bào)警值。說(shuō)明系統(tǒng)可以有效地監(jiān)測(cè)管道的泄漏情況。

（2）綜合四組定位試驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn)，驗(yàn)證系統(tǒng)可以完成管道泄漏點(diǎn)的定位功能，但定位存在著誤差。定位誤差原因可能為系統(tǒng)算法的不精確度、環(huán)境對(duì)定位的影響、傳感器的不精確度、管道材料對(duì)聲發(fā)射信號(hào)的衰減等。

由上述試驗(yàn)結(jié)果可以看出，該系統(tǒng)可以準(zhǔn)確地判斷管道的泄漏情況，可以建立相關(guān)數(shù)據(jù)的圖譜進(jìn)行分析，根據(jù)泄漏信號(hào)可以將泄漏點(diǎn)的位置進(jìn)行定位。綜上，可以證明該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)預(yù)計(jì)的功能。

4 結(jié)語(yǔ)

應(yīng)用強(qiáng)大的C＋＋程序編譯語(yǔ)言，設(shè)計(jì)開發(fā)了針對(duì)管道泄漏檢測(cè)的便攜式USB聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)。通過(guò)管道泄漏模擬試驗(yàn)，驗(yàn)證了該系統(tǒng)的可行性，實(shí)現(xiàn)了聲發(fā)射數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、儲(chǔ)存和顯示等功能以及聲發(fā)射源定位的功能。與傳統(tǒng)的通用類聲發(fā)射系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)在管道泄漏檢測(cè)方面展現(xiàn)出優(yōu)良的性能，界面簡(jiǎn)潔、操作方便、適用性良好，具有廣泛的應(yīng)用前景。

目前，面向特定對(duì)象的便攜式USB聲發(fā)射系統(tǒng)開發(fā)還剛剛起步，該系統(tǒng)對(duì)于管道泄漏量的估算以及定位準(zhǔn)確性方面還尚顯不足，還需要進(jìn)一步研究。今后的研究重點(diǎn)是：

（1）進(jìn)一步研究基于便攜式USB設(shè)備的管道泄漏檢測(cè)系統(tǒng)。通過(guò)大量基礎(chǔ)試驗(yàn)得出管道泄漏的相對(duì)準(zhǔn)確的泄漏量估算公式以及調(diào)整定位公式的參數(shù)設(shè)置及算法。

（2）總結(jié)開發(fā)管道泄漏模塊的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)，發(fā)展更多的面向不同環(huán)境和對(duì)象的USB AE檢測(cè)系統(tǒng)。

［1]ASTM E1316—1996 Terminology for Nondestructive Examination［S].

［2]李培江，童官軍.基于USB的聲發(fā)射信號(hào)高速采集系統(tǒng)的研究［J].測(cè)控自動(dòng)化，2011，27（2）：94－96.

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