聲發(fā)射儀技術(shù)指標(biāo)淺談

摘要：本文介紹了聲發(fā)射儀的種類、技術(shù)指標(biāo)的含義及對性能的影響，提出了比較選擇聲發(fā)射儀的一般思路和技術(shù)考慮，對于正確分析聲發(fā)射儀的性能有一定的借鑒意義。
關(guān)鍵詞：聲發(fā)射 ADC 波形分析 參數(shù)分析
1 引言
　　聲發(fā)射檢測作為一種逐漸成熟的無損檢測技術(shù)得到越來越多的應(yīng)用，而進(jìn)行聲發(fā)射檢測、監(jiān)測和研究就需要聲發(fā)射儀。聲發(fā)射儀具有較高的技術(shù)含量，非專業(yè)儀器公司自己開發(fā)存在諸多困難，一般做聲發(fā)射檢測、監(jiān)測和研究工作都選擇直接采購商品化的聲發(fā)射儀器。
　　在市場上的聲發(fā)射儀器有多種，每個(gè)廠家都給出了很多技術(shù)指標(biāo)、參數(shù)。由于這些參數(shù)比較專業(yè)，給參與決策選擇的技術(shù)人員造成了一定的困難，常常有無從下手之感。筆者多年從事聲發(fā)射檢測和儀器開發(fā)研究，將自己對各個(gè)指標(biāo)、參數(shù)（不考慮價(jià)格因素）的理解整理成文，希望拋磚引玉，不當(dāng)之處請不吝賜教。
2 聲發(fā)射儀的種類
2．1聲發(fā)射儀的分類方法有多種，按照采集信號(hào)通道數(shù)的多少可以分為單通道和多通道。
　　單通道聲發(fā)射儀只有1個(gè)通道，主要用于對單點(diǎn)或者小區(qū)域的檢測、監(jiān)測等，一般無法完成對信號(hào)源位置的定位。2通道或更多通道的聲發(fā)射儀稱為多通道聲發(fā)射儀。前者可以完成對較大區(qū)域的檢測、監(jiān)測，可完成在線狀區(qū)域內(nèi)聲發(fā)射信號(hào)源的定位；3通道聲發(fā)射儀器除可完成上述功能外，還可以完成三角區(qū)域和線狀區(qū)域內(nèi)聲發(fā)射信號(hào)源的定位；超過3個(gè)則可以完成更大區(qū)域內(nèi)信號(hào)源的檢測、監(jiān)測及對上述區(qū)域內(nèi)的聲發(fā)射信號(hào)源的多種算法的定位。儀器制造廠一般都配有依據(jù)上述定位算法的分析、顯示軟件，對球形、柱形等特定外形的設(shè)備，有的制造廠開發(fā)了更為直觀的定位分析軟件。
　　選擇購買單通道還是多通道，或具體多少個(gè)通道，需要根據(jù)特定的需求進(jìn)行選擇?？紤]的因素有：待測設(shè)備的材質(zhì)（影響頻率、聲速和衰減）、待測設(shè)備的最大幾何尺寸、幾何形狀、需要的定位類型等。幾何尺寸大、材質(zhì)衰減大、形狀特殊的檢測應(yīng)用需要的通道數(shù)就多，反之就少。一般在鋼材中，聲發(fā)射信號(hào)可以接收的傳播距離在5m內(nèi)為宜，超過此長度應(yīng)考慮增加通道數(shù)。而狹長的設(shè)備，例如長管拖車則需要考慮定位類型，一般采用線定位時(shí)就可以減少所需要的通道數(shù)。
　　另外，在采購時(shí)可考慮比需要的通道數(shù)多1～2個(gè)通道，作為備用通道用。
2．2按照聲發(fā)射信號(hào)所采用的技術(shù)，可分為以模擬電路為主的模擬式聲發(fā)射儀和以數(shù)字電路為主的數(shù)字電路式聲發(fā)射儀。
　　模擬式聲發(fā)射儀投用歷史較長，技術(shù)相對成熟、儀器相對穩(wěn)定和可靠、操作軟件簡單、便于學(xué)習(xí)等優(yōu)點(diǎn)。但這類儀器存在著溫度漂移大、易受干擾、功耗大、重量大、體積大等缺點(diǎn)。數(shù)字儀器一般采用CPLD、FPGA、DSP等技術(shù)，由于模擬電路較少所以其整體體積較小、重量輕、功耗低、溫漂影響小。但是，由于在數(shù)字聲發(fā)射儀的處理軟件上疊加了許多功能，功能強(qiáng)大；但學(xué)習(xí)相對困難，對于工程檢測反而麻煩了不少。另外，這類設(shè)備投用歷史相對較短，對其可靠性、穩(wěn)定性等要多加注意，由于采用了許多新技術(shù)，處理不好反而易出問題。
　　需要說明的是，沒有真正意義上的全數(shù)字聲發(fā)射儀。因?yàn)樽匀唤绲男盘?hào)都是連續(xù)的（宏觀而言），所以，即使最為理想的情況是將傳感器來的信號(hào)直接予以模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換（ADC），也需要要模擬電路（ADC本身就應(yīng)歸為模擬電路）；而一般在傳感器之后還要加前置放大器、信號(hào)調(diào)理電路等，所以根本不可能是全數(shù)字化儀器。而一般意義上的全數(shù)字聲發(fā)射儀指其除了ADC和信號(hào)調(diào)理電路外，不再有其它影響參數(shù)和波形的模擬電路而已！
2．3 按照信號(hào)的處理方式，可以將聲發(fā)射儀分為參數(shù)式聲發(fā)射儀、直接波形式聲發(fā)射儀和參數(shù)-波形式聲發(fā)射儀。
2．3．1 參數(shù)式聲發(fā)射儀是目前使用范圍最廣、應(yīng)用時(shí)間最長的聲發(fā)射儀，其分析方法也被大多數(shù)業(yè)內(nèi)人士認(rèn)可，分析方法比較成熟，操作簡單，大多數(shù)多通道聲發(fā)射儀都是這類儀器。參數(shù)聲發(fā)射儀是指在信號(hào)處理通道的電路中，借助模擬或者數(shù)字電路將聲發(fā)射信號(hào)直接處理成一定意義的參數(shù)數(shù)據(jù)，然后再送到計(jì)算機(jī)進(jìn)行顯示、分析、處理和保存的儀器。這種儀器一般需要設(shè)置門檻（閾值）、HDT（撞擊定義時(shí)間），有的需要設(shè)置增益、PDT、HLT等。由于參數(shù)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量少，所以對聲發(fā)射信號(hào)的實(shí)時(shí)響應(yīng)能力強(qiáng)、數(shù)據(jù)流量小、對計(jì)算機(jī)的顯示、分析、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等能力的要求低，一般計(jì)算機(jī)均可滿足要求，無論P(yáng)CI總線、ISA總線等均可，同時(shí)，參數(shù)式儀器丟失信號(hào)的幾率相對低。由于電路直接生成參數(shù)數(shù)據(jù)，無法傳遞波形，所以喪失了更多的有效信息。但就一般檢測工程而言，參數(shù)采集可以滿足大多數(shù)應(yīng)用，而如果進(jìn)行聲發(fā)射信號(hào)分析和應(yīng)用研究則參數(shù)式儀器有一定的局限性。
2．3．2 直接波形式聲發(fā)射儀器是指將聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，然后將此波形數(shù)據(jù)直接傳遞到計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)再進(jìn)行參數(shù)提取、顯示、分析、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等工作。在滿足實(shí)時(shí)性的前提下無疑這是最為理想的儀器，因?yàn)檫@樣一般的采集卡即可滿足需要，價(jià)格將非常低廉。但是，在目前電子設(shè)計(jì)技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)下，少數(shù)通道的直接波形采集和分析是可以滿足實(shí)時(shí)性要求的；但是當(dāng)通道數(shù)多、ADC的轉(zhuǎn)換頻率高、分析功能復(fù)雜時(shí)，實(shí)時(shí)性難以得到保證，勢必存在丟失部分信號(hào)的可能，所以在選擇時(shí)需要引起重視。為了達(dá)到高的數(shù)據(jù)傳輸速度、快的分析和計(jì)算時(shí)間，一般直接波形式聲發(fā)射儀需要很高的計(jì)算機(jī)配置。
　　以目前大多數(shù)計(jì)算機(jī)支持的32位、33MPS的PCI總線為例，其數(shù)據(jù)傳遞的最大理論速度為132MB/S（字節(jié)/秒），實(shí)際受計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)水平、計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)采用非實(shí)時(shí)性操作系統(tǒng)、采集軟件驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)水平、系統(tǒng)其它軟件引入的延時(shí)等的影響，一般達(dá)到100MB/S已經(jīng)是實(shí)際可看到幾乎最高的采集速度了。而計(jì)算機(jī)系統(tǒng)除了進(jìn)行數(shù)據(jù)采集外還進(jìn)行參數(shù)數(shù)據(jù)提取、數(shù)據(jù)分析、存儲(chǔ)、參數(shù)顯示、波形顯示等操作，再考慮系統(tǒng)多個(gè)采集卡之間切換的相互影響，整個(gè)系統(tǒng)的總體速度一般在60MB/S已經(jīng)相當(dāng)不錯(cuò)了。我們假定每個(gè)信號(hào)通道的采集速度為5MS/S（也記為MSPS--Mega-Sapmles Per Seconds，百萬次采樣每秒），考慮ADC的位數(shù)為12位以上，則每個(gè)通道的數(shù)據(jù)流速度為10MB/S（假定不做實(shí)時(shí)壓縮處理）。顯然，整個(gè)系統(tǒng)只能保證5MS/S的采集速度下6個(gè)信號(hào)通道的實(shí)時(shí)采集。上述估計(jì)已經(jīng)假定在單位時(shí)間內(nèi)聲發(fā)射撞擊的數(shù)量不多，不至于使得計(jì)算機(jī)寫硬盤的時(shí)間過長而影響采集的速度。因此，對于通道數(shù)多、實(shí)時(shí)性要求很高、不需要波形數(shù)據(jù)的場合，似不宜選擇直接波形式的聲發(fā)射儀。
2．3．3 參數(shù)-波形式聲發(fā)射儀綜合了參數(shù)式和直接波形式聲發(fā)射儀各自的特點(diǎn)，在保證參數(shù)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性的同時(shí)，在系統(tǒng)允許的情況下傳遞一定數(shù)量的波形。這種儀器首先在每個(gè)信號(hào)通道的處理電路中，一般通過設(shè)置門檻，直接生成部分或者全部參數(shù)數(shù)據(jù)，同時(shí)，保留部分或者全部波形數(shù)據(jù)，一般是過門檻后一定長度的波形數(shù)據(jù)。由于其照顧了參數(shù)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性要求且波形只取一定長度，所以，筆者這是在實(shí)時(shí)性和全波形之間的較好的折衷，一般認(rèn)為，只要設(shè)計(jì)得當(dāng)，此類儀器可滿足大多數(shù)的應(yīng)用需求。其缺點(diǎn)是由于兼顧波形和參數(shù)數(shù)據(jù)，電路稍微復(fù)雜些，成本也會(huì)增加一些；由于照顧了參數(shù)數(shù)據(jù)，波形數(shù)據(jù)在單位時(shí)間內(nèi)聲發(fā)射撞擊數(shù)多時(shí)，仍然存在丟失部分的波形數(shù)據(jù)的問題；由于保存部分過門檻波形，可能會(huì)喪失部分有意義的細(xì)