1.声发射系统基本原理与基本构成(基于组PCI专用数据采集卡的声发射系统成 1.2 基于PCI数据采集卡的声发射系统的设计)

2 基于USB2.0专用数据采集卡的声发射系统(2.1 基于USB2.0数据采集卡的声发射系统组成 2.2 USB2.0声发射系统的设计 3.2 弱小信号采集 3.3 稳定性、便携性及坚固性 3.4 其他特性)

4.讨论与展望

1.声发射系统基本原理与基本构成

声发射源（缺陷）在外力诱导下发出一种应力脉冲波即声发射信号。这种机械振动波在声发射源所在材料中传播。当机械波传播到材料表面时，声发射传感器接收声发射信号，并将机械信号转换为电信号后通过与之相连的前置放大器放大后送到采集卡上，采集卡再将其转换为数字信号。声发射特征参数都是通过采集卡上的可编程闸门阵列提取的，与采集的波形数据同时存储在采集卡上的瞬时存储器中。控制器能从采集卡上的瞬时存储器上读取波形数据到计算机硬盘上的瞬时数据文件中。这一过程就是数据的传输过程，传输速率高低对系统的性能至关重要。

声发射系统是由多个平行的检测通道构成的声发射系统。每一通道均是由类似的测量部件、信号数字处理程序及计算程序，即功能强大的计算机，再配以完整的外围部件组成。此处所指系统的每一通道测量部件包括声发射传感器、前置放大器及采集卡。

基于组PCI专用数据采集卡的声发射系统成

基于PCI专用数据采集卡的声发射系统的声发射采集卡是通过PCI总线与计算机相连的，并且与计算机系统共用一个机箱、通过计算机电源给其供电。

1.2 基于PCI数据采集卡的声发射系统的设计

PCI声发射系统的采集卡直接插在计算机系统机箱中，通过PCI总线与计算机连接，并且通过其电源供电，再配以基本的传感器和前置放大器，如图2，就组成了PCI声发射系统。其关键点在：采集卡直接插在计算机系统机箱中的PCI插槽上，通过PCI总线与计算机连接，由计算机系统供电，高度集成，结构相对简单，节约了硬件成本。

2 基于USB2.0专用数据采集卡的声发射系统

2.1 基于USB2.0数据采集卡的声发射系统组成

基于USB2.0专用数据采集卡的声发射系统的声发射采集卡是插在一个专用的声发射采集机箱中，机箱的USB2.0端口再与计算机的USB口相连，并且USB2.0声发射机箱有独立供电系统。

2.2 USB2.0声发射系统的设计

USB2.0声发射系统的采集卡插在专用的声发射采集机箱中，有独立的供电系统，通过USB连线与计算机连接，再配以基本的传感器和前置放大器，如图3，就组成了USB2.0声发射系统。其关键点在：采集卡内置于专用的机箱中、独立供电，只需通过USB连线便可与任意计算机相连，采集机箱携带方便，系统安装简单，降低了对计算机系统的要求。 3 USB2.0声发射系统与PCI声发射系统的对比在2和3部分简单的介绍了PCI声发射系统与USB2.0声发射系统的结构结构与设计区别，二者的基本原理及基本构成都是相同的，最大的区别在于采集卡与计算机是否“集成”、通讯方式及采集卡供电形式的不同，前者的采集卡与计算机共用机箱、通过PCI总线与计算机连接、通过计算机系统供电，后者的采集卡具有独立机箱、通过USB2.0实现与计算机的连接、独立供电。同时USB2.0声发射系统通过采集卡软、硬件技术的改进，使其有了比PCI声发射系统更优越的性能，突出表现在海量数据的通信和存储、更弱小信号的采集、更好的稳定性、更好的便携性及坚固性等方面。下面对两个系统的主要几方面的性能作出对比。 3.1 数据传输速率为充分满足现场和实验室的各种应用要求（波形采集分析为基础和或参数采集分析为基础），声发射系统需能够实时采集和显示声发射信号波形和参数。如果可以采集、记录尽量完全的声发射原始波形数据，使用者就可以根据需要应用各种信号分析处理工具进行后续深入信号分析，包括定义更有针对性的声发射参数等，从而声发射系统就可以满足更多的应用场合。但声发射信号的波形数据是海量的，计算机是否能记录更多的声发射波形数据，基本取决于数据从采集卡到计算机的实际传输速率，因此，提高传输速率就成了提高声发射系统性能的一个关键。一、用“声发射卡专用测试软件1.2”测试USB2.0声发射系统数据传输速率测试目的测试理想状态下USB2.0声发射系统安装不同数量采集卡时数据传输速率。测试环境测试用计算机：HP V3000，双核1.73G CPU，2G内存操作系统：WindowsXPSP2测试软件：声发射卡专用测试软件1.2测试时计算机系统情况：关闭系统中其他所有应用软件声发射采集系统：SAEU2S-10 USB2.0采集机箱，220V DC 电源供电，插1-5块USB2.0专用数据采集卡测试过程所有采集通道短接采集机箱通过USB连线与计算机连接测试软件设置：直通分别在测试采集机箱中插1块采集卡、2块采集卡、3块采集卡、4块采集卡和5块采集卡时系统的数据传输速率记录结果结果记录表1 理想状态下USB2.0声发射系统数据传输速率采集卡数量（块）12345系统传输速率（MB/sec）31.3031.2931.3230.9727.17测试结论通过以上结果可以看出，理想状态下USB2.0声发射系统数据传输速率可超过31MB/sec，并且当采集卡超过4块时，系统数据传输速率受到采集卡数量增加的影响，较明显降低。二、用“USB2.0声发射专用采集软件SAERT”测试USB2.0声发射系统数据传输速率

测试目的

测试在拟应用状态下USB2.0声发射系统最大数据传输速率。

测试环境

测试用计算机：Dell VOSTRO1400标配操作系统：WindowsXPSP2测试软件：USB2.0声发射系统专用采集软件SAERT测试时计算机系统情况：关闭系统中其他所有应用软件模拟信号：Agilent 33220A信号发生器output端口连接SR150M传感器耦合到钢板声发射采集系统：SAEU2S-10 USB2.0采集机箱，220V DC 电源供电，插2块USB2.0专用数据采集卡，共4通道，各通道连接PAⅠ前置放大器，SR150M传感器

测试过程

USB2.0采集机箱装两块USB2.0专用采集卡，共4个通道，分别连接PA Ⅰ前置放大器及SR150M传感器，传感器耦合到钢板上采集机箱通过USB连线与计算机连接信号发生器output端口连接SR150M传感器，传感器耦合到钢板上，且距离其他四个与采集卡连接的传感器约10cm 调节信号发生器输出150Hz，3.0v正弦信号设置USB2.0声发射系统专用采集软件SAERT

测波形传输速率时：

板卡参数设置

采集卡选择：1#和2#

板卡设置：

采样频率：10MHz

采样长度（点数）：见“结果记录”（不同采样长度各采集一次）

参数间隔：2000

闭锁时间：2000

触发模式：内触发

文件存储设置

不保存采样文件

通道参数

波形门限：40dB

前放增益：40dB

功能选择：波形

滤 波 器：100-400KHz

测参数传输速率时：

板卡参数设置

板卡选择：1#和2#

板卡设置：

采样频率：10MHz

采样长度（点数）：2048

参数间隔：0

闭锁时间：0

触发模式：内触发

文件存储设置

不保存采样文件

通道参数：

参数门限：40dB

前放增益：40dB

功能选择：参数

滤波器：100-400KHz

采集波形数据各种采样长度分别采集约30sec；采集参数数据，同种设置重复采集6次，每次约10sec，记录测试结果

结果记录

表2 不同采样长度时四通道USB2.0声发射系统波形连续传输速率

采样长度（采样点）　采样时间（s）　采集1（波形次数）　采集2（波形次数）　采集3（波形次数）　波形次数均值　通过数据量（MB）　传输速率（MB/sec）

2048　30　171485　167405　171181　170023.667 　664.155 　22.138

4096　30　88749　89798　91040　89862.333 　702.049 　23.402

6144　30　53603　52943　53384　53310.000 　624.727 　20.824

8192　30　44879　43948　44236　44354.333 　693.036 　23.101

20480　30　21889　21861　22176　21975.333 　858.411 　28.614

40960　30　10751　10850　10643　10748.000 　839.688 　27.990

61440　30　7320　7242　7337　7299.667 　855.430 　28.514

81920　30　5432　5401　5408　5413.667 　845.885 　28.196

102400　30　4271　4372　4322　4321.667 　844.076 　28.136

122880　30　3689　3724　3691　3701.333 　867.500 　28.917

143360　30　3156　3120　3116　3130.667 　856.042 　28.535

163840　30　2733　2780　2754　2755.667 　861.146 　28.705

184320　30　2434　2442　2451　2442.333 　858.633 　28.621

204800　30　2145　2173　2198　2172.000 　848.438 　28.281

225280　30　1958　1958　1990　1968.667 　845.911 　28.197

245760　30　1814　1804　1789　1802.333 　844.844 　28.161

262144　30　1695　1693　1660　1682.667 　841.333 　28.044

注：1个采样点=2Byte

表3 四通道USB2.0声发射系统参数传输速率

起始组参数对应时间（dd：hh：mm：ss：mmmuuu）　末组参数对应时间（dd：hh：mm：ss：mmmuuu）　总参数组数（组）　时长（sec）　参数传输速率（组/sec）

27：14：00：07：332668500　27：14：00：17：814679200　1516137　10.4820107　144641.8100

27：14：01：47：035691300　27：14：01：57：091927200　1460825　10.0562359　145265.5859

27：14：02：44：972679800　27：14：02：55：419951500　1528881　10.4472717　146342.6092

27：14：05：05：019656200　27：14：05：15：563660100　1539120　10.5440039　145971.1144

27：14：05：56：941770600　27：14：06：07：585860300　1538531　10.6440897　144543.2201

27：14：07：16：738783500　27：14：07：27：640559400　1597264　10.9017759　146514.1106 测试结论

通过以上结果可以看出，拟应用状态下USB2.0声发射系统的波形数据连续传输速率可超过28MB/sec，参数连续传输速率可超过14万组/sec，且波形数据连续传输速率受所设采样长度影响，总的来看采样长度设置较大时，波形数据连续传输速率较高。这个测试结果已明显高于我公司现有的PCI声发射系统，其最大可提供10MB/sec的波形数据连续传输速率，4万组/sec的参数连续传输速率。也显著优于目前市场上能看到的PCI板卡式的声发射仪所宣称的最高波形数据通过率10Msample/s相当于20MB/s和最高声发射参数的通过率是4万组/s。

通过以上测试得出，USB2.0声发射系统有比PCI声发射系统更好的连续数据传输速率，可将采集数据丢失比例降到更低，尤其适用于超多通道的声发射系统的海量波形及特征参数的采集。

3.2 弱小信号采集

声发射系统性能提高的另一个关键是解决对弱小信号的采集问题。由于声发射系统自身噪声使得一些缺陷如腐蚀等活动产生的弱小信号无法从噪声信号中分离，因此不断降低系统噪声成了提高声发射系统性能及应用范围的另一个关键，而声华公司最新研制的基于USB2.0专用数据采集卡的声发射系统在这一问题上有了新的突破，主要表现在USB2.0专用采集卡及专用机箱的噪声测试结果上。

用“USB2.0声发射专用采集软件SAERT”测试USB2.0专用采集卡及专用机箱的噪声：

测试目的

测试USB2.0专用采集卡及专用机箱的噪声。

测试环境

测试用计算机：Dell VOSTRO1400标配操作系统：WindowsXPSP2测试软件：USB2.0声发射系统专用采集软件SAERT测试时计算机系统情况：关闭系统中其他所有应用软件声发射采集系统：USB2.0采集机箱，220V DC 电源供电，插2块USB2.0专用数据采集卡，共4通道，全部短接

测试过程

USB2.0采集机箱装两块USB2.0专用采集卡，共4个通道，全部短接采集机箱通过USB连线与计算机连接设置USB2.0声发射系统专用采集软件SAERT如下

板卡参数设置

采集卡选择：1#和2#

板卡设置：

采样频率：10MHz

采样长度（点数）：2048

参数间隔：2000

闭锁时间：2000

触发模式：内触发

文件存储设置

不保存采样文件

通道参数

参数门限：10dB、8dB（各采集一次）

前放增益：40dB

功能选择：参数

滤 波 器：100-400KHz

采集参数数据，记录测试结果

结果记录

参数门限设为10dB时，参数表中无任何参数出现。

参数门限设为9dB时，参数表中幅值均显示为9.7dB。

测试结论

通过以上结果可以看出，USB2.0声发射专用采集卡及机箱的噪声小于10dB，不足以触发参数门限设为10dB时系统采集信号，而能触发参数门限设为9dB时系统采集信号，说明USB2.0声发射采集卡及机箱的噪声在9-10dB范围之内。

之前PCI声发射系统采集卡及机箱噪声为24dB，远远高于USB2.0声发射采集卡及机箱小于10dB的噪声水平。分析原因在于后者采用了专用的采集机箱，并且机箱为金属外壳，具有很好的屏蔽性，再加上独立的供电系统，从而大大减少了来自计算机系统等的噪声干扰及电磁干扰。

3.3 稳定性、便携性及坚固性

PCI声发射系统与USB声发射系统的采集卡的装配形式有了较大的改变，使USB2.0声发射系统具有比PCI声发射系统更好的便携性、稳定性及坚固性。

PCI声发射系统的采集卡直接插在计算机系统的PCI插槽上，通过PCI总线连接与计算机的处理系统置于同一个机箱中，并且由同一个电源系统供电。因此配置声发射系统时要根据通道数要选择不同类型计算机及选配不同电源，超多通道时需选配大型工控机系统，便携性降低，并且由于计算机故障导致整个声发射系统故障的比例较高，而计算机替换又困难，另外，系统会受计算机电磁干扰及发热影响，致使抗干扰能力和稳定性大大降低。

而USB2.0声发射系统采集卡安装在独立金属机箱中，只需通过USB连线便可实现与任意计算机通讯，这样就可避免来自于计算机系统的电磁干扰，还能使采集卡不受计算机系统发热影响，使整个系统具有更出色的抗干扰能力及稳定性，且独立机箱便于携带，独立供电系统使之不需要根据通道数选择计算机，对计算机的要求相对降低，可替换性也增强，从而减少因计算机故障导致系统故障带来的不便，也使用户可充分利用已有的计算机，节约资源。

3.4 其他特性

USB声发射系统除上述几种性能优势外，还因硬件和软件的其他相应改进使其有了比PCI声发射系统更优越的性能，如USB2.0声发射采集卡增加了10种可选滤波器，方便用户根据实际情况选择需要的信号频率范围；增加外参采集功能，最多可达12通道；系统增加了数据触发指示灯，使用户可更直观地获知各通道的信号触发情况；动态范围扩大到了90dB，适合更多不同幅度信号的采集；增加了预/后采样功能；软件增加了FFT、小波变换、神经网络等数据分析功能，方便对波形实时与事后傅立叶变换（FFT）做频谱分析、小波分析（wavelet）、神经网络（NN）模式识别；指定波形或参数可以单独保存为一个数据文件，便于用户有选择的回放。

4.讨论与展望

通过对比测试PCI声发射系统与USB2.0声发射系统各方面的性能，结果证明USB2.0声发射系统指标全面优于PCI声发射系统，也就意味着USB2.0声发射系统将有更广阔的应用前景，将成为主流声发射系统。