声发射(Acoustic Emission, AE)是指材料变形和断裂的过程中释放应力波的现象. 材料在外力作用下产生的AE信号, 隐含着有关AE源特性的重要信息, 如材料状态、裂纹产生时间、位置、变化趋势及严重程度等^[1]. 故而可以利用AE技术对实测的AE信号进行分析与处理, 实现对材料缺陷的诊断和损伤过程的监测^{[2, 3]}. AE信号作为一种非平稳的随机信号, 能量微弱, 采集易受到外界噪声的影响^{[4, 5]}, 实现对AE信号的有效采集是进行AE研究的前提.

AE信号采集系统在多个领域广泛应用, 刘倩颖等^[6]以PSoC为控制核心, 利用Lab VIEW编写软件程序实现对信号的实时采集; 马豪等^[7]利用DSP和ARM芯片设计了磨床AE监测系统; 李欣等^[8]采用PLC控制设计了工业振动信号采集系统; 在木材科学领域, 对于AE信号采集与处理研究, 较多是借助Lab VIEW软件和NI公司的数据采集卡搭建信号采集与处理系统. 朱晓东等^[9]利用Lab VIEW软件搭建了木材振动信号采集与分析系统, 实现了对木质材料振动信号的在线检测; 于帅帅^[10]利用NI设备设计了多通道AE信号采集与分析平台, 实现了云南松表面AE信号的采集及重构; Li Y等^[11]针对胶合板表面声发射源定位问题, 提出了互相关的AE源定位法并利用Lab VIEW搭建AE信号采集平台, 有效提取AE信号实现准确的源定位; 丁小康等^[12]利用基于Lab VIEW的AD数据采集、小波分析、频谱分析等模块, 实现了对木材干燥过程的监控. 现有的研究较多是关注木材断裂损伤等片段式信号的连续采集问题, 当涉及到长时间的数据采集时, 如木材蠕变、在役结构件安全监测等, 进行不间断的高速信号采集将会出现存储数据过大现象, 容易造成数据溢出或是系统性能表现不佳等情况. 因此, 实现对木质材料在长时间载荷作用下产生的大数据的有效采集与存储, 已经是木材声发射研究中一个不得不克服的难点.

本文针对木材在长时间载荷作用下的AE信号采集与存储问题, 设计一种基于Lab VIEW的4通道木材AE信号采集系统, 实现每隔一定时间, 存储给定时长的数据并在计算机界面上显示各通道的波形; 同时将采集到的数据自动命名存储在指定的路径下, 最后在力学试验机上进行木材三点弯曲试验并采集试件在断裂过程中的AE信号, 以此验证系统的效用. 作为一种AE信号采集工具, 该系统能为研究木材在长时间载荷作用下的AE特性提供基础保障.

1 系统硬件组成

系统硬件包括NI USB-6366高速采集卡、前端放大器、前放供电分离信号器、SR 150N单端谐振声发射传感器及计算机等. 用于实际AE信号的检测、传输及采集.

其中AE传感器用于检测木材的AE信号, 现有研究表明木材AE信号频率最高约为200 kHz^{[13, 14]}, 故系统选用带宽为22~220 kHz的AE传感器; 为减小AE传感器的输出阻抗对AE信号传播的影响, 系统配置了增益为40 dB的PAI前端放大器, 用于放大传感器的信号实现长距离传输; 前放供电信号分离器主要用于给前端放大器供电和有效提取数据信号至NI高速采集卡; 根据香农采样定理为了不失真地恢复模拟信号有f_s≥2 f_max, 而在实际工程运用中, 采样频率f_s为输入信号最高频率f_max的7~10倍时, 就可以正确还原信号得到理想的波形^[15], 所以系统采用采样频率最高可达2 MHz的USB—6366 NI高速数据采集卡作为AE信号采集设备. 系统硬件实物连接如图1所示.

2 系统软件设计

软件部分采用模块化设计, 包括参数设置、信号采集与存储设置及人机界面3部分. 其功能是将传感器检测到的AE信号分段采集并储存在系统指定的路径下, 以便后期进行数据分析时调用. 再者就是在计算机界面上实时显示信号波形信息及系统所处的运行状态等.

2.1 参数设置及人机界面

参数设置模块包括通道设置、采样设置和触发设置等, 它与人机界面共同完成系统的物理通道、采样数、采样模式及文件存储路径等参数的配置, 确保系统能够在人为调控的情况下有序地进行. 软件程序及系统人机界面如图2所示.

其中通道设置用于实现软件系统与外部硬件系统之间的通信, 从而将传感器采集到的AE信号转化为模拟电信号; 而采样设置则是利用采样时钟控件来设置采样率, 采样数、时钟源等参数, 其本质是一个用于产生各种时钟脉冲的DAQ定时器, 保证采样过程能够周而复始有序地进行; 为了适应不同类型的数据采集需求, 系统还配置了数字边沿触发、模拟边沿触发、数字边沿参考及模拟边沿参考4种触发模式. 关于触发采集的设置可以在人机界面中进行数字触发源或模拟触发源的选择, 并指定触发源的触发电平、触发采样及触发发生的时刻, 从而实现对系统采样过程的控制. 在人机界面上, 除了上述的参数设置面板外, 还集成了一些指示性的面板, 如波形显示、记录指示灯、运行时长显示等控件, 用于指示系统当前的运行状态, 使用户能直观地获取系统的运行信息.

2.2 信号采集与存储设置

信号采集与存储是整个系统的核心, 其功能定位为间隔性数据采集并在计算机界面上显示波形信息, 同时将数据按指定格式自动命名存储. 包括数据自动命名及储存设置和存储数据长度设置及图形显示两部分. 其程序框图如图3所示.

数据自动命名及储存设置用于实现数据存储判断、文件命名更新及存储路径配置, 其软件程序如图4所示. 数据存储的第一步是判断该数据是否要存储. 本文利用循环次数i与常量2的余数作为存储参照进行判断, 当余数为0时进行数据存储, 反之则不存储. 当存储判断的结果为“真”时, 数据采集进入命名与存储路径阶段.

为避免人为进行存储路径选择与命名, 首先扫描指定文件夹中要存储类型文件的数量k; 其次利用字符串控件将扫描到的文件数执行k+1并将data (k+1)转为字符串; 再次将文件扫描路径作为基路径, 字符串data (k+1)作为创建路径控件的相对路径写入; 最后将创建路径控件的输出值写入DAQmx文件配置控件, 实现在基路径下以data (k+1)命名文件存储.

存储数据长度设置及图形显示模块的核心作用: 一是数据分段存储; 二是表征系统的运行状态并显示实时图像信息. 包括数据间隔设置、数据时长设置与图像显示2部分, 其软件程序如图5所示. 本文利用在二级循环体内部建立2个并列的条件结构并把上述存储判断结果作为条件结构判断依据, 实现对采集过程的记录、间隔及显示的控制. 2个并列的条件结构, 一个作为图像显示判断, 当其条件值为“真”时, 系统显示实时的波形信息, 值为“假”则不显示实时图像; 而另一个条件结构用于数据间隔与数据记录判断, 当其值为“真”时, 采集过程进入数据时长记录配置, 其值为“假”时, 采集过程则进入数据间隔配置模块.

当某次循环属于存储阶段时, 系统进入时长设置与图像显示模块. 利用DAQmx读取控件获取当前任务的模拟波形并通过索引数组将混叠的信号分离至各个传感器. 对于数据记录则利用获取当前时间控件分别获取大循环处时间t₀和图像显示二级循环体处的时间t₁, 两者的差值T=t₁–t₀即是大循环到二级循环所用时间, 如此便可以用T和输入的记录时长s进行比较判断是否达到了记录时长, 从而跳出存储循环进入新一轮的存储判断; 而当某次循环是为不存储阶段时, 此处的T则与输入间隔时长t比较大小以判断是否到了间隔时长, 从而跳出间隔循环进入下一次的存储判断.

3 实验与结果分析 3.1 材料及方法

为了验证该系统的效用, 采用尺寸为970 mm×40 mm×20 mm的杉木锯材试件在力学试验机上进行三点弯曲实验, 实验中试件跨距为260 mm, 试验加载速度为1 mm/min, 4传感器在试件上表面呈中心对称布置(如图6). 采集系统的记录时长设置为0.5 min, 间隔时长为0.2 min, 采样频率为500 kHz, 文件路径为“F: \实验数据记录\2019-4-11三点弯曲”.

3.2 实验验证

根据上述的参数设置进行实验, 4个传感器在采集过程中的实时AE信号情况如图7所示, 可以直观地看到4个传感器的各自的信号波形及它们在混叠状态下的波形信息, 且信号波形的特性与AE信号突发性特征一致. 在该弯曲试验中, 杉木的弯曲断裂过程历时约为840 s, 根据参数设置中的记录时长0.5 min, 间隔时长0.2 min可知, 实验过程中, 有240 s属于间隔不采集阶段, 故实际采集到的数据总时长为600 s, 共20组数据, 每组时长为30 s, 文件自动命名为data1~data20, 并保存在“F: \实验数据记录\2019-4-11三点弯曲”文件夹下(见图8), 每组数据对应着一段时间的AE信号且各个数据之间间隔12 s, 即data1对应0–30 s, data2对应42–72 s, 两组之间间隔了12 s, 其他数据所对应时间段情况依次类推即可.

采集到的数据是4个传感器混叠状态下的AE信号, 为了更直观的观察杉木在整个弯曲损伤过程各个传感器的AE情况, 利用信号分离程序从原始的混叠信号中析取了各个传感器的时域信号. 为方便表述, 将5个数据分为一个单元, 则一个单元里有20个独立信号. 各个单元析取完成后对应传感器的时域信号如图9.

如图9(a)从上到下分别对应data 1、data 2、data 3、data 4、data 5的各传感器信号, 从左到右分别对应传感器S1、S2、S3、S4等4个传感器的时域信号. 则由图9可以看出杉木在弯曲实验的前期, 试件没被破坏, 系统的信号主要是以外部噪声为主, 故各传感器没有出现明显的声发射现象, 表现为低幅值噪声信号; 到了中后期, 随着杉木断裂过程的逐步加剧, 杉木受到严重破坏, 系统采集到的AE信号则表现出强烈且急促的突变, 由此可见, 采集到的AE信号能较好地表征杉木在损伤断裂过程的大致情况.

为了进一步说明系统的效用, 此处将data16单独取出加以说明, 其时域波形信息如图10所示. 该阶段处于试件断裂的后期, 声发射现象显著, 表现为高幅值高能量, 图10很好地体现了这一断裂特性, 而且S2和S3距离声发射源较近, S1和S4距离声发射源较远, AE信号在传播过程中会有能量衰减, 故AE信号到达S1和S4的幅值会低于S2和S3, 图10的波形信息也准确地体现了AE信号这一传播规律. 由此可见, 该采集系统能够很好地采集杉木在弯曲断裂过程中的AE信号.

4 结果与讨论

本文介绍的基于Lab VIEW的四通道木材AE信号采集系统, 不仅能实现数据分段采集与自动命名存储, 还能在计算机界面上显示各个通道的波形. 人机操作界面配置了必要的参数设置面板及辅助指示控件, 能直观地反映系统当前的运行状态, 具有一定的人机友好性. 系统效用良好, 能实现预期的功能需求, 可应用于多种不同的实验领域. 但是, 该系统仍有改进的空间, 如结构不够紧凑、程序冗长、实现了数据采集过程却没有配置相应的模块用于信号处理等. 因此, 在今后的实际应用过程中, 仍应按照应用领域的需求进一步对系统进行优化与完善.