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基于 LabVIEW 的声发射旌旗灯号收罗阐发与处置体系

宣布日期:2017-05-06 11:48    阅读次数:次

马 永 辉 ,  刘    康 ,  杨 大 志

(四 川 理 工 学 院 机 械 工 程 学 院 ,  四 川 自 贡 643000)

摘  要 :  基 于 LabVIEW 软 件 与 PCI-6251 数 据 采 集 卡 ,设 计 了 一 套 声 发 射 信 号 采 集 、分 析 与 处 理体系 。  该系 统经由过程现实 操纵能够对 声发射旌旗灯号 停止收罗 ,贮存与回放 ,并能经由过程软 件壮大的模

块和接口功 能实现对声 发射旌旗灯号的 频谱阐发与 小波除噪处 理 。

关头词 :  labview; 旌旗灯号 收罗 ;  旌旗灯号分 析处置

中图分类号 :   TP39  文献标记码 :   A 文章编号 :   1003 - 0794(2011)02 - 0258 - 04

System of AESignal Analysis and Processing Based on LabVIEW

MA Yong-hui, LIU Kang, YANG Da-zhi

(College of Mechanical Engineering,Sichuan University  of Science and Engineering, Zigong 643000, China)

Abstract:  A set  of system about  acoustic  emission  collection   is developed,analysis  and  processing based on LabVIEW software and the PCI-6251 data acquisition  card. The system not only can collect,

store and playback  acoustic emission signal through the real operation but also can realize the acoustic emission

frequency  spectrum analysis and wavelet denoising  processing by using powerful  modules and interface functions of LabVIEW.

Key words: labview; signal acquisition; signal analysis and processing

0 弁言

 

声发射检测 的方式可对  CNG 钢瓶停止检 测 ,采 集 分 析 与 处 理 信 号 ,及 时 发 现 缺 陷 ,避 免 事 故 产 生 。

因 此 声 发 射 信 号 的 采 集 分 析 与 处 理 就 成 为 一 个 重

点 ,   利 用 虚 拟 仪 器 LabVIEW 和 高 速 的 数 据 采 集 卡 可 很 好 的 实 现 对 声 发 射 信 号 的 采 集 、   分 析 与 处 理 ,

并 及 时 为 钢 瓶 的 状 态 做 出 评 价 提 供 依 据 ,减 少 事 故 产生的 能够性 。

1   声发射检测

声 发 射 检 测 是 一 种 动 态 无 损 检 测 方 法 ,它 可 以 利 用 材 料 内 部 缺 陷 的 存 在 所 引 起 的 声 反 应 的 变 化

对 材 料 内 部 的 缺 陷 进 行 检 测 ,并 对 缺 陷 的 状 态 做 出 判定 和评价 。   对 CNG 气瓶而言 ,气瓶自身或 内 部

的 缺 陷 在 加 压 时 如 果 产 生 变 形 或 有 缺 陷 扩 展 ,在 此 过 程 中 产 生 的 应 力 应 变 能 就 会 以 弹 性 波 形 式 释 放

出 来 , 此 弹 性 波 就 是 声 发 射 信 号 , 这 些 信 号 均 来 自 钢 瓶 的 缺 陷 ,对 这 些 信 号 进 行 采 集 分 析 与 处 理 就

可 以实 现对钢瓶 状况的评价 。

2   体系全体设 计

信 号 采 集 是 利 用 传 感 器 等 设 备 从 被 测 单 元 中自 动 采 集 信 息 的 过 程 它 是 硬 件 与 软 件 系 统 相 结 合 的 产 物 。   一 个 完 整 的 采 集 系 统 包 括 传 感 器 ,信 号 调度电路 ,数据收罗和 阐发软件等 。硬 件 系 统 主 要 由 传 感 器 ,   信 号 预 处 理 电 路 ,数据采 集卡与计较 机构成 。   其 道理如图 1 所 示。

1

针 对 声 发 射 信 号 的 特 征 , 其 频 率 主 要 集 中 在

100~400 kHz,中间频次在 100~200 kHz,本体系选用 的传感器为国产北京鹏翔科技无限公司的 PXR15 的 谐振式传感器,其接纳日本富士 PZT 敏感元件,在灵 敏度、分歧性、温度不变性方面具备较好的机能,它的 性 能 指 标 为 中 心 频 率 150 kHz, 带 宽 100~400 kHz, 活络度 65 dB,这对声发射旌旗灯号非常合用。

在 实 际 的 测 量 中 ,采 集 到 的 信 号 对 于 信 号 采 集 卡 的 输 入 有 一 定 的 要 求 ,传 感 器 具 有 较 高 的 容 抗 和 阻 抗 , 其 输 出 的 声 发 射 信 号 十 分 微 弱 , 如 果 经 过 长 电缆输 送会致使信 噪比很低 。   传感器在接 受旌旗灯号的 同 时 也 接 收 到 噪 音 ,这 些 噪 音 对 信 号 分 析 有 一 定 的

影 响 ,   因 此 需 要 利 用 处 理 电 路 对 这 些 信 号 进 行 滤 波,剔除 一些没用的 旌旗灯号 。   针对 该体系 ,为了 进步信

噪 比 , 对 一 部 分 干 扰 信 号 进 行 过 滤 , 因 此 其 中 一 个

声道的旌旗灯号 调度电路 如图 2 所示。

2

 

通 过 信 号 调 理 后 ,就 可 以 与 数 据 采 集 卡 进 行 连

接 ,数 据 采 集 卡 是 硬 件 系 统 的 核 心 ,其 性 能 对 数 据 收罗的速率 和精度都能 间接的影 响 。   体系所选 用的

信 号 采 集 卡 为 NI 公 司 的 PCI-6251 数 据 采 集 卡 ,NI PCI-6251 是 一 款 高 速 M 系 列 多 功 能 DAQ 板 卡 ,在

高采 样率下也能 坚持高精度 。   它在多通 道收罗时能

达 到 1MS/s,具 有 16 路 模 拟 输 入 ,16 位 分 辨 率 ,2 路 模 拟 输 出 , 更 新 速 率 为  2.8 MS/s,8  路 高 速 可 达

10 MHz,  由 于 钢 制 气 瓶 的 声 发 射 频 率 主 要 集 中 在

100~400 kHz 之 间 ,   因 此 该 数 据 卡 可 以 达 到 采 集 的

成果 。

软 件 使 计 算 机 与 信 号 采 集 硬 件 形 成 一 个 完 整 的 旌旗灯号收罗 、分 析与显现 体系 。  Labview 是一个 高性 能 的 上 层 软 件 开 发 程 序 应 用 平 台 ,它 自 身 所 带 的 驱 动 程 序 可 以 对 硬 件 系 统 各 个 参 数 进 行 相 关 的 设 置 ,

并按 设置好的参 数对旌旗灯号 停止收罗 。

3 软件体系

测 试 仪 器 由 信 号 采 集 、信 号 分 析 处 理 与 回 放 显 示 3 部 分 组 成 ,其 中 软 件 系 统 包 括 信 号 分 析 处 理 与

回放显现 。   其 首要的功效 便是把输 入计较机中 的信

号 信 息 进 行 储 存 ,   以 便 后 期 处 理 信 号 方 便 调 用 ,再 一 个 就 是 对 信 号 用 LabVIEW 中 提 供 的 程 序 进 行 相 关 方 面 的 分 析 ,并 显 示 出 来 ,从 信 号 信 息 中 发 现 并 得 到有效的信 息 。

3.1   旌旗灯号收罗与 贮存

数 据 采 集 在 整 个 系 统 中 占 有 很 重 要 的 地 位 ,直 接 决 定 信 号 分 析 的 准 确 性 ,在 该 步 骤 中 主 要 是 对 采

集 设 备 中 的 采 集 参 数 进 行 设 置 ,   包 括 通 道 的 选 择 ,

采 样 频 率 以 及 每 通 道 的 采 样 数 等 ,采 样 频 率 过 高 或 者 过 低 都 会 对 信 号 采 集 产 生 一 定 的 负 面 影 响 ,为 了

防 止 这 些 负 面 影 响 的 产 生 ,   根 据 乃 奎 斯 特 定 理 ,最

低 采 样 频 率 必 须 是 信 号 频 率 的 2 倍 ,经 过 大 量 实 验 考证,采 样频 率 一 般 设 置 为 输 入 信 号 最 高 频 率 的 7~

10 倍 ,在 此 情 况 下 ,就 可 以 正 确 的 还 原 波 形 ,得 到 理 想的 波形 。

在 信 号 采 集 的 过 程 中 ,每 采 集 一 次 数 据 都 要 经

过 数 据 分 析 显 示 之 后 才 能 再 次 进 行 采 集 ,这 样 会 导 致时候延 迟从而影响 数据收罗 的周期 。   是以 本体系

采 用 多 线 程 的 方 式 实 现 信 号 采 集 与 分 析 ,   即 采 用

labview 队 列 状 态 机 的 方 式 进 行 采 集 ,状 态 机 由 一 个 while 和 case 系 统 组 成 ,   状 态 的 变 换 通 过 移 位 寄 存 器 的 跳 转 来 实 现 ,while 系 统 实 现 对 信 号 的 连 续 采 集 ,   而 case 系 统 则 实 现 不 同 状 态 下 进 行 不 同 操 作 , case 结 构 的 分 支 与 状 态 一 一 对 应 ,其 内 部 程 序 为 该

进 行 排 队 ,把 状 态 的 名 字 存 在 队 列 中 ,通 过 调 用 队

列 中 状 态 的 名 字 进 行 状 态 的 跳 转 ,调 用 后 的 名 字 利 用 Dequeue Element VI 法式 从行列中删 除 ,   根 据 需 要新的状况

名字又会被 插手到行列 中 。   如许一个 循 环 系 统 可 以 不 断 的 进 行 数 据 采 集 将 采 集 到 的 信 息 放 入 队 列 中 ,另 一 个 循 环 系 统 则 不 断 的 从 队 列 中 读 取 信 息 对 数 据 进 行 处 理 ,2 个 系 统 实 现 通 信 的 互 用 , 且互不 影响 。

3

图 3    行列状况机表示图

在 图 3 中 ,最 上 面 的 一 个 循 环 为 程 序 的 控 制 指 令 ,将 所 需 的 状 态 名 添 加 到 队 列 中 ,在 下 面 的 循 环

的 case 中 为 各 个 状 态 所 要 执 行 的 任 务 的 程 序 ,并 通 过 enum 来 实 现 与 下 一 个 状 态 的 连 接 ,

初 始 化 为 在 case 编程 中所须要数 据传递的接 口 ,   将其全体 绑定 在 一 个 簇 中 ,并 通 过 bundle 相 关 指 令 来 实 现 数 据 的

互换与变动 。

Case 中 所 针 对 的 状 态 为 创 建 任 务 、   数 据 采 集 、 数据显现 与处置状况 。   经由过程建立 使命实现对 旌旗灯号的 输 入 ,再 经 过 数 据 采 集 实 现 对 信 号 的 读 取 ,最 后 再 数据显现与 处置实现 旌旗灯号的显现 和相干的处 理 。

采 用 如 上 所 述 的 方 法 对 声 发 射 信 号 进 行 采 集 , 此中声道为 2 声道,每一个声道的采样数为 1 000,因为

钢 制 气 瓶 的 声 发 射 频 率 主 要 集 中 在 100~400 kHz,  所示。

4

 

图 4   采 集 到 的 信 号

从 上 图 中 可 以 清 晰 地 观 察 到 2 个 声 道 形 成 的 声 发 射 信 号 ,此 信 号 的 特 征 符 合 声 发 射 信 号 突 发 性

旌旗灯号的特点 。

在 采 集 的 过 程 中 经 常 会 遇 到 信 号 采 集 的 速 度

高 于 信 号 硬 盘 读 取 的 速 度 ,   因 此 造 成 信 号 的 丢 失 ,

为 了 实 时 地 高 速 采 集 信 号 并 进 行 储 存 ,本 系 统 采 用 双 缓 存 储 , 即 开 辟 2 个 缓 存 空 间 , 一 个 作 为 循 环 缓 存 ,一 个 作 为 转 移 缓 存 ,当 循 环 缓 存 存 储 到 一 半 时 , 数 据 被 拷 贝 到 转 移 缓 存 , 当 循 环 缓 存 存 满 时 ,

则 新 数 据 将 旧 数 据 覆 盖 , 如 此 循 环 进 行 存 储 , 为 了 保 证

plot((0:nfft/2-1)/nfft*fs,Y(1:nfft/2)); xlabel(‘频次  f/Hz’); ylabel(‘功率谱  P/W’);

prompt

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*.tdms open(read-only)

数 据 能 够 完 好 的 被 存 储 ,转 移 缓 存 的 大 小 要 比 循 环 缓 存 的 空 间 的 一 半 大 一 些 ,其 中 循 环 缓 存 区 的 大 小 至 少 为 扫 面 率 的 2 倍 ,10 倍 的 效 果 最 佳 。   本 系 统 在 vc 状 态 下 对 存 储 程 序 进 行 编 程 , 并 生 成 DLL, 然 后 通 过 labview 中

的 Call  Library  Function Node 模 块 调 用 来 实 现 双 缓 存 存 储 的 功 能 ,其 中 所 需 程 序 还 应 调 用 数 据 采 集 函 数 库 中 的 nidaq32.lib 和 nidex32. lib。

信 号 采 集 的 数 据 量 较 大 ,因 此 采 用 TDMS 格 式 对 数 据 进 行 保 存 ,   并 对 信 号 进 行 描 述 属 性 的 添 加 , 有 利 于 数 据 的 查 询 和 管 理 ,由 于 该 数 据 的 储 存 格 式

是 二 进 制 的 , 因 此 速 度 很 快 , 很 适 合 采 集 高 速 的 数

据。

旌旗灯号以 TDMS 的 格 式 进 行 储 存 ,因 此 信 号 回 放 的 时 候 需 要 对 TDMS 文 件 操 作 函 数 进 行 编 程 ,从 中 读取数据 。

3.2 旌旗灯号阐发与 处置

信 号 分 析 与 处 理 是 一 个 不 可 缺 少 的 步 骤 ,它 的 主 要 目 的 就 是 从 被 测 对 象 的 信 号 特 征 中 找 出 有 用

的 信 息 ,LabVIEW 软 件 为 信 号 的 分 析 与 处 理 提 供 了 强 大 的 信 号 处 理 包 ,如 小 波 分 析 ,时 频 分 析 ,时 间 序

列阐发等等 ,极大处所便 了测试职员 的编程操纵 。

频 谱 分 析 是 一 种 分 析 信 号 的 传 统 方 法 ,其 原 理

Y=abs(fft(x,nfft));

plot((0:nfft/2-1)/nfft*fs,Y(1:nfft/2)); xlabel(‘频次  f/Hz’); ylabel(‘功率谱  P/W’);

是 利 用 傅 立 叶 变 换 将 信 号 在 频 域 范 围 内 加 以 分 析 ,

并 在 其 中 研 究 信 号 的 各 种 特 征 ,   找 出 有 用 的 信 息 ,

它 是 数 字 信 号 处 理 中 常 用 的 、   重 要 的 方 法 之 一 ,

LabVIEW 在 其 中 提 供 了 丰 富 的 频 谱 分 析 程 序 ,以 便 针 对 不 同 的 情 况 对 信 号 进 行 频 域 上 的 分 析 。   Lab- VIEW 虽 然 功 能 很 强 大 ,   但 是 仍 然 会 有 一 些

功 能 无 法 实 现 , 为 了 弥 补 不 足 , 其 提 供 了 强 大 的 外 部 程 序 接 口 来 充 分 利 用 其 他 变 成 软 件 的 优 势 ,如 MATLAB 接口,本 系 统 利 用 MATLAB 接 口 进 行 编 程 对 信 号 进 行功 率谱阐发 ,其 法式如图 5 所示。

MATLAB 编程以下所 示:

5

功率谱如图  6 所示。

6

 

图 6   功 率 谱 分 析

在 图 6 中 可 以 明 显 的 看 出 声 发 射 信 号 在 频 率 规模 内的幅值特 征 。

由 于 各 种 环 境 问 题 的 存 在 ,采 集 的 信 号 中 掺 杂 着 很 多 干 扰 信 号 ,这 些 信 号 的 存 在 对 信 号 分 析 提 供 了 种 种 困 难 ,   导 致 不 能 准 确 找 出 信 号 的 真 正 特 征 。

其 中 小 波 分 析 就 是 一 种 有 效 地 除 噪 方 法 ,其 主 要 原

理 是 选 定 一 种 小 波 ,   对 信 号 进 行 N 层 小 波 分 析 ,然 后 对 分 解 得 到 的 各 层 系 数 选 择 一 个 阀 值 ,对 细 节 系 数 进 行 软 阀 值 处 理 ,降 噪 处 理 后 的 系 数 通 过 小 波 重 建 恢 复 原 始 信 号 。   小 波 基 的 选 择 应 满 足 小 事 距 ,紧 支 性 , 对 称 性 , 正 则 性 几 个 特 征 , 因 此 选 用 Symlers 小 波 对 其 进 行 分 析 ,分 解 尺 度 根 据 采 用 频 率 的 大 小 确 定 为 7,在 MATLAB 接 口 条 件 下 对 其 中 一 个 声 道 的信 号停止小波 阐发 ,其成果 如图 7 所示 。

 

7

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