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图1.PCI总线DISP卡PAC公司近年声发射技术的新发展及代表性产品许凤旌（美国物理声学公司北京代表处，北京，100101）摘要本文主要介绍美国PAC公司在声发射研究和应用方面的一些新的进展，尤其重点介绍几个典型的新产品及的应用；也结合PAC公司近期的一些工程课题项目介绍世界范围内声发射技术一些前沿应用。关键词声发射，无损检测，状态监测，数字化，并行处理，神经网络。1.PAC公司近期的声发射新产品众所周之，成立于1978的美国物理声学公司(PAC)经过80年代中期兼并了当时最老牌的声发射公司Dunegan公司，而后随着80年代末期美国另一家声发射公司AET公司退出声发射市场而使PAC成为世界声发射技术的领导者。进入90年代末期以来，PAC公司其业务范围和公司规模都有长足发展。尤其进入本世纪以来，通过一系列收购兼并其他公司的举措使公司规模及业务范围都大幅度扩张。这期间最大一次收购活动是在2003年成功收购当时规模人数近千人员的美国CONAM公司，经过人员重组和专业重组，使PAC现已形成在全球有数家办事处、十几个子公司的集团公司。目前，全球雇员总数约800人，使PAC公司不但是声发射行业的领航者，而且成为全球NDT行业产品研发及技术服务的龙头。在多通道声发射产品方面，1995年PAC公司第一代全数字化系统MISTRAS2001系统问世标志着声发射技术进入全数字化时代。继MISTRAS2001之后，又相继发展了至少三代数字化声发射产品系列，其典型如下——：1999年首次推出的PCI总线的全数字化多通道声发射系统DiSP系统，采用16位A/D并行多FPGA-DSP硬件。每个DiSP-4卡处理4个通道的声发射参数，可选实时波形采集/处理模块。此后,该系统的硬件不断升级,在1999至2001的两年时间内硬件从最初的V1.0版本升级到V5.0版本，使硬件速度提高3倍以上。尤其采用计算机直接存储技术DMA(DirectMemoryAccess),使声发射卡与计算机之间通讯及数据传输速度大大提高,进而大大提高声发射信号的实时处理速度和能力。图3.SAMOS系统的PCI-8卡多通道DiSP系统结构图PCI-DSP4Master(with8Parametrics)8ChannelParametrics&GroupController(In1stBoardOnly)WaveformOptionalModuleDSPBasedChannelControllerHitLED'sSyncAudisISAPCI-BUSPARAMETRICSPar1Par8CH1CH2CH3CH4SENSORINPUTS4ChannelSPMSignalProcessingModulePCI-DSP4BoardHitLED'sSyncPCI-DSP4BoardHitLED'sSyncAudioCH5CH6CH7CH8CH53CH54CH55CH56HitLED'sVideoMouseKeybordPCICOMPUTERBOARDPIIIorP4CPUUSBPrinterCOM1COM2Spares100BasedNetworkCardAudio/AlarmBoardExpansionInterfaceBoardExpansionInterfaceConnectorFor56CHNetworkvideoKEYBOARDHDiskCDROMfloppyHighSpeedSync&controlWaveformModuleOptionWaveformModuleOption图2.多通道DiSP系统结构图PDFcreatedwithpdfFactorytrialversion系统成功的基础上，基于同样的设计理念和类似的结构，2002年PAC公司又推出一款针对声发射工程检测用的更集成、更便携的全数字化SAMOS™系统。该系统采用更高度集成的硬件设计，在一块标准的PCI卡上处理高达8个声发射通道，而且由于采用最新的FPGA-DSP硬件技术，使声发射参数采集/处理、波形采集/分析实时同步。该系统由于更高度集成、更高度便携因而更适合各种声发射工程现场检测应用。如图4所示,48通道系统的大小只有21×14×7.6厘米，重量不到18公斤。除上述两种产品外，PAC公司多通道数字化声发射家族中最新的产品是2003年推出的两通道卡系统PCI-2（图5）。该系统采用18位A/D，每通道高达40MHz信号采样率，因此具有更高的动态范围，精度和更快的速度。在功能方面,该系统除具有上述两种型号的全部功能外，该产品的另一项突破是实现了波形的高速不间断连续存储(WaveformStreaming)功能。既该系统可不受内存大小的限制，可以单通道每秒10兆数据（20兆字节）连续不断的存入硬盘，这对许多广义声发射问题很有意义。该产品为大学、研究机构等更高深的声发射研究提供了最好的手段。上述产品都是采用最新数字化硬件技术的并行DSP处理结构及数字化领域中最新的DMA(DirectMemoryAccess)技术。它们的共同特点是最大限度地采用最现代的数字化硬件及计算机技术，以求最大限度地解决现代声发射应用问题。这些产品的核心技术特征为计算机一体化采用PCI总线的并行DSP处理结构技术。PAC公司强大的软/硬件研发队伍，对每一种产品在每一年内都要进行若干次软/硬件的升级，以求不断的完善和提高。此外，全世界数以万计的用户以及PAC集团本身数百位人之多的声发射工程检测技术人员的大量声发射工程应用实践和课题项目使得PAC公司的声发射系统的开发不断完善和深入。据不完全统计，PAC公司的声发射系统在中国用户的通道总数已超过1000通道。2PAC公司近期开发的一些专用的声发射系统随着声发射技术应用的不断广泛和深入，PAC公司及其世界各地子公司近年来推出许多针对不同应用需求的专用声发射系统，这些系统有的是根据针对不同应用要求开发的交钥匙系统；有的是来自于政府部门、军方、大公司等对于特殊问题声发射应用研究的课题项目，在这些课题项目的研究方法及成功的信号处理手段基础上形成商品化的专用声发射设备。这些专用系统大都基于PAC成熟的数字化声发射系列最新的硬件技术结合针对不同应用开发的专用处理方法和智能化软件。一些典型的系统介绍如下——：2.1大型变压器局部放电检测/监测系统——PowerPAC声发射技术用于大型变压器及GIS(气体绝缘电站、开关)局部放电检测开始于上个世纪90年代。世界许多著名的变压器生产厂家如ABB、西门子、西屋公司等都采用PAC的声发射系统结合自己内部的变压器生产工艺规范进行变压器产品质量检验；许多大型电站及变电站也用PAC的声发射系统进行在役变压器的局部放电检测和监测（图6）。在这些应用的基础上，2000图4.便携式48通道SAMOS系统图5.具有18位A/D,40MHz采样率的声发射卡PCI-2图6.大型变压器声发射检测现场PDFcreatedwithpdfFactorytrialversion年后，作为电力行业的权威研究机构美国国家电力科学研究院——EPRI，运做了一项总金额高达数百万美元的课题项目，联合PAC公司对百余台不同工况的在役大型变压器进行声发射局部放电检测，针对声发射检测结果逐一进行拆分验证或结合其他手断进行综合复验，形成一套由EPRI推荐认可的检测方法和工艺程序及相应的专家系统，称为PowerPAC。包括多通道DiSP系统，专用软件及基于神经网络软件系统的专用软件包等。近期由美国PAC公司牵头编写的大型变压器声发射检测的规范性文件，也正在由IEEE讨论形成IEEE标准。2.2声发射远程在线监控系统——LAMLAM（图7）是源于美国联邦高速公路局用于在役桥梁安全监测系统的课题项目开发的，其早期硬件基于MISTRAS2001的核心单元。由于许多桥梁现场没有电源供应，该系统由太阳能电池供电实现全天候长时间监测，而且由于现场不能有计算机，LAM与远程计算机进行远程通讯和数据传输。该系统除由美国联邦高速公路局装备多套于在役桥梁，尤其是许多关键的关键部位的安全监测，还用于许多其他设备的声发射在役监测，包括大型变压器监测等其他大型设备的在线安全监测等。2.3用于核电站脱落与松动部件及泄漏监测系统——LoosePart基于SAMOS™系统8通道声发射卡PCI-8的硬件技术，专门开发用于核电系统松动部位监测，该系统已为ABB，两屋公司等配套多套，用于核电站脱落与松动部件在线监测，该系统经专门开发的软件也可用于核电运行系统的在线泄漏监测（图8）。2.4注塑过程在线质量监测系统源于日本丰田汽车公司汽车上注塑成型的塑料部件在熔铸过程的质量监测的项目，基于DiSP硬件专门开发的软件能实时发现注塑过程中部件内部形成的缺陷，实现注塑过程的在线监测和质量控制（图9），监测塑料部件生产过程中内部裂纹、气孔等缺陷。2.5冲压过程在线监测系统PPMS工业加工中冲压成型工艺过程是瞬间完成的，由于某种原因往往会造成被冲工件、冲头或模具某些部位的裂纹或缺陷的产生而造成冲压加工质量缺陷。针对这种情况，PAC公司新进开发的冲压工艺过程在线监测系统，能通过声发射技术对冲压工艺过程进行实时监测和质量控制。该系统基于PAC公司的硬件PCI-2系统，专门开发的软件对冲压过程进行实时质量监控（图10）。图7.LAM系统图8.LoosePart系统图9.注塑过程声发射在线监测图10.冲压工艺声发射实时监测软件PDFcreatedwithpdfFactorytrialversion起重类设备检测专用系统－AIMS-ADTI该系统为24通道数字化声发射设备，基于DiSP系统的硬件技术，软件及方法满足ASTMF914-85标准，该系统的原型产品是基于类似于SPARTAN系统的由模拟电路硬件的ADTI系统。该系统已经过多年工程应用的考验，现在升级为全数字化的AIMS-ADTI系统（图11）。这套系统不但用于消防员等用的载人升降吊车的检测，还可用于起重机械设备、空架类结构设备的声发射检测。基于该系统的硬件，按美国铁路工程学会、铁路运输槽车声发射检验规范开发的专用软件可专门用于检测铁路槽车的声发射检测。3声发射技术近期一些新的应用领域及实例PAC公司由于有一支覆盖全球的声发射技术工程检测服务队伍及一支庞大的应用研发队伍，每年承揽重多的工程检测任务及声发射应用研究的课题项目。除前面介绍的来自于这方面需求而开发的几个声发射专用检测系统外，在此介绍一些典型的工程实例，这些实例大都来自于美国、欧洲、俄罗斯、南美等PAC公司子公司及合作伙伴近期的工作，也代表了世界范围内声发射应用的最新进展。3.1桥梁结构及斜拉桥钢索检测桥梁检测方面PAC公司在美国和欧洲已做了数十座在役桥梁的声发射检测及安全监测，这些桥梁大都以钢结构桥为主，尤其对已知缺陷及关键部位进行声发射检测和监测，载荷主要是由桥面上的重型卡车载重物来模拟交通荷载。近年来在欧洲和日本也做了些混凝土桥梁的检测（图12）。值得一提的是，前些年一直困扰人们的关于大型斜拉桥斜拉钢索的声发射检测方面现有很大突破，PAC公司在2002及2003年在美国、欧洲及南美洲的阿根廷做了几个声发射检测的项目，取得很好的效果（图13）。3.2直升机主减速器齿轮声发射检测图11.AIMS-ADTI系统图12.桥梁结构声发射检测图13.斜拉桥钢索的声发射检测图15.齿轮裂纹及剥落缺陷图14.直升机主减速器检测PDFcreatedwithpdfFactorytrialversion(230-400kHz)SmallEDMnotchLargerEDMnotchCrackgrowthAMPLITUDEENERGY(230-400kHz)AMPLITUDEAMPLITUDEENERGY(230-400kHz)SmallEDMnotchLargerEDMnotchC