第4章-声发射检测仪器系统

34第4章声发射检测仪器系统4.1信号电缆从前置放大器到声发射检测仪主体，往往需要很长的信号传输线和前置放大器的供电电缆，在前置放大器和主放大器也需要进行信号传输，通常需要采用信号电缆实现。信号电缆包括同轴电缆、双绞电缆和光导纤维电缆。4.1.1同轴电缆同轴电缆是由一根空心的外圆柱导体和一根位于中心轴线的内导线组成，内导线和圆柱导体及外界之间用绝缘材料隔开。根据传输频带的不同，可分为基带同轴电缆和宽带同轴电缆两种类型：基带：数字信号，信号占整个信道，同一时间内能传送一种信号。宽带：可传送不同频率的信号。广泛使用的同轴电缆有两种：一种为50Ω(指沿电缆导体各点的电磁电压对电流之比)同轴电缆，用于数字信号的传输，即基带同轴电缆；另一种为75Ω同轴电缆，用于宽带模拟信号的传输，即宽带同轴电缆。同轴电缆以单根铜导线为内芯，外裹一层绝缘材料，外覆密集网状导体，最外面是一层保护性塑料。金属屏蔽层能将磁场反射回中心导体，同时也使中心导体免受外界干扰，故同轴电缆比双绞线具有更高的带宽和更好的噪声抑制特性。同轴电缆的这种结构，使它具有高带宽和极好的噪声抑制特性。声发射仪器中使用的同轴电缆为高质量的75Ω或50Ω同轴电缆用于传感器与前置放大器之间和前置放大器与主放大器之间的模拟声发射信号传输。有时采用耐高温的同轴电缆用于传感器与前置放大器之间信号传输抵抗被测物体上的高温。由于声发射信号幅度值通常很小，传感器输出端一般不超过100毫伏，为避免过大的信号衰减和信噪比降低，同轴电缆的应用一般不超过100米。主要电气参数：(1)同轴电缆的特性阻抗同轴电缆的平均特性阻抗为50±2Ω,沿单根同轴电缆的阻抗的周期性变化为正弦波,中心平均值±3Ω,其长度小于2米。(2)同轴电缆的衰减一般指500米长的电缆段的衰减值。当用10MHz的正弦波进行测量时,它的值不超过8.5db(17db/公里);而用5MHz的正弦波进行测量时,它的值不超过6.0db(12db/公里)。(3)同轴电缆的传播速度需要的最低传播速度为0.77C(C为光速)。(4)同轴电缆直流回路电阻电缆的中心导体的电阻与屏蔽层的电阻之和不超过10毫欧/米(在20Ω下测量)。354.1.2双绞电缆双绞电缆(TP)：将一对以上的双绞线封装在一个绝缘外套中，为了降低信号的干扰程度，电缆中的每一对双绞线一般是由两根绝缘铜导线相互扭绕而成，也因此把它称为双绞线。双绞线是现在最普通的传输介质，它由两条相互绝缘的铜线组成，典型直径为1毫米。两根线绞接在一起是为了防止其电磁感应在邻近线对中产生干扰信号。双绞线分为分为非屏蔽双绞线(UTP)和屏蔽双绞线(STP)。目前市面上出售的UTP分为3类，4类，5类和超5类四种：3类：传输速率支持10Mbps，外层保护胶皮较薄，皮上注有“cat3”；4类：网络中不常用；5类（超5类）：传输速率支持100Mbps或10Mbps，外层保护胶皮较厚，皮上注有“cat5”；超5类双绞线在传送信号时比普通5类双绞线的衰减更小，抗干扰能力更强，在100M网络中，受干扰程度只有普通5类线的1/4，目前较少应用。屏蔽式双绞线具有一个金属甲套(sheath)，对电磁干扰EMI(ElectromagneticInterference)具有较强的抵抗能力。声发射仪器中仅用双绞电缆传输数字信号，如采用前端数字化的声发射检测系统。4.1.3光导纤维电缆光导纤维电缆是由一组光导纤维组成的用来传播光束的、细小而柔韧的传输介质。应用光学原理，由光发送机产生光束，将电信号变为光信号，再把光信号导入光纤，在另一端由光接收机接收光纤上传来的光信号，并把它变为电信号，经解码后再处理。与其它传输介质比较，光纤的电磁绝缘性能好、信号衰减小、频带宽、传输速度快、传输距离大。主要用于要求传输距离大于100米的声发射应用。光纤为圆柱状，由3个同心部分组成——纤芯、包层和护套，每一路光纤包括两根，一根接收，一根发送。用光纤作为网络介质的LAN技术主要是光纤分布式数据接口(Fiber－opticDataDistributedInterface，FDDI)。与同轴电缆比较，光纤可提供极宽的频带且功率损耗小、传输距离长(2公里以上)、传输率高(可达数千Mbps)、抗干扰性强(不会受到电子监听)，是构建安全性网络的理想选择。由于光纤传输相对同轴电缆结构复杂，两端需要光电编码器和解码器，目前应用较少，但有可能成为需要长距离传输声发射信号的最佳选择。4.1.4电缆中的噪音问题电子设备中噪声有从信号电缆和电源电缆上产生的传导噪声和空间辐射的辐射噪声两大类。这两大类中有分为共模噪声和差模噪声两种。差模传导噪声是电子设备内噪声电压产生的与电源电流或信号电流相同路径的噪声电流，如图4.1所示。减小这36种噪声的方法是在电源线和信号线上串联电感（差模扼流圈）、并联电容或用电感和电容组成低通滤波器，减小高频的噪声，如图4.2所示。图4.1差模噪声的产生图4.2差模噪声的抑制图4.3共模噪声的产生37共模传导噪声是在设备内噪声电压的驱动下，经过设备与大地之间的寄生电容，在电缆与大地之间流动的噪声电流，如图4.3所示。减小共模噪声的方法是在电源线或信号线中串联电感（共模扼流圈）、在导线与地之间并联电容器、使用LC滤波器，图4.4所示。共模扼流圈是将电源线的火线和零线（或信号线和回流线）同方向绕在铁氧体磁芯上构成的，它对线间流动的差模电源电流和信号电流阻抗很小，而对两根导线与地之间流过的共模电流阻抗很大。共模辐射是由于电缆端口上有共模电压，在这个共模电压的驱动下，从电缆到大地之间有共模电流流动而产生的。辐射的电场强度与观测点到电缆的距离成反比，（当电缆长度比电流的波长短时）与电缆的长度和频率成正比。减小这种辐射的方法有：通过在线路板上使用地线网格或地线面降低地线阻抗，在电缆的端口处使用共模扼流圈或LC低通滤波器。另外，尽量缩短电缆的长度和使用屏蔽电缆也能减小辐射。图4.4共模噪声的抑制4.1.5阻抗匹配一件器材的输出阻抗和所连接的负载阻抗之间所应满足的某种关系，以免接上负载后对器材本身的工作状态产生明显的影响。对电子设备互连来说，例如信号源连放大器，前级连后级，只要后一级的输入阻抗大于前一级的输出阻抗5-10倍以上，就可认为阻抗匹配良好；对于放大器连接音箱来说，电子管机应选用与其输出端标称阻抗相等或接近的音箱，而晶体管放大器则无此限制，可以接任何阻抗的音箱。4.1.6接头同轴电缆两端可以连接BNC接头，BNC接头由BNC接头本体、屏蔽金属套筒、芯线插针由三件组成，芯线插针用于连接同轴电缆芯线；剥好线后请将芯线插入芯线插针尾部的小孔中，用专用卡线钳前部的小槽用力夹一下，使芯线压紧在小孔中。384.2信号调理4.2.1前置放大器传感器输出的信号的电压有时低至微伏数量级，这样微弱的信号，若经过长距离的传输，信噪比必然要降低。靠近传感器设置前置放大器，将信号提到一定程度，常用有34、40到60分贝，再经过高频同轴电缆传输给信号的处理单元。前放的输入是传感器输出的模拟信号，输出是放大后的模拟信号，前放是模拟电路。传感器的输出阻抗比较高，前置放大器需要具有阻抗匹配和变换的功能。有时传感器的输出信号过大，要求前置放大器具有抗电冲击的保护能力和阻塞现象的恢复能力。并且具有比较大的输出动态范围。前置放大器的一个主要技术指标是噪声电平，一般应小于10微伏。有些特殊用途的前置放大器，噪声电平应小于2微伏。对于单端传感器要配用单端输入前置放大器，对于差动传感器要配用差动输入前置放大器，后者比前者具有一定的抗共模干扰能力。前置放大器一般采用宽频带放大电路。频带宽度可以在50千赫到2兆赫范围内，在通频带内增益的变动量不超过3分贝。使用这种前置放大器时，往往插入高通或者带通滤波器抑制噪声。这种电路结构的前置放大器适应性强，应用较普遍。但也有采用调谐或电荷放大电路结构的前置放大器。综上所述，在声发射系统中，前置放大器占有重要的地位，整个系统的噪声由前置放大器的性能所左右。前置放大器在整个系统中的作用就是要提高信噪比，要有高增益和低噪声的性能。除此以外，还要有具有调节方便，一致性好，体积小等优点。此外，由于声发射检测通常在强的机械噪声（频带通常低于50KHz）、液体噪声(通常100KHz～1MHz)和电气噪声的环境中进行，因此前放还应具有一定的强抗干扰能力和排除噪声的能力。前放的主要性能指标为：放大倍数：34、40或者60dB通频带：50KHz～300KHz、20KHz～1000KHz等输入噪声电压：5uv前置放大器主要由输入级放大电路、中间级放大电路、滤波电路、输出级电路组成。输入级前置放大是控制噪声的关键部分，最好选用超低噪声的宽带集成放大器；中间级放大电路主要作用提高放大电路，采用宽带、高增益、低噪声运算放大器，主要问题是如何防止和消除自激；滤波电路是有效地监测出我们所关心的声发射信号；输出级放大电路要选择低输出阻抗的运放，以便提高带负载能力。前置放大器也可与传感器组成一体化的带前置放大器的传感器，即将前置放大器置入传感器外壳内，通常需要设计体积小的前置放大器电路。394.2.2主放大器AE信号经前置放大器前级放大后，通常需进行二级主放大以提高系统的动态范围。主放大器的输入信号是前放输出的模拟信号，输出是放大后的模拟信号，因此主放大器是模拟电路。要求主放大器具有一定的增益，与前置放大器一样，要具有50千赫导1兆赫（或2兆赫）的频带宽度，在频带宽度范围内增益变化量不超过3分贝。另外，还要具有一定的负载能力和较大的动态范围。通常主放大器提供给前置放大器直流工作电源，交流AE信号经隔直流后再进行主放大。为了更好的适用不同信号幅度大小、不同频带的AE信号，主放大器往往具有放大倍数调整、频带范围调节等功能。4.2.3滤波器在声发射检测工作中，为了避免噪声的影响，在整个电路系统的适当位置（例如主放大器之前）插入滤波器，用以选择合适的“频率窗口”。滤波器的工作频率是根据环境噪声（多数低于50千赫）及材料本身声发射信号的频率特性来确定，通常在60到500千赫范围内选择。若采用带通滤波器在确定工作频率f后，需要确定频率窗口的宽度，即相对宽度Δf/f。若Δf/f太宽易于引入外界噪声，失去了滤波作用；若Δf/f太窄，检测到的声发射信号太少，降低了检测灵敏度。因此，一般采用Δf=+0.1f到+0.2f。此外，在确定滤波器的工作频率时，应注意滤波器的通频带要与传感器的谐振频率相匹配。滤波器可采用有源滤波器，也可采用无源滤波器，一般都要求衰减大于每倍频程24分贝。也可采用软件数字滤波器进行信号滤波。软件数字滤波器的特点是设置使用灵活方便功能强大，但需要首先要求信号波形数字化，有时会导致数据量过大，目前多通道情况软件数字滤波实时性能较差。4.3信号探测硬件设置4.3.1门槛比较器为了剔除背景噪声，设置适当的阈值电压，也称为门限电压。低于所设置阈值电压的噪声被剔出，高于这个阈值电压的信号则通过。门槛比较器就是将输入声发射信号与设置的门槛电平进行比较，高则通过低则滤掉的硬件电路。通常是在模拟电路部分，但也可在数字电路中进行门槛比较。4.3.2门槛测量单元门槛测量单元通常由声发射信号输入、门槛电平产生、门槛比较器及信号输出4部分组成，其中主要部分为门槛电平产生和门槛比较器。门限电压可以分为固定门限电压和浮动门限电压两种。对于固定门限电压，可在40一定信号水平范围内连续调整或者断续调整，可采用D/A数摸转换器件产生需要的门槛电压。早期的门槛比较器电路采用施密特触发电路，由于电子器件集成化的发展，目前多采用电压比较器电路。图4.5浮动门限阈值电平随噪声电平的变化放大器输出信号电压比较器噪声检波器无倒向电压相加器图4.6浮动门限电路方框图浮动门限的阈值电压随背景噪声的高低而浮动，如图4.5所示。能够最大限度地检测真正有用的声发射信号，基本上不受噪声起伏的影响。此外，也可以采用浮动门限表示连续型声发射信号的大小，观察其活动随时间的变化规律。图4.6示出浮动门限的工作原理（电路方框图），它由一个噪声电平检波器、无倒向