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聲發(fā)射信號處理和分析技術(shù)
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時(shí)間：2013-11-27
來(lái)源：網(wǎng)絡(luò )
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儀器的發(fā)展分不開(kāi)的。因此，在闡述AE信號處理技術(shù)發(fā)展時(shí)，我們必須同時(shí)敘述AE儀器的發(fā)展。 所有的AE測試系統都由傳感器、放大器和分析系統三個(gè)基本部分組成，AE儀器的發(fā)展也集中表現在這三個(gè)系統上。近幾十年來(lái)，這三部分的內容（質(zhì)量）都在不斷更新，特別是AE傳感器和分析系統的發(fā)展。AE儀器的發(fā)展經(jīng)歷了五個(gè)不同時(shí)期，差不多相應于20世紀后五個(gè)年代。最早出現的聲發(fā)射儀，可以簡(jiǎn)單到僅僅是一個(gè)測量信號有效值的毫伏表，或者是一個(gè)脈沖計數器，這是第一代AE儀器，代表了20世紀50~60年代的水平。70年代的聲發(fā)射儀器已使用計算機技術(shù)，它把形成各種AE特征量輸出的多通道硬件模塊插在一個(gè)機箱內，通過(guò)內部總線(xiàn)與一臺標準小型計算機相連。除工作速度和存儲能力不足外，其最大缺點(diǎn)來(lái)自性能很差的總線(xiàn)結構，各個(gè)通道的聲發(fā)射信號的采集、傳遞、計算、存儲和顯示都要占用中央處理單元（CPU）的時(shí)間，不但速度慢，而且系統極易出現閉鎖狀態(tài)。稍后的第三代聲發(fā)射儀有所分離，并利用IEEE488標準總線(xiàn)和直接內存存取，系統在信號處理速度和實(shí)時(shí)顯示上有了一定改進(jìn)。 80年代后期出現了利用并行處理技術(shù)解決實(shí)時(shí)采集和處理的儀器，如PAC公司的SPARTAN AT和LOCAN320等，使儀器在A(yíng)E數據處理能力上有了較大提高（每秒數千個(gè)聲發(fā)射事件）。在這類(lèi)儀器中，為保證AE數據的實(shí)時(shí)采集，把數據采集和信號的分析、顯示分開(kāi)。設計時(shí)，每?jì)蓚€(gè)通道形成一個(gè)單元，配有專(zhuān)用微處理器，形成獨立通道控制單元（ICC），完成實(shí)時(shí)數據采集， 而數據處理任務(wù)比較合理的分配給一些并行的計算單元，這樣，儀器的實(shí)時(shí)性得到大大增強。這應屬于第四代AE儀器。 90年代后，AE檢測系統進(jìn)入了全數字式的第五代。它是在高速A/D轉換及有關(guān)集成電路（IC）芯片性能大幅度提高，價(jià)格又大幅度下降的背景下形成的。全數字化AE儀器的問(wèn)世標志著(zhù)聲發(fā)射儀器的研制進(jìn)入一個(gè)全新的階段，它在系統結構和軟件配置上保留了第四代產(chǎn)品的優(yōu)點(diǎn)，但放大后的AE信號不必再經(jīng)過(guò)一系列的模擬、數字電路形成數字特征量。這樣做的好處是數字信號有良好的抗干擾特征，信息能夠準確的發(fā)送、傳遞而無(wú)畸變，沒(méi)有模擬器件因存在噪聲或飽和帶來(lái)的失真以及因器件離散等因素產(chǎn)生的數據不一致，從而使儀器的可靠性得到更好的保證。另外，由數字化的AE信號中提取特征量比模擬方法容易實(shí)現，如采用模擬方法很難在嚴格的意義上給出AE信號的能量和有效值，而在數字信號的基礎上卻容易實(shí)現。數字化后的信號保留了更多的AE信息，也為信號分析和特征提取提供更大的開(kāi)發(fā)潛力。 圖4是一個(gè)典型的全數字式AE系統圖，它具有如下特點(diǎn)： （1） 采用PC機的插板方式，只要把用于A(yíng)E信號采集的AE DSP-32/16卡插入ISA（PC/AT）總線(xiàn)，配一臺性能良好的PC機，就可構成2~256通道AE檢測系統。儀器的模塊式結構進(jìn)一步簡(jiǎn)化。 （2） 數字信號處理器（DSP）卡采用了包括高速DSP（TMS320C40）和現場(chǎng)可編程門(mén)陣列（FPGA）在內的最新器件，一塊卡包括兩個(gè)獨立的AE通道，由一個(gè)DSP進(jìn)行管理，DSP從主機取得程序和設置命令，在硬件提取傳統AE特征參數的同時(shí)，還可計算出附加的波形特征（頻率特征、信號波形特征、組合特征和由用戶(hù)開(kāi)發(fā)的其它特征）。由于DSP具有高速的并行處理、數據傳送和尋址能力，可在近乎實(shí)時(shí)的意義下完成數據記錄和附加特征的提取，這在以往AE儀器中是難以設想的。全數字式AE儀器的問(wèn)世為AE信號處理技術(shù)提供了一個(gè)全新的舞臺。 使用DSP卡的第五代全數字式聲發(fā)射儀雖然比前幾代有了很大進(jìn)步，但本質(zhì)仍是參數聲發(fā)射儀，即硬件的輸出或顯示記錄存儲的數據仍是實(shí)際聲發(fā)射信號波形基礎上提取的聲發(fā)射參數。DSP卡聲發(fā)射儀也都可配有波形采集，但波形采集平行于參數生成，計算機總線(xiàn)或總線(xiàn)技術(shù)應用的限制不能實(shí)時(shí)多通道傳送波形數據到計算機，聲源定位信號分析等實(shí)時(shí)顯示分析的功能仍然只能由硬件輸出的參數完成。21世紀出現了硬件的輸出或顯示記錄存儲的數據為聲發(fā)射波形的全波形聲發(fā)射儀，它的基本結構是在DSP卡的第五代全數字式聲發(fā)射儀基礎上去掉DSP，改用高速計算機總線(xiàn)PCI，直接高速地將經(jīng)A/D轉換后的全數字全波形聲發(fā)射數據送到功能強大的計算機，由計算機軟件完成參數生成及波形分析聲源定位等任務(wù)。這種全數字全波形聲發(fā)射儀最大限度地應用了現代電子和計算機高速數據采集和高速軟件處理的技術(shù)，使得多通道聲發(fā)射波形采集和分析不再困難，同時(shí)保留了參數聲發(fā)射儀的全部功能，為聲發(fā)射技術(shù)研究和應用提供了良好的工具。我國技術(shù)人員設計研制生產(chǎn)了世界上第一臺多通道全波形聲發(fā)射儀。
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