聲發(fā)射檢測(cè)儀器系統(tǒng)

1、第4章聲發(fā)射檢測(cè)儀器系統(tǒng)4.1聲發(fā)射儀器的功能和種類 聲發(fā)射檢測(cè)原理如圖4.1，就是采用聲發(fā)射儀器接收采集來自聲發(fā)射源的聲波信號(hào)即聲發(fā)射信號(hào)，并對(duì)聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行分析顯示達(dá)到檢測(cè)出聲發(fā)射源的目的。聲發(fā)射源可以是裂紋開裂聲信號(hào)/機(jī)械故障聲信號(hào)/泄漏聲信號(hào)等檢測(cè)對(duì)象。 放大器 數(shù)據(jù)采集 記錄與顯示系統(tǒng) 處理系統(tǒng) 傳感器 波的傳播 * 源圖4.1-1 聲發(fā)射檢測(cè)原理圖4.1中傳感器的作用是轉(zhuǎn)變接收到的聲發(fā)射的聲信號(hào)成為聲發(fā)射的電信號(hào)。目前市場(chǎng)上和文獻(xiàn)報(bào)道的聲發(fā)射傳感器絕大多數(shù)都是壓電敏感材料的傳感器，型號(hào)及對(duì)應(yīng)的靈敏度頻率特性還有尺寸是否防水等種類繁多。與傳感器連接的放大器通常也稱作前置放大器，其作用

2、是將傳感器輸出的微弱驅(qū)動(dòng)能力的聲發(fā)射電信號(hào)放大或驅(qū)動(dòng)能力提高成為能被數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)接收的聲發(fā)射電信號(hào)。根據(jù)圖4.1中數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)的形式需要，前置放大器可以有內(nèi)置于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)如無線信號(hào)采集模塊/手持信號(hào)采集聲發(fā)射系統(tǒng)等和外置于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)兩種形式。圖4.1中的記錄與顯示系統(tǒng)通常就是個(gè)人計(jì)算機(jī)，包括筆記本電腦和臺(tái)式機(jī)。圖4.1中的數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)是變化發(fā)展較快，也是決定聲發(fā)射儀器主要功能性能的部分。聲發(fā)射儀器也主要按聲發(fā)射儀器中的數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和內(nèi)容來進(jìn)行分類。按數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)類型來分類聲發(fā)射儀器主要有如下幾種分類：1. 有線還是無線聲發(fā)射儀（數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)）；2. 單通道還是多通道聲發(fā)射

3、儀（數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，多通道通常8通道以上。）；3. 數(shù)字聲發(fā)射儀器還是全波形聲發(fā)射儀器，即聲發(fā)射參數(shù)是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件產(chǎn)生還是軟件產(chǎn)生；4. 專用還是通用聲發(fā)射儀器，即專用于某個(gè)應(yīng)用還是各領(lǐng)域都能通用的聲發(fā)射儀器。無線聲發(fā)射儀器目前市場(chǎng)數(shù)量很小，其主要原因還是單位時(shí)間獲得數(shù)據(jù)的數(shù)量/時(shí)差測(cè)量等技術(shù)指標(biāo)不能達(dá)到大多數(shù)應(yīng)用要求。大多數(shù)無線聲發(fā)射儀器還在試驗(yàn)研發(fā)試用階段，但由于其顯而易見的不用拖拽長電纜無線優(yōu)勢(shì)以及無線數(shù)據(jù)采集技術(shù)的改進(jìn)有可能不久的將來出現(xiàn)能滿足大多數(shù)應(yīng)用要求的無線聲發(fā)射儀器而迅速成為主要的聲發(fā)射儀器。單通道聲發(fā)射儀器技術(shù)上基本從屬于多通道聲發(fā)射儀器，特點(diǎn)是便攜，電池供電，經(jīng)常成為用于

4、閥門泄漏等專用應(yīng)用的專用聲發(fā)射儀器。數(shù)字聲發(fā)射儀器還是全波形聲發(fā)射儀器，即聲發(fā)射參數(shù)是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件產(chǎn)生還是軟件產(chǎn)生。硬件產(chǎn)生與軟件產(chǎn)生聲發(fā)射參數(shù)有何不同？唯一的不同在于硬件產(chǎn)生聲發(fā)射參數(shù)可以數(shù)千數(shù)萬倍于軟件產(chǎn)生聲發(fā)射參數(shù)不丟失時(shí)間段的數(shù)據(jù)，即如假設(shè)某時(shí)間段有海量N個(gè)按時(shí)間段均勻分布的聲發(fā)射信號(hào)，如硬件產(chǎn)生聲發(fā)射參數(shù)會(huì)漏檢5個(gè)聲發(fā)射信號(hào)則軟件產(chǎn)生聲發(fā)射信號(hào)會(huì)漏檢5千或5萬個(gè)聲發(fā)射信號(hào)。之所以有如此大的差異是因?yàn)槟壳暗钠胀ㄓ?jì)算機(jī)與數(shù)據(jù)采集外設(shè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通過率不能滿足聲發(fā)射信號(hào)大數(shù)據(jù)量波形數(shù)據(jù)不丟失傳輸。例如，最大采樣速度為10M，采樣精度16位，通道數(shù)8，則波形數(shù)據(jù)量為10M 2 8=160M

5、B/s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于目前計(jì)算機(jī)與外設(shè)之間的理論數(shù)據(jù)通過率，USB2.0為60MB/s（480Mbps），PCI為132MB/s，因此會(huì)導(dǎo)致大量數(shù)據(jù)丟失。實(shí)際數(shù)據(jù)通過率更是遠(yuǎn)小于理論數(shù)據(jù)通過率，各聲發(fā)射儀器廠商宣稱的為USB2.0為40MB/s，PCI為30MB/s，對(duì)上例情況10M16位8通道波形數(shù)據(jù)通過率僅為25%（USB2.0）和12.5%（PCI）。但很多聲發(fā)射應(yīng)用要求不允許任一時(shí)間段的信號(hào)丟失，例如裂紋開裂瞬間信號(hào)丟失就是漏檢等。這也是為什么目前主要聲發(fā)射儀器廠商都要在數(shù)據(jù)采集單元對(duì)大數(shù)據(jù)量波形數(shù)據(jù)進(jìn)行連續(xù)實(shí)時(shí)信號(hào)處理提取轉(zhuǎn)換成為小數(shù)據(jù)量的聲發(fā)射參數(shù)數(shù)據(jù)后再傳送到計(jì)算機(jī)，保證任何時(shí)間段信號(hào)

6、不丟失或少丟失。圖4.1-2顯示波形數(shù)據(jù)產(chǎn)生參數(shù)的原理和數(shù)據(jù)量減少的效果。原理是將的數(shù)字波形信號(hào)轉(zhuǎn)換成波形包絡(luò)，再進(jìn)而用幅度、持續(xù)時(shí)間、上升時(shí)間，到達(dá)時(shí)間等聲發(fā)射參數(shù)來表述這個(gè)包絡(luò)。一個(gè)聲發(fā)射信號(hào)（如鉛筆芯折斷信號(hào)）往往可以有10萬個(gè)點(diǎn)數(shù)值的離散聲發(fā)射數(shù)字波形數(shù)據(jù)（假設(shè)信號(hào)長度即圖中持續(xù)時(shí)間為10ms，采樣速度10MPS），轉(zhuǎn)換成聲發(fā)射參數(shù)（圖中的幅度、上升時(shí)間等）可以只有10個(gè)點(diǎn)數(shù)值（1個(gè)包絡(luò)，假設(shè)用10個(gè)聲發(fā)射參數(shù)來表述這個(gè)包絡(luò)），數(shù)據(jù)壓縮1萬倍。目前市場(chǎng)上絕大多數(shù)聲發(fā)射儀器都是數(shù)字聲發(fā)射儀器。上升時(shí)間能量 幅度振鈴計(jì)數(shù)門檻電壓持續(xù)時(shí)間圖4.1-2 波形-包絡(luò)-參數(shù)數(shù)字聲發(fā)射儀由于需要實(shí)時(shí)

7、硬件產(chǎn)生聲發(fā)射參數(shù)，只能專門研發(fā)具有實(shí)時(shí)硬件信號(hào)復(fù)雜處理的專用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，不能使用通用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。相對(duì)于通用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，數(shù)字聲發(fā)射儀的專用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)市場(chǎng)規(guī)模要小成百上千甚至多少萬倍，而數(shù)字聲發(fā)射儀的研發(fā)成本由于要增加研發(fā)實(shí)時(shí)硬件高速信號(hào)復(fù)雜處理內(nèi)容要遠(yuǎn)高于通用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，這些都導(dǎo)致數(shù)字聲發(fā)射儀的專用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的價(jià)格遠(yuǎn)高于通用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。全波形聲發(fā)射儀是采用通用數(shù)據(jù)采集裝置先傳送波形數(shù)據(jù)到計(jì)算機(jī)，然后再由計(jì)算機(jī)軟件產(chǎn)生聲發(fā)射參數(shù)（幅度等）。這種方式參數(shù)（幅度等）的產(chǎn)生要求大數(shù)據(jù)量的波形數(shù)據(jù)先送到計(jì)算機(jī)，顯然會(huì)受計(jì)算機(jī)通訊能力瓶頸的限制，大量時(shí)段的數(shù)據(jù)會(huì)丟失，不適用數(shù)據(jù)量大通道數(shù)多情

8、況。由于全波形聲發(fā)射儀可采用通用數(shù)據(jù)采集卡，價(jià)格低廉，是允許大量丟失數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量小，通道數(shù)少的選擇，也是部分高校等用戶自搭建聲發(fā)射系統(tǒng)的選擇（采購?fù)ㄓ脭?shù)據(jù)采集系統(tǒng)價(jià)格低廉，自己編寫滿足需要的軟件）。4.2多通道數(shù)字聲發(fā)射儀綜上所述，目前聲發(fā)射儀器的主流種類是有線/多通道/數(shù)字/通用聲發(fā)射儀，簡(jiǎn)稱數(shù)字聲發(fā)射儀，估計(jì)占市場(chǎng)份額的90%，95%甚至更高的比例。多通道數(shù)字聲發(fā)射儀目前更是大型工程結(jié)構(gòu)聲發(fā)射檢測(cè)如壓力容器聲發(fā)射檢測(cè)的唯一選擇，下面對(duì)多通道數(shù)字聲發(fā)射儀進(jìn)行進(jìn)一步的介紹。圖4.2為多通道數(shù)字聲發(fā)射儀的功能結(jié)構(gòu)框圖。主要分為模擬信號(hào)調(diào)理、摸/數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)字信號(hào)處理、PC電腦通訊、電源5個(gè)模塊。

9、01234567-1-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.60.81 信號(hào)輸入 前放模擬波形 模數(shù)轉(zhuǎn)換前 模數(shù)轉(zhuǎn)換后 輸出的數(shù)字模擬波形 數(shù)字波形 參數(shù)和波形 PC電腦信號(hào)調(diào)理模數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)字信號(hào)處理PC通訊-第2通道-第3通道-圖4.2 多通道數(shù)字聲發(fā)射儀功能結(jié)構(gòu)框圖模擬信號(hào)調(diào)理電路功能是通過信號(hào)放大、縮小、阻抗變換、濾波使前置放大器輸入的模擬信號(hào)調(diào)理成為模數(shù)轉(zhuǎn)換電路能輸入的信號(hào)。例如前置放大器的輸出是10v，阻抗50，而模數(shù)轉(zhuǎn)換的輸入要求是0-2v，1M。模擬信號(hào)調(diào)理電路對(duì)信號(hào)的測(cè)量精度和信噪比都有較大影響。模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的功能是將連續(xù)的模擬聲發(fā)射波形信號(hào)轉(zhuǎn)換成為離散的數(shù)字聲發(fā)射波形

10、信號(hào)。模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的采樣速度、采樣精度等參數(shù)決定聲發(fā)射信號(hào)的測(cè)量失真度與精度。數(shù)字信號(hào)處理是聲發(fā)射數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與通用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)差異最大的部分，其功能是在大數(shù)據(jù)量的數(shù)字聲發(fā)射波形信號(hào)基礎(chǔ)上計(jì)算處理提取出小數(shù)據(jù)量的幅度、計(jì)數(shù)、持續(xù)時(shí)間等聲發(fā)射參數(shù)，通常數(shù)據(jù)量的減少可達(dá)到數(shù)千數(shù)萬倍。例如一個(gè)5ms時(shí)間長度的數(shù)字波形信號(hào)，如采樣速度為10MPS，采樣精度為16位，則其數(shù)據(jù)量為1MB，而對(duì)應(yīng)提取成聲發(fā)射參數(shù)的數(shù)據(jù)兩小于100，即壓縮了1萬倍。數(shù)字信號(hào)處理還可以提供數(shù)字濾波器、頻譜分析、波形前后采樣、門限觸發(fā)等功能，極大地提高了聲發(fā)射檢測(cè)的能力。PC電腦通訊目前主要有兩種，USB2.0和PCI協(xié)議通訊。

11、2007年前PCI接口曾獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷多年，幾乎所有的多通道數(shù)字聲發(fā)射儀都是PCI通訊插槽結(jié)構(gòu)。自從2007年中國聲華科技公司在美國的聲發(fā)射會(huì)議上展出了世界第一臺(tái)USB2.0通訊的多通道數(shù)字聲發(fā)射系統(tǒng)，USB2.0多通道數(shù)字聲發(fā)射儀因?yàn)橛兄苯舆B接筆記本電腦的方便性，通訊速度等指標(biāo)不遜色甚至超過臺(tái)式計(jì)算機(jī)插槽PCI通訊，正在成為多通道數(shù)字聲發(fā)射儀的主要通訊接口。4.3 多通道數(shù)字聲發(fā)射儀的主要技術(shù)指標(biāo)綜上所述，多通道數(shù)字聲發(fā)射儀器的實(shí)質(zhì)就是計(jì)算機(jī)控制的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，因此通用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)也是多通道數(shù)字聲發(fā)射儀的主要技術(shù)指標(biāo)，即數(shù)據(jù)采集單元與計(jì)算機(jī)的通訊方式、數(shù)據(jù)通過率、最大采樣速率、采樣精

12、度等。聲發(fā)射儀器不同于通用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在于硬件實(shí)時(shí)聲發(fā)射參數(shù)提取。這是因?yàn)槟壳暗钠胀ㄓ?jì)算機(jī)與數(shù)據(jù)采集外設(shè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通過率不能滿足聲發(fā)射信號(hào)大數(shù)據(jù)量波形數(shù)據(jù)不丟失傳輸。例如，采樣速度為10M，采樣精度16位，通道數(shù)8，則波形數(shù)據(jù)量為10M 2 8=160MB/s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于目前計(jì)算機(jī)與外設(shè)之間的理論數(shù)據(jù)通過率，USB2.0為60MB/s（480Mbps），PCI為132MB/s，因此會(huì)導(dǎo)致大量數(shù)據(jù)丟失。實(shí)際數(shù)據(jù)通過率更是遠(yuǎn)小于理論數(shù)據(jù)通過率，各聲發(fā)射儀器廠商宣稱的為USB2.0為40MB/s，PCI為30MB/s，對(duì)上例情況10M16位8通道波形數(shù)據(jù)通過率僅為25%（USB2.0）和12.5%（P

13、CI）。但很多聲發(fā)射應(yīng)用要求不允許任一時(shí)間段的信號(hào)丟失，例如裂紋開裂瞬間信號(hào)丟失就是漏檢等。這也是為什么目前主要聲發(fā)射儀器廠商都要在數(shù)據(jù)采集單元對(duì)大數(shù)據(jù)量波形數(shù)據(jù)進(jìn)行連續(xù)實(shí)時(shí)信號(hào)處理提取轉(zhuǎn)換成為小數(shù)據(jù)量的聲發(fā)射參數(shù)數(shù)據(jù)后再傳送到計(jì)算機(jī)，保證任何時(shí)間段信號(hào)不丟失或少丟失。因此聲發(fā)射儀器特有（不同于通用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)）的重要技術(shù)指標(biāo)為實(shí)時(shí)連續(xù)聲發(fā)射參數(shù)通過率和聲發(fā)射參數(shù)分析顯示。綜上，聲發(fā)射儀主機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)總結(jié)如下表：表1：多通道數(shù)字聲發(fā)射儀器的主要技術(shù)指標(biāo)技術(shù)指標(biāo)名稱技術(shù)指標(biāo)定義或內(nèi)容技術(shù)指標(biāo)說明數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)的通訊方式USB2.0或PCI通訊USB2.0通訊可直接連接筆記本電腦，可不受

14、機(jī)箱插槽數(shù)量限制和機(jī)箱個(gè)數(shù)限制擴(kuò)充成更多通道數(shù)系統(tǒng)。實(shí)時(shí)聲發(fā)射參數(shù)通過率，HN/s系統(tǒng)每秒連續(xù)實(shí)時(shí)多少個(gè)hits的參數(shù)數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)送達(dá)到計(jì)算機(jī)通常為每秒幾萬至幾十萬組hits參數(shù)數(shù)據(jù)。通過率越高越不會(huì)丟失數(shù)據(jù)，更適用于通道數(shù)多的大系統(tǒng)及大量參數(shù)數(shù)據(jù)的應(yīng)用場(chǎng)合實(shí)時(shí)聲發(fā)射波形數(shù)據(jù)通過率，MB/s系統(tǒng)每秒連續(xù)實(shí)時(shí)多少字節(jié)（MB）的波形數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)送達(dá)到計(jì)算機(jī)通常為每秒十至幾十MB。通過率越高丟失的波形數(shù)據(jù)越少，更適用于需要大量波形數(shù)據(jù)的應(yīng)用場(chǎng)合最大采樣速率，MSPS注1單位時(shí)間AD轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)通常為每秒1M至40M個(gè)AD轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)點(diǎn)。最大采樣速率越高所采數(shù)據(jù)失真誤差越小，但單位時(shí)間的數(shù)據(jù)量

15、越大導(dǎo)致按時(shí)間段計(jì)算丟失的波形數(shù)據(jù)越多，設(shè)備成本也會(huì)大幅度增加。應(yīng)針對(duì)信號(hào)頻率選擇最大采樣速率。注1采樣精度，bit通常16bit、18bit，即波形數(shù)據(jù)幅度量程按216或218的分割間隔為最小分辨幅度10V量程幅度16bit精度的測(cè)量誤差為0.15mV、18bit精度的為0.038mV。18bit精度的成本顯著大于16bit精度的成本。應(yīng)根據(jù)檢測(cè)需要和成本來選擇。實(shí)時(shí)數(shù)字濾波器是否能任意設(shè)置濾波器頻率窗口，是否能有效提取指定頻率窗口內(nèi)的數(shù)據(jù)，有效濾去窗口外的數(shù)據(jù)噪聲去除或有意義的信號(hào)提取是聲發(fā)射檢測(cè)是否有效的決定因素，因此有效的實(shí)時(shí)數(shù)字濾波器常常是成功應(yīng)用的得力工具?？刹捎萌斯?shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證濾

16、波器的性能效果。除上述主要技術(shù)指標(biāo)外，還有聲發(fā)射參數(shù)種類數(shù)量、定位分析、參數(shù)分析、小波分析等常用聲發(fā)射技術(shù)性能指標(biāo)，其內(nèi)容各型號(hào)聲發(fā)射儀大體相似，未在此具體羅列。注1：最大采樣速率與幅度峰值誤差的關(guān)系A(chǔ)=1-cos(2t/T )A=1-cos(f/s) （1）A為測(cè)量幅度誤差；T=1/f（T被測(cè)信號(hào)的周期，f為被測(cè)信號(hào)頻率）；t=T/2n（t為波形峰值偏離實(shí)際信號(hào)峰值的最大偏離時(shí)間），n=s/f（s為最大采樣率），那么t=1/2s以聲發(fā)射檢測(cè)的上限頻率400KHz為例，按上述（1）計(jì)算得到不同采樣速度對(duì)應(yīng)的信號(hào)幅度測(cè)量誤差.上圖第一個(gè)周期為10倍頻率采樣，4M采樣率下重構(gòu)波形（藍(lán)色），右側(cè)周期

17、為2M采樣率下的重構(gòu)波形（紅色），可以很明顯看出理論最大誤差的區(qū)別。具體的計(jì)算如下表所示，當(dāng)采樣率5M時(shí)，理論最大誤差為0.3dB，10M采樣率時(shí)為0.07dB，如下表。以400KHz，10V正弦信號(hào)為例:表2：不同采樣速度對(duì)應(yīng)的信號(hào)幅度測(cè)量誤差為下表幅度誤差（dB）A(dB)=20lgA幅度誤差（電壓值）（10為標(biāo)準(zhǔn)幅度值） A=cos(f/s)信號(hào)頻率采樣速度A(dB)Af(kHz)S(MSPS)-10.20046.909834001-1.840851.909834002-1.146881.236934002.5-0.78540.864554003-0.277260.314174005-0

18、.068760.0788540010-0.017160.0197340020-0.007620.0087740030-0.004290.0049340040注：使用者可根據(jù)自己的需求選擇不同的采樣率配置。如按一般的信號(hào)采集電壓精度不大于5%的要求（電壓值）作為標(biāo)準(zhǔn)來看，從上表可得出采樣率大于等于5MSPS即可滿足。10MSPS的誤差是0.06876dB已小于0.1dB,40MSPS的誤差是0.00429dB，對(duì)于大多數(shù)測(cè)量0.1dB誤差和0.004dB的誤差已經(jīng)沒有實(shí)際意義?？紤]到采樣率高會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)大量增加，丟失數(shù)據(jù)的可能性增加以及更高的采購價(jià)格等，對(duì)于400KHz信號(hào)頻率的科研應(yīng)用選用10M

19、SPS采樣率就能充分滿足。注2：實(shí)時(shí)數(shù)字濾波器有效提取有意義信號(hào)在很多應(yīng)用場(chǎng)合是成功應(yīng)用的關(guān)鍵。特別是有意義信號(hào)淹沒或混雜在各種頻率幅度的噪聲信號(hào)中。配合實(shí)時(shí)FFT功能的實(shí)時(shí)數(shù)字濾波器是有效提取有意義信號(hào)的有效工具之一。測(cè)試實(shí)時(shí)數(shù)字濾波器的方法可人工產(chǎn)生多種頻率的信號(hào)，測(cè)試對(duì)某窄頻帶信號(hào)能否有效提取和抑制。濾波器應(yīng)可對(duì)波形和實(shí)時(shí)聲發(fā)射參數(shù)同時(shí)或單一數(shù)據(jù)有效，這樣既可直觀看到濾波器的波形和參數(shù)濾波效果，又可在實(shí)際數(shù)據(jù)采集時(shí)不采集大數(shù)量波形僅對(duì)聲發(fā)射參數(shù)有效。4.4信號(hào)電纜從前置放大器到多通道數(shù)字聲發(fā)射檢測(cè)儀主機(jī)即數(shù)字采集系統(tǒng)，往往需要很長的信號(hào)傳輸線和前置放大器的供電電纜，通常采用同軸電纜完成信

20、號(hào)傳輸和前放供電這兩個(gè)任務(wù)。同軸電纜是由一根空心的外圓柱導(dǎo)體和一根位于中心軸線的內(nèi)導(dǎo)線組成，內(nèi)導(dǎo)線和圓柱導(dǎo)體及外界之間用絕緣材料隔開。同軸電纜主要用于視頻通訊領(lǐng)域，主要有50歐和75歐兩種。聲發(fā)射儀器多使用阻抗50歐的同軸電纜。4.5前置放大器傳感器輸出的信號(hào)的電壓有時(shí)低至微伏數(shù)量級(jí)，這樣微弱的信號(hào)，若經(jīng)過長距離的傳輸，信噪比必然要降低。靠近傳感器設(shè)置前置放大器，將信號(hào)提到一定程度，常用有34、40到60分貝，再經(jīng)過高頻同軸電纜傳輸給信號(hào)的處理單元。前放的輸入是傳感器輸出的模擬信號(hào)，輸出是放大后的模擬信號(hào)，前放是模擬電路。傳感器的輸出阻抗比較高，前置放大器需要具有阻抗匹配和變換的功能。有時(shí)傳感

21、器的輸出信號(hào)過大，要求前置放大器具有抗電沖擊的保護(hù)能力和阻塞現(xiàn)象的恢復(fù)能力。并且具有比較大的輸出動(dòng)態(tài)范圍。前置放大器的一個(gè)主要技術(shù)指標(biāo)是噪聲電平，一般應(yīng)小于10微伏。有些特殊用途的前置放大器，噪聲電平應(yīng)小于2微伏。對(duì)于單端傳感器要配用單端輸入前置放大器，對(duì)于差動(dòng)傳感器要配用差動(dòng)輸入前置放大器，后者比前者具有一定的抗共模干擾能力。前置放大器一般采用寬頻帶放大電路。頻帶寬度可以在50千赫到2兆赫范圍內(nèi)，在通頻帶內(nèi)增益的變動(dòng)量不超過3分貝。使用這種前置放大器時(shí)，往往插入高通或者帶通濾波器抑制噪聲。這種電路結(jié)構(gòu)的前置放大器適應(yīng)性強(qiáng)，應(yīng)用較普遍。綜上所述，在聲發(fā)射系統(tǒng)中，前置放大器占有重要的地位，整個(gè)系

22、統(tǒng)的噪聲由前置放大器的性能所左右。前置放大器在整個(gè)系統(tǒng)中的作用就是要提高信噪比，要有高增益和低噪聲的性能。除此以外，還要有具有調(diào)節(jié)方便，一致性好，體積小等優(yōu)點(diǎn)。此外，由于聲發(fā)射檢測(cè)通常在強(qiáng)的機(jī)械噪聲（頻帶通常低于50KHz）、液體噪聲(通常100KHz1MHz)和電氣噪聲的環(huán)境中進(jìn)行，因此前放還應(yīng)具有一定的強(qiáng)抗干擾能力和排除噪聲的能力。前放的主要性能指標(biāo)為：放大倍數(shù)：34、40或者60dB 通頻帶：50KHz300KHz、20KHz1000KHz等輸入噪聲電壓：5uv前置放大器主要由輸入級(jí)放大電路、中間級(jí)放大電路、濾波電路、輸出級(jí)電路組成。輸入級(jí)前置放大是控制噪聲的關(guān)鍵部分，最好選用超低噪聲的

23、寬帶集成放大器；中間級(jí)放大電路主要作用提高放大電路，采用寬帶、高增益、低噪聲運(yùn)算放大器，主要問題是如何防止和消除自激；濾波電路是有效地監(jiān)測(cè)出我們所關(guān)心的聲發(fā)射信號(hào)；輸出級(jí)放大電路要選擇低輸出阻抗的運(yùn)放，以便提高帶負(fù)載能力。前置放大器也可與傳感器組成一體化的帶前置放大器的傳感器，即將前置放大器置入傳感器外殼內(nèi)，通常需要設(shè)計(jì)體積小的前置放大器電路。4.2.3 濾波器在聲發(fā)射檢測(cè)儀器中，為了獲得高質(zhì)量的數(shù)據(jù)，避免噪聲的影響，在整個(gè)系統(tǒng)的適當(dāng)位置插入濾波器?？梢杂袨V波器的位置有前置放大器，模數(shù)轉(zhuǎn)換前的調(diào)理電路，模數(shù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)處理電路和PC計(jì)算機(jī)的軟件濾波器。濾波器的工作頻率是根據(jù)環(huán)境噪聲（多數(shù)低

24、于50千赫）及材料本身聲發(fā)射信號(hào)的頻率特性來確定，通常在60到500千赫范圍內(nèi)選擇。若采用帶通濾波器在確定工作頻率f后，需要確定頻率窗口的寬度，即相對(duì)寬度f/f。若f/f太寬易于引入外界噪聲，失去了濾波作用；若f/f太窄，檢測(cè)到的聲發(fā)射信號(hào)太少，降低了檢測(cè)靈敏度。因此，一般采用f=+0.1f到+0.2f。此外，在確定濾波器的工作頻率時(shí)，應(yīng)注意濾波器的通頻帶要與傳感器的諧振頻率相匹配。濾波器可采用有源濾波器，也可采用無源濾波器，一般都要求衰減大于每倍頻程24分貝。門限電壓可以分為固定門限電壓和浮動(dòng)門限電壓兩種。對(duì)于固定門限電壓，可在一定信號(hào)水平范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)整或者斷續(xù)調(diào)整，可采用D/A數(shù)摸轉(zhuǎn)換器件產(chǎn)生需要的門檻電壓。早期的門檻比較器電路采用施密特觸發(fā)電路，由于電子器件集