2025年高抗干扰数字自动控制增益的声发射监测系统.pdfVIP

饭疏食，饮水，曲肱而枕之，乐亦在其中矣。不义而富且贵，于我如浮云。——《论语》

高抗干扰数字自动控制增益的声发射监测

系统

0引言

材料结构受外力或内力作用产生位错-滑移-微裂纹形成-裂纹扩展-断裂，以弹性波

的形式释放出应变能的现象称为声发射。声发射一般是频率为20kHz～20MHz左右的微弱

声波。声发射信号来自缺陷本身，同样大小和性质的缺陷，由于所处的位置和所受应力状态

的不同，其声发射也有差别，故可用声发射来检测缺陷的程度或监测运转的机器，例如桥梁

结构安全以及大型发电设备内部局部放电检测。了解来自缺陷的声发射信号，建立声发射信

号特征模型，就可以长期对缺陷的安全性进行监测，这是声发射技术优于其他方法的一个重

要特点。声发射传感器不同于加速度传感器，它靠压电晶片自身的谐振变形把被测物体受应

力波作用时表面振动声波大小转化为相应的电压信号输出。由于声波在不同媒质交界面上

的反射和散射以及同一媒质传播都会引起声能的衰减，实际压电晶片接收到的声信号已经非

常微弱，现场干扰信号可能把实际声信号湮没。因此，这种由压电材料感知的微弱毫伏级电

压信号必须经滤波放大后传输，才能减弱干扰信号对它的影响，并提高信噪比。因压电晶体

带负载能力差，因此在保证精度的条件下必须提高输入信号的放大倍数。以上要求前置放大

电路不仅要有较大的输入阻抗、高的共模抑制比、低噪声系数性能，并满足检测高频响特性，

具有线性大动态范围，最好能够自动调节增益，以避免小信号时放大倍数不够，而信号较大

时放大严重饱和。室外金属压力容器及工程设施在役监测通常采用声发射技术。不同的工

况下，弹性波强度变化较大，声发射前置放大器必须能自动控制增益。由于交流电源供给困

难，而且易受到强电磁场干扰，最好采用蓄电池供电。然而，市场上现有的声发射前置放大

器没有增益自动调节功能，而且均为交流供电，不适合强电磁场环境。因此，本文开发了一

个具有数字自动控制增益的声发射监测系统。声发射前置放大器采用蓄电池供电，避免交流

电源内含的干扰。该系统具有强抗干扰和电源管理功能，适应高磁场高电压的恶劣环境，自

动定时采样，能长期无人值守，在现场取得满意的效果。1数字自动控制增益的声发射监

测系统结构。

系统由声发射传感器、前置放大器、光电转换电路及光纤、高速数据采集卡和计算

机软件组成，见图1。

声传感器检测频带的选择是提高声传感器检测灵敏度的关键因素之一，传感器采用

美国物理声学公司WD宽频响应差动结构声发射传感器，其频响范围为100kHz～2MHz，

工作温度在-65℃～177℃。考虑到该金属压力容器所处的恶劣强电磁场环境，声发射传感器

和前置放大器被双重屏蔽，安放于金属压力容器上，高速数据采集卡及计算机远离金属压力

容器近100m。放大的声发射模拟电信号将被转换成调制的光信号，通过光纤传送到计算机

外一个光电转换器，变回模拟电信号再进入计算机采样卡成为数字信号。计算机发出的自动

控制增益控制信号也通过光纤传回到前置放大器，实现增益的自动控制。这样，极大地减少

强电磁干扰，确保检测信号的可靠性。为了节省电池能量，系统增加了电源管理功能，使系

统能够自动进入休眠状态或定时采样状态。经过现场测试，压电传感器输出2mV～10mV

之间的信号。光电二极管MF359的线性最佳工作区为5mA～65mA，由于单电源供电，中

士不可以不弘毅，任重而道远。仁以为己任，不亦重乎?死而后已，不亦远乎?——《论语》

点可设在35mA处。电压转换电流电路的输入电平应当在0.165V～2.145V，其中点电平是

1.155V。因此，放大后的传感器电压信号应在±1V