声发射仪全面迈入G时代

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本帖最后由夜弦1991 于 2016-8-18 17:34 编辑

声发射(Acoustic Emission，简称AE），是指材料局部因能量的快速释放而发出瞬态弹性波的现象。如树枝折断、金属裂纹扩展、岩石压裂、刀具破损、局部放电、阀门泄漏等，都会有声发射信号产生。

但是，许多材料的声发射信号强度很弱，或者信号频率超过了人耳可以识别的频率段，人耳不能直接听见，需要藉助灵敏的电子仪器才能检测出来。用仪器探测、记录、分析声发射信号和利用声发射信号推断声发射源的技术称为声发射技术。该类仪器就是声发射仪，也称为声发射系统。

声发射仪器的发展主要可以分为5个阶段：

第一阶段，1965年，美国Dunegan推出了首台商业化的声发射仪，一直到1983年基本都是纯模拟技术实现的声发射仪，也是第一代声发射仪；

第二代声发射仪，1983~1994年，美国PAC的SPARTAN-AT开始引入微处理器，并将声发射系统模块化，部分数字化；

第三代声发射仪，1994~2003年，美国DW、美国PAC和德国Vallen将声发射仪全面数字化；

第四代声发射仪，2003~2015年，美国PAC将18bit的高速ADC引入PCI总线声发射卡，开启了18bit的高精度采集，除了特征参数和波形外，还启用了包含全部原始信息的波形流功能。在此期间，USB接口的声发射仪也开始出现，并逐步从USB2.0发展到USB3.0，总线传输速度也从40MB提高到400MB；

第五代声发射仪，2015至今，中国的鹏翔公司推出了PCIE总线的声发射卡，单卡8通道，每通道18bit，30M采样，频率带宽高达1kHz~5MHz，且采用PCIE x8倍速传输，板卡传输实际带宽高达2.6GB/s，解决了传输的瓶颈。除了声发射特征参数和波形的硬件实时提取之外，波形流功能也得以不受带宽限制的全速采集和实时传输。

从仪器的发展过程来看，数字化、波形流化是声发射发展的一个主要趋势，也会对仪器的采样率、采样精度和传输速率、存储速率等都提出更高的要求。如上是一般声发射系统的基本构成。

从图中可以看出，在采集卡对数据进行数字化之前，数据流通的是模拟信号。所以数据流通的瓶颈主要是在采集卡的采样率、采样精度和采集卡到主机之间的连接。

市面上的声发射仪中，采集卡的采样率目前已基本突破到16位的精度，PXDAQ18373E采集卡已经全面突破到了18位的采样精度。与目前通用的高端采集卡比较也不逊色。

采样率是表示的采集卡多久对模拟数据进行一次采样，由连续信号变成离散信号。目前市面上主要有3种，一种是采样率能达40M但是单卡只有2个通道的；一种是能达到多通道但是采样率会随着通道变多而下降的，还有另一种折中的方案采样率位30M但是单卡可以达到8通道，且不会随着通道变多而下降的。

采集卡到主机的传输速度就是波形通过率和参数通过率。决定这项参数的主要是采用的接口标准和硬件的开发能力。下面是一些常用的接口理想速度：

USB2.0速度：60MB/s；

千兆网速度：125 MB/s；

PCI速度：133 MB/s；

USB3.0速度：625MB/s；

雷电2速度：2.5GB/s；

PCIE-X8速度：4GB/s；

雷电3速度：5 GB/s；

在使用过程中，由于设计或者其他不可避免的原因，并不能全部利用这些资源，比如USB2.0的理想速度是60MB/s，但是使用过程中可能只能达到40MB/s左右。

在实际过程中，采样精度、采样率和数据通过率必须协调才能保证设备功能的最大化。比如采样精度是18位，那么单个数据需要占用3个字节，采样率是40M，那么要最大效益使用设备，需要传输速率达到120MB/s，如果是两通道，则需要240 MB/s，而八通道需要960 MB/s才能最大化使用设备。如果在传输波形流的时候还要传输特征参数和声发射波形，则主要更大的数据通过率才行。

随着采用PCIE-X8工业接口协议的声发射采集卡PXDAQ18373E的出现，基本解决了波形通过率这个困扰已久问题。该卡实际数据通过率可以达到2.6 GB/s，标志着声发射系统全面迈向G时代。

如此，波形才可以像水流一样源源不断地流入电脑主机，存储在存储单元内，这就是波形流的概念，是全波形采集的升级版。

在声发射系统迈向G时代之后，随之而来的是对传感器的反促进作用，目前由于技术的限制和需求的缺失，传感器通常是在MHz以下，MHz以上的传感器普遍灵敏度较低。我们相信在不久的将来高频率、高灵敏度的声发射传感器就会出现。为探究更高频率段的信号领域提供帮助。

2016-8-17