本文以聲發(fā)射技術(shù)為依托，設(shè)計了一種基于Ｚｉｇｂｅｅ無線模塊 的無線聲發(fā)射信號采集系統(tǒng)，通過聲發(fā)射信號的特征參數(shù)分析，對氣體泄漏的嚴(yán)重性進(jìn)行評估，取得了很好的效果。
１ 系統(tǒng)構(gòu)建概述
容器泄漏引起內(nèi)部介質(zhì)與泄漏孔的摩擦而激發(fā)應(yīng)力波，攜帶泄漏源信息（如泄漏的大小、位置等）的應(yīng)力波沿管壁傳播，利用聲發(fā)射傳感器采集該應(yīng)力波信號，并分析處理，就提取出管道泄漏信息，從而實(shí)現(xiàn)聲發(fā)射泄漏檢測的目的。
圖１ 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖
如圖１ 所示，總監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)由基站組成，每個基站為一個檢測單元，是一個多通道檢測系統(tǒng)。每個基站檢測固定位置的信息，傳感器終端對信號進(jìn)行處理，并把結(jié)果傳送給ＺｉｇＢｅｅ數(shù)傳模塊節(jié)點(diǎn)ＲＦＤ，ＺｉｇＢｅｅ數(shù)傳模塊節(jié)點(diǎn)ＲＦＤ 通過星型網(wǎng)絡(luò)傳輸給ＺｉｇＢｅｅ無線模塊協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)ＦＦＤ， 最后再把結(jié)果顯示在計算機(jī)中。
系統(tǒng)主要包括三部分： ①傳感器終端。傳感器終端包括磁滯伸縮聲發(fā)射智能傳感器、信號采集與處理節(jié)點(diǎn)、信息匯聚節(jié)點(diǎn)。主要功能為聲發(fā)射信號調(diào)理、Ａ／Ｄ 轉(zhuǎn)換和提取聲發(fā)射信號的特征參數(shù)。②ＺｉｇＢｅｅ無線模塊傳輸。采用基于８０２．１５．４ 的ＺｉｇＢｅｅ數(shù)傳模塊無線局域網(wǎng)絡(luò)組建傳感器集群系統(tǒng)， 將傳感器設(shè)置成不同功能型的ＺｉｇＢｅｅ數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)ＺｉｇＢｅｅ數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸。③上位機(jī)軟件。包括特征參數(shù)的
２ 測控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)
２．１ 傳感器節(jié)點(diǎn)
選用上海奧達(dá)光電子科技有限公司研制的ＡＥ－０１ 型聲發(fā)射傳感器，ＡＥ－０１ 型聲發(fā)射傳感器應(yīng)用了一項具有國際專利的磁電換能技術(shù)，與傳統(tǒng)采用壓電技術(shù)的聲發(fā)射傳感器相比，具有響應(yīng)頻帶寬（頻率范圍：５０ｋＨｚ～１２５０ｋＨｚ）、靈敏度高、受環(huán)境變化影響小的優(yōu)點(diǎn)， 能更全面地捕捉到目標(biāo)結(jié)構(gòu)內(nèi)部所釋放的聲發(fā)射信號中所蘊(yùn)含的結(jié)構(gòu)狀況信息。
傳感器處理節(jié)點(diǎn)包括： 一個傳感器模塊用于感知周圍世界的物理量； 一個處理終端實(shí)現(xiàn)對結(jié)構(gòu)損傷產(chǎn)生的聲發(fā)射信號實(shí)時采集， 并提取聲發(fā)射特征參數(shù)； 一個中繼終端用于數(shù)據(jù)與ＺｉｇＢｅｅ無線模塊ＲＦＤ 的傳輸和一個電源管理模塊。信號采集與處理的各模塊之間利用ＣＡＮ 總線通訊。
圖２ 傳感器處理節(jié)點(diǎn)
處理終端的信號采集與處理為基于高速ＤＳＰＴＭＳ３２０Ｆ２８１２芯片的模塊。首先是聲發(fā)射信號的預(yù)處理，聲發(fā)射信號預(yù)處理部分包括阻抗匹配和電壓匹配。阻抗匹配是為了起隔離的作用。因為聲發(fā)射傳感器傳送的聲發(fā)射信號的電壓峰峰值為０～５Ｖ，而節(jié)點(diǎn)的Ａ／Ｄ 轉(zhuǎn)換采用的是ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２ 的Ａ／Ｄ 轉(zhuǎn)換接口，其接口電壓為０～３Ｖ。Ａ／Ｄ 采樣讀取為中斷讀取，一旦檢測到Ａ／Ｄ 端口的電壓超過設(shè)定的聲發(fā)射閾值電壓，即進(jìn)入中斷服務(wù)子程序。采集到聲發(fā)射信號后，是聲發(fā)射特征參數(shù)的提取。
中繼終端及接口終端用來管理和組織各區(qū)域的信號采集與處理終端，并將采集到的有效聲發(fā)射信息打包并傳送至ＺｉｇＢｅｅ無線模塊ＲＦＤ， 方便用戶利用無線通信系統(tǒng)傳送到上位機(jī)的軟件實(shí)施查詢氣體泄漏聲發(fā)射情況。
２．２ ＺｉｇＢｅｅ 星型網(wǎng)絡(luò)建立
ＺｉｇＢｅｅ 無線模塊傳感器網(wǎng)絡(luò)具備多種可選的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，本系統(tǒng)根據(jù)氣體管道結(jié)構(gòu)的特性，選擇星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，傳感器節(jié)點(diǎn)分布在不同的監(jiān)測區(qū)域。從硬件上看，采用ＴＩ 公司ＣＣ２５３０ 芯片模塊，模塊上整合了ＺｉｇＢｅｅ 射頻（ＲＦ）收發(fā)器、內(nèi)存和微控制器。ＺｉｇＢｅｅ數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)的建立是通過原語實(shí)現(xiàn)的。首先，協(xié)調(diào)器建立網(wǎng)絡(luò)， 在應(yīng)用層調(diào)用ＮＬＭＥ－ＮＥＴＷＯＲＫ－ＦＯＲＭＡＴＩＯＮ．ｒｅｑｕｅｓｔ原語請求設(shè)備發(fā)起一個新的ＺｉｇＢｅｅ 網(wǎng)絡(luò)，并找到合適的信道，選擇一個網(wǎng)絡(luò)ＰＡＮＩＤ（網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識）。其次，是子節(jié)點(diǎn)的加入，直接通過父節(jié)點(diǎn)加入，ＺｉｇＢｅｅ 協(xié)調(diào)器把通過ＮＬＭＥ－ＤＩＲＥＣＴＪＩＯＮ．ｒｅｑｕｅｓｔ 原語初始化ＲＦＤ 設(shè)備， 原語中ＤｅｖｉｃｅＡｄｄｒｅｓｓ參數(shù)設(shè)置為加入到網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備地址， 同時給新設(shè)備分配一個唯一的１６ 位網(wǎng)絡(luò)地址，然后把其他ＲＦＤ 設(shè)備加入到網(wǎng)絡(luò)中。
軟件設(shè)計基于ＴＩ 公司的Ｚ－ＳＴＡＣＫ 協(xié)議棧，將數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)加入到協(xié)議棧中。ＺｉｇＢｅｅ 數(shù)傳模塊通過串口與傳感器節(jié)點(diǎn)、上位機(jī)進(jìn)行通訊，Ｚ－ＳＴＡＣＫ 協(xié)議棧相關(guān)函數(shù)如表１。
表１ Ｚ－ＳＴＡＣＫ 中串口應(yīng)用設(shè)計的函數(shù)及功能
３ 能量分析法的實(shí)現(xiàn)
目前分析所使用的特征參數(shù)一般有振鈴計數(shù)與計數(shù)率、事件計數(shù)與計數(shù)率、振幅與振幅分布、能量和能量率、有效值和頻譜分布等。根據(jù)聲發(fā)射信號的主要類型和研究的需要，可以確定選擇合適的聲發(fā)射特征參數(shù)。聲發(fā)射信號的典型參數(shù)如圖３ 所示。
圖３ 聲發(fā)射波形參數(shù)的定義
通常采用單參數(shù)分析方法，最常用的單參數(shù)分析方法為計數(shù)分析法、能量分析法和幅度分析法。由于均方電壓和均方根電壓對電子系統(tǒng)增益和換能器耦合情況的微小變化不太敏感，且不依賴于任何閾值電壓， 并且均方電壓和均方根電壓與連續(xù)型聲發(fā)射信號的能量有直接關(guān)系，因此本文采用能量分析法。
能量分析法是直接度量振幅或者有效值和信號的持續(xù)時間，反映聲發(fā)射能量的特性。能量法與其他的聲發(fā)射參數(shù)相比，更能反映裂紋擴(kuò)展的特征。能量Ｅ 和均方根電壓Ｖｒｍｓ、均方電壓Ｖｍｓ 的關(guān)系如下：
為了準(zhǔn)確找到能量這個聲發(fā)射參量， 要對聲發(fā)射信息包規(guī)定格式。處理終端提取出聲發(fā)射特征參數(shù)，通過ＣＡＮ 總線傳遞給中繼終端匯總，發(fā)送數(shù)據(jù)格式如表２。
表２ 聲發(fā)射傳送信息包格式
對氣體管道進(jìn)行加壓，利用聲發(fā)射采集系統(tǒng)，經(jīng)特征參數(shù)提取的聲發(fā)射參數(shù)，上位機(jī)顯示如圖４ 所示。
圖４ 聲發(fā)射特征參數(shù)
能量法通常以能量值和能量率的形式給出。能量值是指在給定的測量時間范圍內(nèi)所得到的能量大小， 單位時間的能量稱為能量率。在實(shí)驗(yàn)過程中，當(dāng)閥門入口壓力增加時，泄漏量增加，所產(chǎn)生的聲發(fā)射信號強(qiáng)度增大，振鈴計數(shù)、能量、幅值、均方根值都會相應(yīng)增大，只是增大的幅度不同。通過多次實(shí)驗(yàn)比較，發(fā)現(xiàn)能量值在閥門入口壓力增加時急劇增加， 振鈴計數(shù)和幅值則變化較為緩慢， 故上位機(jī)軟件采用能量率的形式來評定氣體管道泄漏的嚴(yán)重程度具有很好的效果。
上位機(jī)軟件采用ＬａｂＶＩＥＷ 進(jìn)行編程，計算單位時間內(nèi)的能量，時間具有可調(diào)性。首先對ＺｉｇＢｅｅ數(shù)據(jù)采集到數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)在上位機(jī)窗口進(jìn)行數(shù)據(jù)包的解析，提取出需要的能量特征參數(shù)，同時對傳感器網(wǎng)絡(luò)的通道進(jìn)行分流， 分別計算不同通道的能量率。利用ＬａｂＶＩＥＷ 串口ＶＩＳＡ 功能，對串口數(shù)據(jù)幀進(jìn)行幀頭確認(rèn)，提取第１６個字節(jié)后的四個字節(jié)，分支結(jié)構(gòu)以通道號作為輸入，計算通道能量率。
圖５ 多通道聲發(fā)射能量法前面板
前面板控件如圖５ 所示， 采用階段劃分來區(qū)分氣體泄漏的嚴(yán)重程度，具有軟件可調(diào)性。控件分別顯示綠、黃、橙、紅四色，把氣體泄漏程度分為四個階段，有很好的直觀性。
４ 結(jié)束語
本文利用ＺｉｇＢｅｅ數(shù)傳模塊無線傳送ＺｉｇＢｅｅ數(shù)據(jù)采集到的聲發(fā)射信號信息，在上位機(jī)實(shí)現(xiàn)顯示處理。由于有干擾噪聲的存在， 泄漏聲發(fā)射的有效提取成為泄漏檢測的主要技術(shù)難點(diǎn)， 同時本系統(tǒng)缺乏完善的泄漏信號數(shù)據(jù)庫和更多的現(xiàn)場測試應(yīng)用，因此結(jié)構(gòu)和功能有待進(jìn)一步優(yōu)化。