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，對氣體泄漏的嚴重性進行評估，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)應力波，攜帶泄漏源信息（如泄漏的大小、位置等）的應力波沿管壁傳播，利用聲發(fā)射傳感器采集該應力波信號，并分析處理，就提取出管道泄漏信息，從而實現(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行處理，并把結(jié)果傳送給ＺｉｇＢｅｅ數(shù)傳模塊節(jié)點ＲＦＤ，ＺｉｇＢｅｅ數(shù)傳模塊節(jié)點ＲＦＤ 通過星型網(wǎng)絡傳輸給ＺｉｇＢｅｅ無線模塊協(xié)調(diào)器節(jié)點ＦＦＤ， 最后再把結(jié)果顯示在計算機中。
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、信息匯聚節(jié)點。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，實現(xiàn)ＺｉｇＢｅｅ數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸。③上位機軟件。包括特征參數(shù)的
２ 測控系統(tǒng)的實現(xiàn)
２．１ 傳感器節(jié)點
選用上海奧達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， 能更全面地捕捉到目標結(jié)構(gòu)內(nèi)部所釋放的聲發(fā)射信號中所蘊含的結(jié)構(gòu)狀況信息。
傳感器處理節(jié)點包括： 一個傳感器模塊用于感知周圍世界的物理量； 一個處理終端實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)損傷產(chǎn)生的聲發(fā)射信號實時采集， 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
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)射信號的預處理，聲發(fā)射信號預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，即進入中斷服務子程序。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)傳送到上位機的軟件實施查詢氣體泄漏聲發(fā)射情況。
２．２ ＺｉｇＢｅｅ 星型網(wǎng)絡建立
ＺｉｇＢｅｅ 無線模塊傳感器網(wǎng)絡具備多種可選的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)，本系統(tǒng)根據(jù)氣體管道結(jié)構(gòu)的特性，選擇星型拓撲結(jié)構(gòu)，傳感器節(jié)點分布在不同的監(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)絡的建立是通過原語實現(xiàn)的。首先，協(xié)調(diào)器建立網(wǎng)絡， 在應用層調(diào)用ＮＬＭＥ－ＮＥＴＷＯＲＫ－ＦＯＲＭＡＴＩＯＮ．ｒｅｑｕｅｓｔ原語請求設(shè)備發(fā)起一個新的ＺｉｇＢｅｅ 網(wǎng)絡，并找到合適的信道，選擇一個網(wǎng)絡ＰＡＮＩＤ（網(wǎng)絡標識）。其次，是子節(jié)點的加入，直接通過父節(jié)點加入，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)絡地址，然后把其他ＲＦＤ 設(shè)備加入到網(wǎng)絡中。
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、上位機進行通訊，Ｚ－ＳＴＡＣＫ 協(xié)議棧相關(guān)函數(shù)如表１。
表１ Ｚ－ＳＴＡＣＫ 中串口應用設(shè)計的函數(shù)及功能
３ 能量分析法的實現(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。在實驗過程中，當閥門入口壓力增加時，泄漏量增加，所產(chǎn)生的聲發(fā)射信號強度增大，振鈴計數(shù)、能量、幅值、均方根值都會相應增大，只是增大的幅度不同。通過多次實驗比較，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， 故上位機軟件采用能量率的形式來評定氣體管道泄漏的嚴重程度具有很好的效果。
上位機軟件采用ＬａｂＶＩＥＷ 進行編程，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)在上位機窗口進行數(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)絡的通道進行分流， 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)幀進行幀頭確認，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，在上位機實現(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， 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)場測試應用，因此結(jié)構(gòu)和功能有待進一步優(yōu)化。