基于Wi-Fi技术的多通道无线声发射检测系统研究

罗健刚，黎天标，杨俊强，董屹彪，刘时风

（1.广州特种承压设备检测研究院，广东 广州 510000；2.北京声华兴业科技有限公司，北京 100000）

随着我国社会经济的快速发展，大型压力容器、管道、等大型特种承压设备被广泛应用于社会的生产发展中。其安全性不仅关乎经济发展，更关乎社会安全与稳定。目前，对于这些大型特种承压设备的检测技术应用主要是应用声发射技术，在这些声发射检测仪器的检测应用中，目前已有的方法主要是基于声发射仪的电脑作为一个主机，通过互联网或其他远程网络，利用另一台电脑作为客户端来操作，这种方式需要在检测现场放置一台电脑，而且还需要在检测的现场布置大量的通信数据线以及人为地频繁操作客户端电脑。这种监控方式不仅效率较低，而且还会受到如放射性、毒性等不适人员操作的环境限制。另外有些现场环境由于缺少供电或稳固的位置，可能不适合摆放电脑。针对上述问题，研发了一套基于Wi-Fi技术的无线声发射监控系统，利用远程电脑直接与声发射采集仪主机通讯，使用户在远程系统的操作与传统的声发射仪完全一致，这种方式既保留了传统的声发射仪的所有功能及性能，也不再受场地条件与距离的限制，能真正实现大型特种承压设备的无线检测，测试数据能准确、实时、有效的传输和采集，降低了检测技术人员的工作强度，也有效提高了检测工作的效率。

1 多通道无线声发射系统的结构设计

基于Wi-Fi技术的多通道无线声发射检测仪主要由传感器、前端数据采集器、时钟同步模块、无线交换机等组成，无线声发射检测仪通过无线交换机及远程Wi-Fi无线模块与计算机进行通讯，构成多通道无线声发射采集系统。首先前端数据传感器采集的声发射数据通过信号线传输给无线采集器，无线采集器按照PC机软件设置的条件将传感器采集的信号进行过滤，并将模拟信号参数化后传输给无线交换机，多节点接入交换机将数据再传输给较近距离的客户端远程Wi-Fi无线模块，客户端远程Wi-Fi无线模块再将数据传输给与其距离数公里的服务器端远程Wi-Fi无线模块，服务器端远程Wi-Fi无线模块通过网线将数据传递给PC机软件，PC机软件将无线传输的数据进行处理，最终对声发射源进行精确定位（图1）。

2 无线声发射系统传输网络构建

图1 多通道实时无线声发射采集系统

由于在一些大型的特种承压设备，如大型球罐、管道等场合，因测点分散且工作环境复杂，不适用传统的有线声发射系统。而基于Wi-Fi技术的无线声发射检测仪通过采用无线采集器采集数据，不需要大量传输信号电缆，在布线较为困难的声发射实时检测领域有明显的便利性。无线声发射系统传输网络构建连接示意图如图2所示。

图2 无线声发射系统传输网络构建示意图

在实际检测中，声发射数据为每通道每秒数百撞击组以上才能满足应用需求。无线声发射的无线通讯距离至少要达到数百米以上才有实际应用意义。根据无线声发射检测系统的检测技术要求及无线通讯距离的技术指标要求，对目前在检测领域应用较为广泛的几种无线通讯技术的优缺点进行综合比较，得出多通道无线声发射系统的采集器选择Wi-Fi技术作为无线通讯方案更为符合要求。

检测过程中，前端的传感器采集的声发射信号经信号线传输至采集器，采集器利用门限对输入的信号进行过滤并选择性采集，被采集的信号将通过Wi-Fi无线天线与多节点接入交换机之间进行通讯，多节点接入交换机再将数据经客户端远程Wi-Fi无线模块传输给与其距离数公里的服务器端远程Wi-Fi无线模块，进而再传递给PC机软件。无线声发射系统采用了GPS授时技术，使得所有通道都使用了同一个高精度GPS时钟，以获得各通道之间信号的时差，从而实现时差定位（图3）。

图3 SAEW2型无线声发射数据采集器主机

3 数据监测中心设计

数据监控中心页面是系统中人机交互的接口，监测页面设计的合理性有利于系统更直观地反映出检测结果，便于检测人员更全面地掌握设备的运行状况，及时发现设备运行存在的问题。为便于操作和监控，软件界面主要分成4大部分：标题栏、菜单栏、快捷图标栏、视图显示区，如图4。

图4 无线声发射检测系统界面示意图

4 系统调试与数据采集

无线声发射检测仪软件设置完后，要对整个声发射系统的情况进行检测。检测主要包括整个声发射系统定位精度和灵敏度。

测试前，需要对源信号来进行校准。校准源定位是为了确定定位源的唯一性与实际模拟声发射源发射部位的对应性，源定位精度的校准一般都是通过实测时差、声速以及设置的定位闭锁时间来进行的。最终结果应为所加模拟信号应被一个定位阵列所接收，并提供唯一的定位显示，而区域定位时，应至少被一个传感器接收到。另外，测试前还需要对系统的灵敏度进行校准，以确认传感器的耦合质量以及系统检测电路的连续性。系统的灵敏度，是指系统对微小信号的检测能力，系统的灵敏度取决于传感器的灵敏度、传感器间距以及检测门限值的设置。

对系统的源信号及灵敏性进行校准后，硬件连接、声发射软件设置完成以后，则可进行采样，采样过程中可通过控制界面进行开始、暂停及结束操作。

5 数据编辑与分析

5.1 数据编辑

数据采集完成后，需要对数据进行分析与编辑。通过界面打开数字滤波窗口，通过该窗口可以对数据进行事后数字滤波分析。通过对每通道参数产生设置，对各通道的软门限进行分别设置或统一设置（图5）。

图5 数字滤波器窗口

通过实时FFT波形采集，可随时打开或关闭用于传感器自动标定（AST，Auto Sensor Testing）的脉冲发射设置窗口，如图6所示，观察通过某一通道发射脉冲信号后，所有通道的信号接收的情况，以检查各通道的连接、传感器的耦合情况及灵敏度。

图6 FFT波形采集窗口

在采集信号或者回放数据过程中，如有发现干扰或特殊波形，可选择添加标签功能，在备注信息处添加备注（图7）。

图7 系统编辑标签窗口

当用户在工具菜单中，选择文件转换功能时，用户可通过设置时间范围、指定通道、拆分后的数据是否需要滤波、拆分后的数据以何种类型的文件保存等功能，进行数据文件的拆分并转换（图8）。

图8 系统文件格式转换窗口

5.2 数据分析

数据显示方面，在进行声发射数据采集过程中，信号数据的实时显示方式包括声发射信号“波形图”、“FFT波形图”、“参数表”、参数之间的“相关图”、声发射源的“定位图”。在实际检测过程中，根据检测目的不同可选用不同的显示模式。例如在进行压力容器检测时，一般同时选用上述4种显示图。

而数据分析主要包括波形分析、特征参数分析和定位分析这3种分析方法。

6 结语

设计的基于Wi-Fi技术的多通道无线声发射系统采用无线传输的方式对大型设备进行检验，在保留传统声发射功能的同时，具有减少检测工作量、减少布线带来的危险性以及检验领域广泛等优点，同时利用远程电脑直接与数据采集器通讯进行原创检测与可视化显示，方便检测人员随时查看，及时发现设备存在的安全隐患。结果表明，基于Wi-Fi技术的多通道无线声发射系统对大型特种承压设备的检验检测具有显著的效果，它大大降低了技术人员在检测过程中的工作强度，同时提高了工作的效率并节约了检测成本，真正实现了大型设备检测工作效率的最大化和智能化，对大型设备缺陷的检测和安全运行监控具有十分重要的意义。