论文总字数：21209字

目 录

摘要 I

Abstract II

1绪论 1

1.1 课题研究背景 1

1.2课题研究现状 1

1.3本课题设计的主要内容和要求 1

2 声发射振动检测仪概述 2

2.1 声发射振动检测仪原理 2

2.2 总体系统设计方案 3

2.3方案论证 4

2.3.1 控制器模块 4

2.3.2声发射检测传感器 5

2.3.3 A/D采样 6

2.3.4显示模块 6

2.3.5上位机通讯方式 7

2.3.6 低通滤波模块 7

2.3.7 上位机开发环境 7

3硬件设计 8

3.1声发射检测传感器电路 8

3.2音频功放电路 9

3.3有源滤波电路 10

3.4 A/D采样电路（电压基准电路） 11

3.5单片机最小系统电路 11

3.6电源电路 13

3.7 TFT液晶屏、触摸屏与单片机连接电路 14

3.8蓝牙无线传输电路 15

3.9 SD卡与单片机连接电路 16

4系统软件设计 16

4.1单片机程序设计及原理 16

4.1.1 开发工具使用与介绍 16

4.1.2 AD采样程序设计 17

4.1.3 声波参数测量程序设计 18

4.1.4卡尔曼滤波算法程序设计 19

4.1.5 连续测量功能的软件设计 21

4.1.6 声源定位功能的软件设计 22

4.1.7 SD卡驱动程序设计 23

4.1.8 FAT文件系统介绍与移植 24

4.2 LabVIEW上位机软件设计 25

4.2.1 Labview软件介绍 25

4.2.2波形文件保存程序设计 26

4.2.3 VISA串口设计 27

4.2.4波形文件保存程序设计 28

5 调试与检测 29

5.1 声波参数检测硬件调试 29

5.2 声源定位性能测试 30

5.3 上位机功能调试 31

5.4 SD卡驱动及文件系统调试 32

6 总结与展望 33

6.1 总结 33

6.2 展望 33

参考文献 34

大学期间科研成果 35

致谢 36

一种简易声发射振动检测仪设计

徐伟

,China）

Abstract: Acoustic emission detection technology in the production of life in the field of nondestructive testing is very extensive, its traditional nondestructive testing technology can not match the superiority of. This design uses the microphone sampling acoustic emission signal, the use of high-performance STM32 embedded processor analysis of sampling signals, the production of low cost and high performance of the fluid leak detection system. Traditional acoustic emission detector adopts specially made of piezoelectric ceramic sensors, sampling frequency audio narrow, high cost; the design using computer processing speed is quick, the efficiency is high, most of the analog signal is converted into digital signal processing, using Kalman filtering algorithm instead of the instability of the active power filter, simplifying the circuit scale, reduces the cost, improves the stability of the system. In addition, with the development of Internet of things technology, data acquisition becomes more convenient, the design of Bluetooth transmission function, can get the state information through the smart phone.

Keywords: Acoustic emission; non destructive testing; Kalman Filter; Internet of things (IoT)

1绪论

1.1 课题研究背景

声发射又称应力波发射，是指材料局部快速释放能量产生瞬态弹性波的现象。不同材料的声发射产生的声波频率一般不同，强度大多数是很难达到人耳能听到的级别，因此需要借助一些灵敏声发射检测装置获取声发射信号。现实生活中，流体的泄漏、物体的摩擦、撞击、可燃物的燃烧、物体的断裂以及金属的腐蚀生锈都会产生声发射信号，因此利用声发射进行无损检测有很大技术优势^[[1]]。

1.2课题研究现状

现代声发射技术研究鼻祖是Kaiser，他不仅发现了“Kaiser效应”，还提出了声发射研究的一些基本概念^[[2]]。五十年代末科学家意识到声发射是材料工程学研究很有力的工具，从而奠定了声发射在无损检测上应用的理论基础。六十年代，声发射检测技术广泛应用于无损检测领域。七十年代初期，现代声发射仪器被成功设计出来。七十年代到九十年代末，人们对声发射进行了更深入的理论研究，声发射技术在工程应用上更加广泛，尤其在化工容器、核容器、钢铁熔炉等大型器件检测上应用广泛^[[3]]。

当世界上出现专门销售声发射无损检测仪的公司时，声发射技术在无损检测领域终于走向成熟。早期声发射系统大多通过人为观察处理采集到的波形数据来判断无损检测的效果，在八十年代初期，处理器嵌入到声发射检测仪中，减小了声发射检测仪的体积，也使其应用更加灵活。此时的声发射检测仪被成为第二代声发射检测仪。同时在软件上也突破性的开发出很多优秀的声发射数据分析软件，通过计算机处理，仪器检测精度性能得到很大提高。进入九十年代后，第三代声发射分析系统出现，该系列系统的特点是：更高性能的处理器应用、体积和质量更小、数字化程度更高，另外在人机交互、波形显示、频谱分析上更加规范化。

二十一世纪以来，声发射检测技术的应用更加成熟，不仅应用在大型工程的无损检测，而且在生活的各个方面发挥巨大作用。医学上，人工关节、假肢、假牙质量与使用效果检测；生物学上，植物和农作物干燥过程检测；化学上，化学反应过程状态检测；材料学，材料声学与力学特性测试；电力学上，电弧与局部放电的检测等。声发射仪器分类更加明显，主要包括：阀门泄漏检测仪，核电泄漏检测仪，局部放电检测仪，罐底腐蚀检测仪，桥梁结构健康检测仪，岩石力学特性检测仪，植物干燥应力检测仪，风力发电机检测仪等。除此之外，传感器供电电压的降低使得声发射仪可以电池供电，从而发展出手持设备，使用更加灵活，也节省了安装成本^[[4]]。

随着计算机技术的发展，大数据分析能力的提升，更多优秀的声发射检测软件被设计出来，主要有MONPACwin压力容器检测专家软件，ADTIwin起重设备检测专家软件，NOESIS人工智能信号分析软件等^[[5]]。该技术逐渐走向标准化、规范化，应用范围也更加广泛。

1.3本课题设计的主要内容和要求

通过对不同声发射无损检测设备的介绍，本课题将给出了一种主要用于流体泄漏检测的声发射振动检测仪设计方案。本设计是包括了一个完成嵌入式系统的多数部分，涵盖了处器单元、传感器、电源、人机交互接口、数据传输接口、数据存储介质。具体为声发射检测传感器、音频放大电路、有源滤波电路、快速AD采样电路、蓝牙无线传输、TFT液晶屏、电阻式触摸屏、SD卡驱动以及电源模块。

本设计可实现功能如下：

⑴ 可测量的声波频率范围400Hz到5kHz，强度最低16分贝。

⑵ 抗干扰能力较强。

⑶ 多路测量。

⑷ 友好人机交互界面，TFT显示声波波形信息，触屏切换功能。

⑸ RTC实时时钟，可实现日历功能。

⑹ 可存储特定时间检测到的声波信号信息，掉电不丢失。

⑺ 蓝牙无线传输，信息可上传到Labview上位机。

⑻ 可设置定时测量，信息自动保存，自动上传。

⑼ 支持SD卡及FAT文件系统。

为完成以上功能，系统设计需要包括以下硬件及软件设计任务：

⑴ 设计声发射检测传感器探头。

⑵ 设计音频放大电路。

⑶ 设计二阶有源滤波电路。

⑷ 设计AD采样电路的电压基准电路。

⑸ 设计STM32嵌入式系统硬件。

⑹ 设计TFT人机交互界面、触屏功能软件。

⑺ 设计基于Labview的上位机显示软件。

⑻ 设计整个系统的电源部分。

⑼ 设计SD卡驱动程序软件，移植FAT文件系统。

2 声发射振动检测仪概述

2.1 声发射振动检测仪原理

如图1所示，油气管道、水管大都铺设在地下。这些管道泄漏，流体一般会从地面有孔处涌出，很难定位泄漏源所在位置^[[6]]。当瓦斯气体泄漏时，很难从地表判断泄漏点位置，因此存在很大安全隐患。将用于管道泄漏监测的声发射传感器放置在管道上，能够第一时间监测到泄漏事件，并可定位泄漏源。监测到的声发射信号经过采样传感器转化成电压信号，电压信号经过初级功率放大后提高了抗干扰能力，地下环境噪声较小，屏蔽线传输更加保证了信号的完整性^[[7]]。到达地面的信号汇总到集中的控制板处理显示，一个控制板理论上可以连接10多个声发射监测传感器头，可监测30米左右的传输管道。

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