本文以聲發射技術為依托，設計了一種基于Ｚｉｇｂｅｅ無線模塊 的無線聲發射信號采集系統，通過聲發射信號的特征參數分析，對氣體泄漏的嚴重性進行評估，取得了很好的效果。
１ 系統構建概述
容器泄漏引起內部介質與泄漏孔的摩擦而激發應力波，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，從而實現聲發射泄漏檢測的目的。
圖１ 系統總體結構圖
如圖１ 所示，總監控網絡由基站組成，每個基站為一個檢測單元，是一個多通道檢測系統。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，并把結果傳送給ＺｉｇＢｅｅ數傳模塊節點ＲＦＤ，ＺｉｇＢｅｅ數傳模塊節點ＲＦＤ 通過星型網絡傳輸給ＺｉｇＢｅｅ無線模塊協調器節點ＦＦＤ， 最后再把結果顯示在計算機中。
系統主要包括三部分： ①傳感器終端。傳感器終端包括磁滯伸縮聲發射智能傳感器、信號采集與處理節點、信息匯聚節點。主要功能為聲發射信號調理、Ａ／Ｄ 轉換和提取聲發射信號的特征參數。②ＺｉｇＢｅｅ無線模塊傳輸。采用基于８０２．１５．４ 的ＺｉｇＢｅｅ數傳模塊無線局域網絡組建傳感器集群系統， 將傳感器設置成不同功能型的ＺｉｇＢｅｅ數據采集節點，實現ＺｉｇＢｅｅ數據采集和數據傳輸。③上位機軟件。包括特征參數的
２ 測控系統的實現
２．１ 傳感器節點
選用上海奧達光電子科技有限公司研制的ＡＥ－０１ 型聲發射傳感器，ＡＥ－０１ 型聲發射傳感器應用了一項具有國際專利的磁電換能技術，與傳統采用壓電技術的聲發射傳感器相比，具有響應頻帶寬（頻率范圍：５０ｋＨｚ～１２５０ｋＨｚ）、靈敏度高、受環境變化影響小的優點， 能更全面地捕捉到目標結構內部所釋放的聲發射信號中所蘊含的結構狀況信息。
傳感器處理節點包括： 一個傳感器模塊用于感知周圍世界的物理量； 一個處理終端實現對結構損傷產生的聲發射信號實時采集， 并提取聲發射特征參數； 一個中繼終端用于數據與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。首先是聲發射信號的預處理，聲發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。因為聲發射傳感器傳送的聲發射信號的電壓峰峰值為０～５Ｖ，而節點的Ａ／Ｄ 轉換采用的是ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２ 的Ａ／Ｄ 轉換接口，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 端口的電壓超過設定的聲發射閾值電壓，即進入中斷服務子程序。采集到聲發射信號后，是聲發射特征參數的提取。
中繼終端及接口終端用來管理和組織各區域的信號采集與處理終端，并將采集到的有效聲發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傳送到上位機的軟件實施查詢氣體泄漏聲發射情況。
２．２ ＺｉｇＢｅｅ 星型網絡建立
ＺｉｇＢｅｅ 無線模塊傳感器網絡具備多種可選的網絡拓撲結構，本系統根據氣體管道結構的特性，選擇星型拓撲結構，傳感器節點分布在不同的監測區域。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）收發器、內存和微控制器。ＺｉｇＢｅｅ數傳網絡的建立是通過原語實現的。首先，協調器建立網絡， 在應用層調用ＮＬＭＥ－ＮＥＴＷＯＲＫ－ＦＯＲＭＡＴＩＯＮ．ｒｅｑｕｅｓｔ原語請求設備發起一個新的ＺｉｇＢｅｅ 網絡，并找到合適的信道，選擇一個網絡ＰＡＮＩＤ（網絡標識）。其次，是子節點的加入，直接通過父節點加入，ＺｉｇＢｅｅ 協調器把通過ＮＬＭＥ－ＤＩＲＥＣＴＪＩＯＮ．ｒｅｑｕｅｓｔ 原語初始化ＲＦＤ 設備， 原語中ＤｅｖｉｃｅＡｄｄｒｅｓｓ參數設置為加入到網絡的設備地址， 同時給新設備分配一個唯一的１６ 位網絡地址，然后把其他ＲＦＤ 設備加入到網絡中。
軟件設計基于ＴＩ 公司的Ｚ－ＳＴＡＣＫ 協議棧，將數據傳輸任務加入到協議棧中。ＺｉｇＢｅｅ 數傳模塊通過串口與傳感器節點、上位機進行通訊，Ｚ－ＳＴＡＣＫ 協議棧相關函數如表１。
表１ Ｚ－ＳＴＡＣＫ 中串口應用設計的函數及功能
３ 能量分析法的實現
目前分析所使用的特征參數一般有振鈴計數與計數率、事件計數與計數率、振幅與振幅分布、能量和能量率、有效值和頻譜分布等。根據聲發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射特征參數。聲發射信號的典型參數如圖３ 所示。
圖３ 聲發射波形參數的定義
通常采用單參數分析方法，最常用的單參數分析方法為計數分析法、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型聲發射信號的能量有直接關系，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時間，反映聲發射能量的特性。能量法與其他的聲發射參數相比，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 的關系如下：
為了準確找到能量這個聲發射參量， 要對聲發射信息包規定格式。處理終端提取出聲發射特征參數，通過ＣＡＮ 總線傳遞給中繼終端匯總，發送數據格式如表２。
表２ 聲發射傳送信息包格式
對氣體管道進行加壓，利用聲發射采集系統，經特征參數提取的聲發射參數，上位機顯示如圖４ 所示。
圖４ 聲發射特征參數
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，所產生的聲發射信號強度增大，振鈴計數、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，發現能量值在閥門入口壓力增加時急劇增加， 振鈴計數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，計算單位時間內的能量，時間具有可調性。首先對ＺｉｇＢｅｅ數據采集到數據的數據在上位機窗口進行數據包的解析，提取出需要的能量特征參數，同時對傳感器網絡的通道進行分流， 分別計算不同通道的能量率。利用ＬａｂＶＩＥＷ 串口ＶＩＳＡ 功能，對串口數據幀進行幀頭確認，提取第１６個字節后的四個字節，分支結構以通道號作為輸入，計算通道能量率。
圖５ 多通道聲發射能量法前面板
前面板控件如圖５ 所示， 采用階段劃分來區分氣體泄漏的嚴重程度，具有軟件可調性。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 結束語
本文利用ＺｉｇＢｅｅ數傳模塊無線傳送ＺｉｇＢｅｅ數據采集到的聲發射信號信息，在上位機實現顯示處理。由于有干擾噪聲的存在， 泄漏聲發射的有效提取成為泄漏檢測的主要技術難點， 同時本系統缺乏完善的泄漏信號數據庫和更多的現場測試應用，因此結構和功能有待進一步優化。