基于Wi-Fi技術的多通道無線聲發(fā)射檢測系統(tǒng)研究

羅健剛，黎天標，楊俊強，董屹彪，劉時風

（1.廣州特種承壓設備檢測研究院，廣東 廣州 510000；2.北京聲華興業(yè)科技有限公司，北京 100000）

隨著我國社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，大型壓力容器、管道、等大型特種承壓設備被廣泛應用于社會的生產(chǎn)發(fā)展中。其安全性不僅關乎經(jīng)濟發(fā)展，更關乎社會安全與穩(wěn)定。目前，對于這些大型特種承壓設備的檢測技術應用主要是應用聲發(fā)射技術，在這些聲發(fā)射檢測儀器的檢測應用中，目前已有的方法主要是基于聲發(fā)射儀的電腦作為一個主機，通過互聯(lián)網(wǎng)或其他遠程網(wǎng)絡，利用另一臺電腦作為客戶端來操作，這種方式需要在檢測現(xiàn)場放置一臺電腦，而且還需要在檢測的現(xiàn)場布置大量的通信數(shù)據(jù)線以及人為地頻繁操作客戶端電腦。這種監(jiān)控方式不僅效率較低，而且還會受到如放射性、毒性等不適人員操作的環(huán)境限制。另外有些現(xiàn)場環(huán)境由于缺少供電或穩(wěn)固的位置，可能不適合擺放電腦。針對上述問題，研發(fā)了一套基于Wi-Fi技術的無線聲發(fā)射監(jiān)控系統(tǒng)，利用遠程電腦直接與聲發(fā)射采集儀主機通訊，使用戶在遠程系統(tǒng)的操作與傳統(tǒng)的聲發(fā)射儀完全一致，這種方式既保留了傳統(tǒng)的聲發(fā)射儀的所有功能及性能，也不再受場地條件與距離的限制，能真正實現(xiàn)大型特種承壓設備的無線檢測，測試數(shù)據(jù)能準確、實時、有效的傳輸和采集，降低了檢測技術人員的工作強度，也有效提高了檢測工作的效率。

1 多通道無線聲發(fā)射系統(tǒng)的結構設計

基于Wi-Fi技術的多通道無線聲發(fā)射檢測儀主要由傳感器、前端數(shù)據(jù)采集器、時鐘同步模塊、無線交換機等組成，無線聲發(fā)射檢測儀通過無線交換機及遠程Wi-Fi無線模塊與計算機進行通訊，構成多通道無線聲發(fā)射采集系統(tǒng)。首先前端數(shù)據(jù)傳感器采集的聲發(fā)射數(shù)據(jù)通過信號線傳輸給無線采集器，無線采集器按照PC機軟件設置的條件將傳感器采集的信號進行過濾，并將模擬信號參數(shù)化后傳輸給無線交換機，多節(jié)點接入交換機將數(shù)據(jù)再傳輸給較近距離的客戶端遠程Wi-Fi無線模塊，客戶端遠程Wi-Fi無線模塊再將數(shù)據(jù)傳輸給與其距離數(shù)公里的服務器端遠程Wi-Fi無線模塊，服務器端遠程Wi-Fi無線模塊通過網(wǎng)線將數(shù)據(jù)傳遞給PC機軟件，PC機軟件將無線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行處理，最終對聲發(fā)射源進行精確定位（圖1）。

2 無線聲發(fā)射系統(tǒng)傳輸網(wǎng)絡構建

圖1 多通道實時無線聲發(fā)射采集系統(tǒng)

由于在一些大型的特種承壓設備，如大型球罐、管道等場合，因測點分散且工作環(huán)境復雜，不適用傳統(tǒng)的有線聲發(fā)射系統(tǒng)。而基于Wi-Fi技術的無線聲發(fā)射檢測儀通過采用無線采集器采集數(shù)據(jù)，不需要大量傳輸信號電纜，在布線較為困難的聲發(fā)射實時檢測領域有明顯的便利性。無線聲發(fā)射系統(tǒng)傳輸網(wǎng)絡構建連接示意圖如圖2所示。

圖2 無線聲發(fā)射系統(tǒng)傳輸網(wǎng)絡構建示意圖

在實際檢測中，聲發(fā)射數(shù)據(jù)為每通道每秒數(shù)百撞擊組以上才能滿足應用需求。無線聲發(fā)射的無線通訊距離至少要達到數(shù)百米以上才有實際應用意義。根據(jù)無線聲發(fā)射檢測系統(tǒng)的檢測技術要求及無線通訊距離的技術指標要求，對目前在檢測領域應用較為廣泛的幾種無線通訊技術的優(yōu)缺點進行綜合比較，得出多通道無線聲發(fā)射系統(tǒng)的采集器選擇Wi-Fi技術作為無線通訊方案更為符合要求。

檢測過程中，前端的傳感器采集的聲發(fā)射信號經(jīng)信號線傳輸至采集器，采集器利用門限對輸入的信號進行過濾并選擇性采集，被采集的信號將通過Wi-Fi無線天線與多節(jié)點接入交換機之間進行通訊，多節(jié)點接入交換機再將數(shù)據(jù)經(jīng)客戶端遠程Wi-Fi無線模塊傳輸給與其距離數(shù)公里的服務器端遠程Wi-Fi無線模塊，進而再傳遞給PC機軟件。無線聲發(fā)射系統(tǒng)采用了GPS授時技術，使得所有通道都使用了同一個高精度GPS時鐘，以獲得各通道之間信號的時差，從而實現(xiàn)時差定位（圖3）。

圖3 SAEW2型無線聲發(fā)射數(shù)據(jù)采集器主機

3 數(shù)據(jù)監(jiān)測中心設計

數(shù)據(jù)監(jiān)控中心頁面是系統(tǒng)中人機交互的接口，監(jiān)測頁面設計的合理性有利于系統(tǒng)更直觀地反映出檢測結果，便于檢測人員更全面地掌握設備的運行狀況，及時發(fā)現(xiàn)設備運行存在的問題。為便于操作和監(jiān)控，軟件界面主要分成4大部分：標題欄、菜單欄、快捷圖標欄、視圖顯示區(qū)，如圖4。

圖4 無線聲發(fā)射檢測系統(tǒng)界面示意圖

4 系統(tǒng)調試與數(shù)據(jù)采集

無線聲發(fā)射檢測儀軟件設置完后，要對整個聲發(fā)射系統(tǒng)的情況進行檢測。檢測主要包括整個聲發(fā)射系統(tǒng)定位精度和靈敏度。

測試前，需要對源信號來進行校準。校準源定位是為了確定定位源的唯一性與實際模擬聲發(fā)射源發(fā)射部位的對應性，源定位精度的校準一般都是通過實測時差、聲速以及設置的定位閉鎖時間來進行的。最終結果應為所加模擬信號應被一個定位陣列所接收，并提供唯一的定位顯示，而區(qū)域定位時，應至少被一個傳感器接收到。另外，測試前還需要對系統(tǒng)的靈敏度進行校準，以確認傳感器的耦合質量以及系統(tǒng)檢測電路的連續(xù)性。系統(tǒng)的靈敏度，是指系統(tǒng)對微小信號的檢測能力，系統(tǒng)的靈敏度取決于傳感器的靈敏度、傳感器間距以及檢測門限值的設置。

對系統(tǒng)的源信號及靈敏性進行校準后，硬件連接、聲發(fā)射軟件設置完成以后，則可進行采樣，采樣過程中可通過控制界面進行開始、暫停及結束操作。

5 數(shù)據(jù)編輯與分析

5.1 數(shù)據(jù)編輯

數(shù)據(jù)采集完成后，需要對數(shù)據(jù)進行分析與編輯。通過界面打開數(shù)字濾波窗口，通過該窗口可以對數(shù)據(jù)進行事后數(shù)字濾波分析。通過對每通道參數(shù)產(chǎn)生設置，對各通道的軟門限進行分別設置或統(tǒng)一設置（圖5）。

圖5 數(shù)字濾波器窗口

通過實時FFT波形采集，可隨時打開或關閉用于傳感器自動標定（AST，Auto Sensor Testing）的脈沖發(fā)射設置窗口，如圖6所示，觀察通過某一通道發(fā)射脈沖信號后，所有通道的信號接收的情況，以檢查各通道的連接、傳感器的耦合情況及靈敏度。

圖6 FFT波形采集窗口

在采集信號或者回放數(shù)據(jù)過程中，如有發(fā)現(xiàn)干擾或特殊波形，可選擇添加標簽功能，在備注信息處添加備注（圖7）。

圖7 系統(tǒng)編輯標簽窗口

當用戶在工具菜單中，選擇文件轉換功能時，用戶可通過設置時間范圍、指定通道、拆分后的數(shù)據(jù)是否需要濾波、拆分后的數(shù)據(jù)以何種類型的文件保存等功能，進行數(shù)據(jù)文件的拆分并轉換（圖8）。

圖8 系統(tǒng)文件格式轉換窗口

5.2 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)顯示方面，在進行聲發(fā)射數(shù)據(jù)采集過程中，信號數(shù)據(jù)的實時顯示方式包括聲發(fā)射信號“波形圖”、“FFT波形圖”、“參數(shù)表”、參數(shù)之間的“相關圖”、聲發(fā)射源的“定位圖”。在實際檢測過程中，根據(jù)檢測目的不同可選用不同的顯示模式。例如在進行壓力容器檢測時，一般同時選用上述4種顯示圖。

而數(shù)據(jù)分析主要包括波形分析、特征參數(shù)分析和定位分析這3種分析方法。

6 結語

設計的基于Wi-Fi技術的多通道無線聲發(fā)射系統(tǒng)采用無線傳輸?shù)姆绞綄Υ笮驮O備進行檢驗，在保留傳統(tǒng)聲發(fā)射功能的同時，具有減少檢測工作量、減少布線帶來的危險性以及檢驗領域廣泛等優(yōu)點，同時利用遠程電腦直接與數(shù)據(jù)采集器通訊進行原創(chuàng)檢測與可視化顯示，方便檢測人員隨時查看，及時發(fā)現(xiàn)設備存在的安全隱患。結果表明，基于Wi-Fi技術的多通道無線聲發(fā)射系統(tǒng)對大型特種承壓設備的檢驗檢測具有顯著的效果，它大大降低了技術人員在檢測過程中的工作強度，同時提高了工作的效率并節(jié)約了檢測成本，真正實現(xiàn)了大型設備檢測工作效率的最大化和智能化，對大型設備缺陷的檢測和安全運行監(jiān)控具有十分重要的意義。