基于LabVIEW的聲發(fā)射信號(hào)采集與去噪軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孫瓊瓊，趙亞東

（1.泰安市特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院，山東泰安 271000；2.肥城市國(guó)家電網(wǎng)，山東肥城 271600）

0 引言

在內(nèi)力或外力作用下，金屬、巖石等固體材料產(chǎn)生變形、斷裂并以瞬態(tài)彈性波的形式釋放局部能量的現(xiàn)象稱為聲發(fā)射（Acoustic Emission，AE）[1]。自從德國(guó)人Kaiser在20世紀(jì)50年代發(fā)現(xiàn)了著名的Kaiser效應(yīng)以來，聲發(fā)射技術(shù)被廣泛應(yīng)用于煤礦、金屬、壓力容器的無損檢測(cè)領(lǐng)域[2]。聲發(fā)射信號(hào)的頻率、幅值等參數(shù)包含了聲發(fā)射事件的個(gè)數(shù)、時(shí)間、聲源方位、金屬損傷程度等信息，通過分析金屬在破壞過程中釋放的聲發(fā)射信號(hào)，可以推斷金屬內(nèi)部的變化趨勢(shì)，從而實(shí)現(xiàn)金屬壓力容器的災(zāi)害預(yù)警，保障安全生產(chǎn)和人身安全。

美國(guó)國(guó)家儀器公司（National Instrum-ents，NI）于1986年最先提出虛擬測(cè)量?jī)x器（Virtual Instrument，VI）的概念[3]，實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)儀器技術(shù)與計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合，徹底打破了傳統(tǒng)的儀器觀，代表了測(cè)量?jī)x器發(fā)展的新方向。在虛擬儀器領(lǐng)域，用戶可根據(jù)不同的需求自主選擇應(yīng)用軟件，真正實(shí)現(xiàn)了軟件定義功能，而且具有維護(hù)成本低、技術(shù)更新靈活、與計(jì)算機(jī)同步發(fā)展等優(yōu)點(diǎn)。LabVIEW是NI公司推出的虛擬儀器設(shè)計(jì)平臺(tái)，通過采用圖形化的編程方式，創(chuàng)建了利用圖標(biāo)替代文本行生成應(yīng)用程序的計(jì)算機(jī)編程語言[4]。

由于聲發(fā)射信號(hào)的不確定性與隨機(jī)性，以及現(xiàn)場(chǎng)壓力容器檢驗(yàn)中，機(jī)械噪聲、人為活動(dòng)等各種噪聲普遍存在，使得傳感器實(shí)際采集到的聲發(fā)射信號(hào)中含有大量的噪聲，聲發(fā)射信號(hào)嚴(yán)重失真甚至淹沒在噪聲信號(hào)中，嚴(yán)重影響了聲發(fā)射信號(hào)的真實(shí)性。本文針對(duì)聲發(fā)射信號(hào)及噪聲特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一款基于LabVIEW的具有實(shí)時(shí)信號(hào)采集、顯示、去噪等功能的軟件系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)軟件總體設(shè)計(jì)

軟件的設(shè)計(jì)應(yīng)遵循高效率、可拓展和運(yùn)行穩(wěn)定的原則[5]，基于LabVIEW的聲發(fā)射信號(hào)采集與去噪軟件系統(tǒng)系統(tǒng)采用模塊化的設(shè)計(jì)原則，并根據(jù)不同的功能設(shè)計(jì)不同的模塊，通過由上而下逐漸細(xì)化的方法，把復(fù)雜的系統(tǒng)需求逐步劃分為簡(jiǎn)單的子任務(wù)。所以，本系統(tǒng)由實(shí)時(shí)信號(hào)采集模塊，信號(hào)去噪模塊等組成，軟件總體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2 系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)

2.1 實(shí)時(shí)信號(hào)采集模塊

信號(hào)采集模塊是系統(tǒng)的基本組成部分，是連接傳感器與計(jì)算機(jī)的關(guān)鍵紐帶，隨著計(jì)算機(jī)和總線技術(shù)的發(fā)展，基于PC的數(shù)據(jù)采集板卡得到廣泛應(yīng)用，本系統(tǒng)采用NI高速數(shù)據(jù)采集卡實(shí)現(xiàn)8路信號(hào)的采集和顯示，且NI公司為該采集卡配有LabVIEW驅(qū)動(dòng)程序，在驅(qū)動(dòng)程序安裝完成后，可使用DAQmx子選板中的節(jié)點(diǎn)完成實(shí)時(shí)信號(hào)采集的編程。信號(hào)采集程序框圖如圖2所示。

圖2 實(shí)時(shí)號(hào)采集程序框圖

程序框圖中主要利用“DAQmx平化通道字符串”、“DAQmx創(chuàng)建虛擬通道”、“DAQmx定時(shí)”、“DAQmx開始任務(wù)”、“DAQmx讀取”、“DAQmx停止任務(wù)”、“DAQmx清除任務(wù)”等函數(shù)節(jié)點(diǎn)完成數(shù)據(jù)采集的編程。其中，利用“DAQmx創(chuàng)建虛擬通道”函數(shù)節(jié)點(diǎn)創(chuàng)建虛擬通道并將其添加成一個(gè)任務(wù)，“DAQmx定時(shí)”函數(shù)節(jié)點(diǎn)用于配置硬件數(shù)據(jù)采集的采樣時(shí)鐘源、采樣率和采樣模式等參數(shù)，“DAQmx開始任務(wù)”可將一個(gè)任務(wù)轉(zhuǎn)換到運(yùn)行狀態(tài)，“DAQmx停止任務(wù)”、“DAQmx清除任務(wù)”可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的中止及清除，進(jìn)而提高程序內(nèi)部資源空間。

2.2 信號(hào)去噪模塊

在壓力容器檢驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)，聲發(fā)射信號(hào)中含大量的聲源信息，由于噪聲信號(hào)的干擾，使得有用信號(hào)失真甚至淹沒在噪聲信號(hào)中。聲發(fā)射信號(hào)是典型的非平穩(wěn)信號(hào)[6]，利用小波去噪的本質(zhì)數(shù)學(xué)思想是將含噪聲的聲發(fā)射信號(hào)變換到小波域，將噪聲產(chǎn)生的小波系數(shù)進(jìn)行縮小甚至完全剔除，并保留聲發(fā)射的小波系數(shù)，最后將處理過的小波系數(shù)重構(gòu)為原始信號(hào)，從而得到去除噪聲的聲發(fā)射信號(hào)[7]。

本模塊在降噪過程中采用sym8小波基函數(shù)，進(jìn)行5層分解。借助MATLAB強(qiáng)大的數(shù)學(xué)計(jì)算功能，采用LabVIEW調(diào)用MATLAB實(shí)現(xiàn)小波去噪算法的編程[8]，其信號(hào)去噪程序框圖如圖3所示。圖中，函數(shù)“wavedec”為小波分解函數(shù)，其調(diào)用格式為：[c，l]=wavedec（x，n，′wname′），該函數(shù)返回信號(hào)x在經(jīng)過wname小波n層分解后的小波系數(shù)，其中c為小波分解系數(shù)，l為小波系數(shù)的個(gè)數(shù)。函數(shù)“wdencmp”的調(diào)用格式為XC=wdencmp （′gbl′，x，′wname′，n，THR，SORH，KEEPAPP），gbl表示去噪時(shí)每層采用相同的閾值進(jìn)行處理，wname為小波基函數(shù)選取，n表示分解層數(shù)，THR表示估計(jì)的閾值，SORH為軟閾值（′s′）或硬閾值（′h′）的選取，KEEPAPP有兩種選擇，當(dāng)KEEPAPP為1時(shí)，則低頻系數(shù)不進(jìn)行量化處理，反之則進(jìn)行量化處理。

圖3 小波閾值去噪程序框圖

3 軟件運(yùn)行

在壓力容器外表面進(jìn)行斷鉛試驗(yàn)?zāi)M聲發(fā)射源進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，其部分軟件運(yùn)行界面如圖4所示。從運(yùn)行結(jié)果可得，實(shí)時(shí)采集的聲發(fā)射信號(hào)經(jīng)小波去噪處理后，噪聲信號(hào)被明顯剔除，使得聲發(fā)射信號(hào)更加明顯地被識(shí)別。

圖4 軟件運(yùn)行界面

4 結(jié)束語

本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)軟件具有聲發(fā)射信號(hào)采集，信號(hào)去噪處理等功能，且該軟件具有操作簡(jiǎn)單，運(yùn)行穩(wěn)定的特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于壓力容器檢驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)。