基于 LabVIEW 的声发射信号采集分析与处理系统
马永辉，刘康，杨大志
（四川理工学院机械工程学院，四川自贡643000）
摘 要：基于labview软件与pci-6251数据采集卡，设计了一套声发射信号采集、分析与处理系统。该系统通过实际操作可以对声发射信号进行采集，储存与回放，并能通过软件强大的模
块和接口功能实现对声发射信号的频谱分析与小波除噪处理。
关键词：labview；信号采集；信号分析处理
中图分类号：tp39 文献标志码：a 文章编号：1003－0794（2011）02－0258－04
systemofaesignalanalysisandprocessingbasedonlabview
mayong-hui，liukang，yangda-zhi
（collegeofmechanicalengineering,sichuanuniversityofscienceandengineering,zigong643000,china)
abstract:asetofsystemaboutacousticemissioncollectionisdeveloped，analysisandprocessingbasedonlabviewsoftwareandthepci-6251dataacquisitioncard.thesystemnotonlycancollect,
storeandplaybackacousticemissionsignalthroughtherealoperationbutalsocanrealizetheacousticemission
frequencyspectrumanalysisandwaveletdenoisingprocessingbyusingpowerfulmodulesandinterfacefunctionsoflabview.
keywords:labview；signalacquisition；signalanalysisandprocessing
0 引言
声发射检测的方法可对cng钢瓶进行检测，采集分析与处理信号，及时发现缺陷，避免事故产生。
因此声发射信号的采集分析与处理就成为一个重
点，利用虚拟仪器labview和高速的数据采集卡可很好的实现对声发射信号的采集、分析与处理，
并及时为钢瓶的状态做出评价提供依据，减少事故发生的可能性。
1声发射检测
声发射检测是一种动态无损检测方法，它可以利用材料内部缺陷的存在所引起的声反应的变化
对材料内部的缺陷进行检测，并对缺陷的状态做出判断和评价。对于cng气瓶而言，气瓶本身或内部
的缺陷在加压时如果产生变形或有缺陷扩展，在此过程中产生的应力应变能就会以弹性波形式释放
出来，此弹性波就是声发射信号，这些信号均来自钢瓶的缺陷，对这些信号进行采集分析与处理就
可以实现对钢瓶状态的评估。
2系统总体设计
信号采集是利用传感器等设备从被测单元中自动采集信息的过程 它是硬件与软件系统相结合的产物。一个完整的采集系统包括传感器，信号调理电路，数据采集和分析软件等。硬件系统主要由传感器，信号预处理电路，数据采集卡与计算机组成。其原理如图1所示。
针对声发射信号的特征，其频率主要集中在
100~400khz，中心频率在100~200khz，本系统选用的传感器为国产北京鹏翔科技有限公司的pxr15的谐振式传感器，其采用日本富士pzt敏感元件，在灵敏度、一致性、温度稳定性方面具有较好的性能，它的性能指标为中心频率150khz，带宽100~400khz，灵敏度65db，这对于声发射信号十分适用。
在实际的测量中，采集到的信号对于信号采集卡的输入有一定的要求，传感器具有较高的容抗和阻抗，其输出的声发射信号十分微弱，如果经过长电缆输送会导致信噪比很低。传感器在接受信号的同时也接收到噪音，这些噪音对信号分析有一定的
影响，因此需要利用处理电路对这些信号进行滤波，剔除一些没用的信号。针对该系统，为了提高信
噪比，对一部分干扰信号进行过滤，因此其中一个
声道的信号调理电路如图2所示。
通过信号调理后，就可以与数据采集卡进行连
接，数据采集卡是硬件系统的核心，其性能对数据采集的速度和精度都能直接的影响。系统所选用的
信号采集卡为ni公司的pci-6251数据采集卡，nipci-6251是一款高速m系列多功能daq板卡，在
高采样率下也能保持高精度。它在多通道采集时能
达到1ms/s，具有16路模拟输入，16位分辨率，2路模拟输出，更新速率为2.8ms/s，8路高速可达
10mhz，由于钢制气瓶的声发射频率主要集中在
100~400khz之间，因此该数据卡可以达到采集的
效果。
软件使计算机与信号采集硬件形成一个完整的信号采集、分析与显示系统。labview是一个高性能的上层软件开发程序应用平台，它自身所带的驱动程序可以对硬件系统各个参数进行相关的设置，
并按设置好的参数对信号进行采集。
3 软件系统
测试仪器由信号采集、信号分析处理与回放显示3部分组成，其中软件系统包括信号分析处理与
回放显示。其主要的功能就是把输入计算机中的信
号信息进行储存，以便后期处理信号方便调用，再一个就是对信号用labview中提供的程序进行相关方面的分析，并显示出来，从信号信息中发现并得到有用的信息。
3.1信号采集与储存
数据采集在整个系统中占有很重要的地位，直接决定信号分析的准确性，在该步骤中主要是对采
集设备中的采集参数进行设置，包括通道的选择，
采样频率以及每通道的采样数等，采样频率过高或者过低都会对信号采集产生一定的负面影响，为了
防止这些负面影响的产生，根据乃奎斯特定理，最
低采样频率必须是信号频率的2倍，经过大量实验验证，采样频率一般设置为输入信号频率的7~
10倍，在此情况下，就可以正确的还原波形，得到理想的波形。
在信号采集的过程中，每采集一次数据都要经
过数据分析显示之后才能再次进行采集，这样会导致时间延迟从而影响数据采集的周期。因此本系统
采用多线程的方式实现信号采集与分析，即采用
labview队列状态机的方式进行采集，状态机由一个while和case系统组成，状态的变换通过移位寄存器的跳转来实现，while系统实现对信号的连续采集，而case系统则实现不同状态下进行不同操作，case结构的分支与状态一一对应，其内部程序为该
进行排队，把状态的名字存在队列中，通过调用队
列中状态的名字进行状态的跳转，调用后的名字利用dequeueelementvi程序从队列中删除，根据需要新的状态
名字又会被加入到队列中。这样一个循环系统可以不断的进行数据采集将采集到的信息放入队列中，另一个循环系统则不断的从队列中读取信息对数据进行处理，2个系统实现通信的互用，且互不影响。
图3队列状态机示意图
在图3中，最上面的一个循环为程序的控制指令，将所需的状态名添加到队列中，在下面的循环
的case中为各个状态所要执行的任务的程序，并通过enum来实现与下一个状态的连接，
初始化为在case编程中所需要数据传送的接口，将其整体绑定在一个簇中，并通过bundle相关指令来实现数据的
交换与更改。
case中所针对的状态为创建任务、数据采集、数据显示与处理状态。通过创建任务实现对信号的输入，再经过数据采集实现对信号的读取，最后再数据显示与处理完成信号的显示和相关的处理。
采用如上所述的方法对声发射信号进行采集，其中声道为2声道，每个声道的采样数为1000，由于
钢制气瓶的声发射频率主要集中在100~400khz，所示。
图4采集到的信号
从上图中可以清晰地观察到2个声道形成的声发射信号，此信号的特征符合声发射信号突发性
信号的特征。
在采集的过程中经常会遇到信号采集的速度
高于信号硬盘读取的速度，因此造成信号的丢失，
为了实时地高速采集信号并进行储存，本系统采用双缓存储，即开辟2个缓存空间，一个作为循环缓存，一个作为转移缓存，当循环缓存存储到一半时，数据被拷贝到转移缓存，当循环缓存存满时，
则新数据将旧数据覆盖，如此循环进行存储，为了保证
plot((0:nfft/2-1)/nfft*fs,y(1:nfft/2));xlabel(‘频率f/hz’);ylabel(‘功率谱p/w’);
prompt
chooseafilenameandlocation
*.tdmsopen(read-only)
数据能够完好的被存储，转移缓存的大小要比循环缓存的空间的一半大一些，其中循环缓存区的大小至少为扫面率的2倍，10倍的。本系统在vc状态下对存储程序进行编程，并生成dll，然后通过labview中
的calllibraryfunctionnode模块调用来实现双缓存存储的功能，其中所需程序还应调用数据采集函数库中的nidaq32.lib和nidex32.lib。
信号采集的数据量较大，因此采用tdms格式对数据进行保存，并对信号进行描述属性的添加，有利于数据的查询和管理，由于该数据的储存格式
是二进制的，因此速度很快，很适合采集高速的数
据。
信号以tdms的格式进行储存，因此信号回放的时候需要对tdms文件操作函数进行编程，从中读取数据。
3.2 信号分析与处理
信号分析与处理是一个的步骤，它的主要目的就是从被测对象的信号特征中找出有用
的信息，labview软件为信号的分析与处理提供了强大的信号处理包，如小波分析，时频分析，时间序
列分析等等，极大地方便了测试人员的编程操作。
频谱分析是一种分析信号的传统方法，其原理
y=abs(fft(x,nfft));
plot((0:nfft/2-1)/nfft*fs,y(1:nfft/2));xlabel(‘频率f/hz’);ylabel(‘功率谱p/w’);
是利用傅立叶变换将信号在频域范围内加以分析，
并在其中研究信号的各种特征，找出有用的信息，
它是数字信号处理中常用的、重要的方法之一，
labview在其中提供了丰富的频谱分析程序，以便针对不同的情况对信号进行频域上的分析。lab-view虽然功能很强大，但是仍然会有一些
功能无法实现，为了弥补不足，其提供了强大的外部程序接口来充分利用其他变成软件的优势，如matlab接口，本系统利用matlab接口进行编程对信号进行功率谱分析，其程序如图5所示。
matlab编程如下所示:
功率谱如图6所示。
图6功率谱分析
在图6中可以明显的看出声发射信号在频率范围内的幅值特征。
由于各种环境问题的存在，采集的信号中掺杂着很多干扰信号，这些信号的存在对信号分析提供了种种困难，导致不能准确找出信号的真正特征。
其中小波分析就是一种有效地除噪方法，其主要原
理是选定一种小波，对信号进行n层小波分析，然后对分解得到的各层系数选择一个阀值，对细节系数进行软阀值处理，降噪处理后的系数通过小波重建恢复原始信号。小波基的选择应满足小事距，紧支性，对称性，正则性几个特征，因此选用symlers小波对其进行分析，分解尺度根据采用频率的大小确定为7，在matlab接口条件下对其中一个声道的信号进行小波分析，其结果如图7所示。
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墙面渗水是为什么，又有哪些原因？
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关键词：labview；信号采集；信号分析处理
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0 引言
声发射检测的方法可对cng钢瓶进行检测，采集分析与处理信号，及时发现缺陷，避免事故产生。
因此声发射信号的采集分析与处理就成为一个重
点，利用虚拟仪器labview和高速的数据采集卡可很好的实现对声发射信号的采集、分析与处理，
并及时为钢瓶的状态做出评价提供依据，减少事故发生的可能性。
1声发射检测
声发射检测是一种动态无损检测方法，它可以利用材料内部缺陷的存在所引起的声反应的变化
对材料内部的缺陷进行检测，并对缺陷的状态做出判断和评价。对于cng气瓶而言，气瓶本身或内部
的缺陷在加压时如果产生变形或有缺陷扩展，在此过程中产生的应力应变能就会以弹性波形式释放
出来，此弹性波就是声发射信号，这些信号均来自钢瓶的缺陷，对这些信号进行采集分析与处理就
可以实现对钢瓶状态的评估。
2系统总体设计
信号采集是利用传感器等设备从被测单元中自动采集信息的过程 它是硬件与软件系统相结合的产物。一个完整的采集系统包括传感器，信号调理电路，数据采集和分析软件等。硬件系统主要由传感器，信号预处理电路，数据采集卡与计算机组成。其原理如图1所示。
针对声发射信号的特征，其频率主要集中在
100~400khz，中心频率在100~200khz，本系统选用的传感器为国产北京鹏翔科技有限公司的pxr15的谐振式传感器，其采用日本富士pzt敏感元件，在灵敏度、一致性、温度稳定性方面具有较好的性能，它的性能指标为中心频率150khz，带宽100~400khz，灵敏度65db，这对于声发射信号十分适用。
在实际的测量中，采集到的信号对于信号采集卡的输入有一定的要求，传感器具有较高的容抗和阻抗，其输出的声发射信号十分微弱，如果经过长电缆输送会导致信噪比很低。传感器在接受信号的同时也接收到噪音，这些噪音对信号分析有一定的
影响，因此需要利用处理电路对这些信号进行滤波，剔除一些没用的信号。针对该系统，为了提高信
噪比，对一部分干扰信号进行过滤，因此其中一个
声道的信号调理电路如图2所示。
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接，数据采集卡是硬件系统的核心，其性能对数据采集的速度和精度都能直接的影响。系统所选用的
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高采样率下也能保持高精度。它在多通道采集时能
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100~400khz之间，因此该数据卡可以达到采集的
效果。
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并按设置好的参数对信号进行采集。
3 软件系统
测试仪器由信号采集、信号分析处理与回放显示3部分组成，其中软件系统包括信号分析处理与
回放显示。其主要的功能就是把输入计算机中的信
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3.1信号采集与储存
数据采集在整个系统中占有很重要的地位，直接决定信号分析的准确性，在该步骤中主要是对采
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采样频率以及每通道的采样数等，采样频率过高或者过低都会对信号采集产生一定的负面影响，为了
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在信号采集的过程中，每采集一次数据都要经
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从上图中可以清晰地观察到2个声道形成的声发射信号，此信号的特征符合声发射信号突发性
信号的特征。
在采集的过程中经常会遇到信号采集的速度
高于信号硬盘读取的速度，因此造成信号的丢失，
为了实时地高速采集信号并进行储存，本系统采用双缓存储，即开辟2个缓存空间，一个作为循环缓存，一个作为转移缓存，当循环缓存存储到一半时，数据被拷贝到转移缓存，当循环缓存存满时，
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3.2 信号分析与处理
信号分析与处理是一个的步骤，它的主要目的就是从被测对象的信号特征中找出有用
的信息，labview软件为信号的分析与处理提供了强大的信号处理包，如小波分析，时频分析，时间序
列分析等等，极大地方便了测试人员的编程操作。
频谱分析是一种分析信号的传统方法，其原理
y=abs(fft(x,nfft));
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