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基于声发射的多通道脆性材料破裂在线监测系统研究与设计

作　者: 李亚敏
导　师: 叶敦范
学　校: 中国地质大学
专　业: 信息与通信工程
关键词: 声发射脆性材料在线监测数据采集
分类号: TP274
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

脆性材料因具有良好的物理化学特性,而被广泛的应用在地质勘探、石油钻井、冶金机械、工业化工,乃至航空航天、生物医学、微电子等高新科技领域,特别是在极端环境下的应用具有不可替代性。在脆性材料内部微裂纹产生、裂纹扩展、断裂发展的过程中,都会伴随有声发射现象。因此,声发射无损检测技术是研究脆性材料断裂演化过程的有力工具。本课题来源于国家自然科学基金科学仪器基础研究专款专项基金项目《5GPa高温高压流变仪技术研究和仪器研制》。5GPa高温高压流变仪是一种由机械系统、液压系统、加热系统、电子集成测控系统有机耦合而成的高精度的精密地学仪器,其内部高压容腔、压力变形杆均采用脆性材料超高强度碳化钨定制而成。长期工作在超高压高温环境下,容易出现容腔破裂、压杆崩裂等实验事故,不仅对实验结果产生影响,还有可能危及实验工作人员的生命安全。因此,本文提出了利用声发射无损检测技术,在流变仪高温高压实验过程中连续采集设备各部分工况,实现基于实时监测的智能损伤诊断系统,具有重大意义和实际应用前景。通过采集流变仪碳化钨压力杆和压力容腔的声发射信号,剔除噪声和其它信号,提取出所需要的脆性材料碳化钨的裂纹产生的声发射信号的特征,并进行深入的特征分析,掌握材料损伤破裂的发展阶段、原因及相应的表现特征。能够及时发现高压容腔和压力杆材料内部的微小裂纹,是防止恶性实验事故的发生的有效途径,为流变仪的系统维护、维修以及潜在故障的判断提供依据,并逐步缩小我国高温高压流变学与其他发达国家之间的差距。本文在对国内外现有声发射采集系统性能参数、价格等对比的基础上,结合本课题的功能需求及嵌入式处理器的优点,设计开发了一种基于声发射的多通道脆性材料破裂嵌入式在线监测系统,用于5GPa高温高压流变仪实验实时工况检测。本系统设计采用模块化设计思想,硬件部分主要由声发射传感器、前置放大器、声发射数据采集卡和通信模块组成。其中,声发射数据采集卡是整个设计的核心,主要包括主控模块、信号调理模块、A/D转换模块、存储模块、485通信模块、报警模块、参数设置模块以及电源模块。软件部分主要包括下位机程序设计、上位机接口程序设计及PC端数据处理程序设计。声发射传感器采用PXR系列谐振式高灵敏度传感器,用来采集脆性材料崩裂产生的声发射信号。前置放大模块设计选用凌特公司LTC6241双路低噪声、轨至轨CMOS运算放大器芯片,设计单电源电平抬升放大电路,放大增益为20dB。声发射数据采集卡主控模块采用Cortex-M3内核的高性能ARM芯片的STM32F103VET作为核心处理器,实现系统的智能控制；信号调理模块采用两片双通道低噪声、轨至轨运算放大器LTC6241,实现信号的二阶带通滤波和交流放大；A/D转换模块采用STM32内部自带的A/D,并设计采用LTC6702快速、微功率比较器进行比较触发A/D采样,避免数据量过大消耗控制器资源；数据存储模块采用SD卡存储形式,实现采样数据的自动存储；通信模块采用485总线通信方式,采用ADI公司的ADM2483隔离型半双工RS485收发器,实现多通道声发射数据的回传；报警模块采用声光提示报警；参数设置模块采用8位拨码开关,用来对声发射信号触发阀值进行设置；电源模块采用+12V直流供电,采用MORSUN公司的宽电压输入DC-DC隔离电源模块VFB1205₆W稳定输出+5V电压,采用高性能的集成稳压器AMS1117-3.3和超低噪声、低压降线性稳压器TPSA4901实现+3.3V电压输出,分别为系统数字部分和模拟电路供电,实现整个系统所需的安全、稳定电源。上位机接口的主要功能是与下位机进行485总线通信,接收声发射数据采集卡回传的声发射数据并存储在本地硬盘,同时可以通过上位机查询各个采集通道的工作情况。PC端数据处理主要包括进行声发射信号恢复、时域分析、频域分析、能量谱分析、小波去噪等,实现声发射信号的识别和特征提取。系统硬件开发平台选用Altium Designer Summer09和PSpice软件,完成系统硬件原理图、PCB印制电路板的设计和模拟电路的硬件仿真。下位机软件设计采用IAR Systems公司的IAR Embedded Workbench for ARM （EWARM）集成开发环境。上位机设计采用的平台是Microsoft Visual Studio2010,实现上位机接口设计。PC端数据处理采用MATLAB软件。通过对各个模块的调试、整机软硬件调试以及碳化钨压力锤高压破裂实验测试和数据分析,系统能够达到性能参数要求和预期设计目标,并且工作稳定、性能良好,验证了整体方案的合理性,实现了系统设计的初步目标。

全文目录

作者简介  7-9
摘要  9-11
ABSTRACT  11-16
第一章绪论  16-23
  §1.1 课题来源及研究意义  16-17
  §1.2 本课题的国内外研究现状  17-21
    1.2.1 国外研究现状  18-19
    1.2.2 国内研究现状  19-21
  §1.3 研究的主要内容及论文结构  21-23
    1.3.1 本课题研究的主要内容  21
    1.3.2 本课题研究的创新点  21
    1.3.3 论文结构安排  21-23
第二章声发射技术与系统总体方案设计  23-31
  §2.1 声发射技术  23-28
    2.1.1 声发射的基本原理  23-24
    2.1.2 声发射技术的特点  24-25
    2.1.3 脆性材料高压破裂声发射信号的特征  25-26
    2.1.4 声发射系统的构成  26-28
  §2.2 多通道声发射信号实时监测系统总体设计  28-31
    2.2.1 总体要求分析  28-29
    2.2.2 总体方案设计  29-31
第三章系统硬件设计  31-48
  §3.1 声发射传感器模块  31-33
  §3.2 前置放大器模块  33-34
  §3.3 声发射数据采集卡主控模块  34-36
    3.3.1 主控芯片的选择  34-35
    3.3.2 主控制器电路设计  35-36
  §3.4 声发射数据采集卡信号调理模块  36-42
    3.4.1 带通滤波电路设计  36-41
    3.4.2 单电源交流放大电路设计  41-42
  §3.5 声发射数据采集卡A/D转换模块  42
  §3.6 声发射数据采集卡数据存储模块  42-44
  §3.7 声发射数据采集卡485多机通信  44-46
  §3.8 声发射数据采集卡报警模块  46
  §3.9 声发射数据采集卡参数设置模块  46-47
  §3.10 声发射数据采集卡电源模块  47-48
第四章系统软件设计  48-64
  §4.1 系统主程序  48-49
  §4.2 系统初始化配置程序  49-52
    4.2.1 系统时钟、系统中断管理、通用I/O口配置  49-50
    4.2.2 ADC与DAC初始化配置子程序  50-51
    4.2.3 定时器TIM2和TIM3初始化配置子程序  51-52
    4.2.4 实时时钟RTC初始化配置子程序  52
  §4.3 SD卡存储和文件系统程序  52-53
  §4.4 定时器中断响应与数据处理程序  53-61
    4.4.1 TIM2中断响应子程序  53-54
    4.4.2 数据处理程序  54-60
    4.4.3 TIM3中断响应子程序  60-61
  §4.5 串口通信程序  61-62
  §4.6 上位机程序  62-64
第五章上位机MATLAB数据处理  64-72
  §5.1 声发射信号数据处理平台  64-65
  §5.2 信号时域与频域分析  65-67
  §5.3 能量谱分析  67-68
  §5.4 小波包分析  68-72
    5.4.1 小波包分析原理  68-69
    5.4.2 小波包能量法  69-70
    5.4.3 MATLAB软件设计  70-72
第六章系统调试与测试  72-81
  §6.1 系统调试  72-75
  §6.2 实验测试与数据分析  75-81
    6.2.1 实验平台  75-76
    6.2.2 实验结果与数据分析  76-81
第七章总结与展望  81-83
  §7.1 总结  81-82
  §7.2 展望  82-83
致谢  83-84
参考文献  84-86

基于声发射的多通道脆性材料破裂在线监测系统研究与设计

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