CN116626171A - 声发射信号检测系统及其方法、故障诊断设备 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种声发射信号检测系统及其方法、故障诊断设备。声发射信号检测系统包括声发射传感器阵列、信号分离电路、增益选择电路、模数转换电路及信号处理电路。声发射传感器阵列包括至少一个声发射传感器，声发射传感器用于获取声发射信号，将声发射信号转换为电信号并放大，分别通过第一增益输出端输出第一电信号，及通过第二增益输出端输出第二电信号。信号分离电路用于分离第一电信号。增益选择电路用于分别接收第一电信号和第二电信号，以选择第一电信号和第二电信号中的其中一者输出。模数转换电路用于将第一电信号或第二电信号的模拟量转换至数字量。信号处理电路用于接收并处理数字量的第一电信号和第二电信号。提高动态检测范围。

Description

声发射信号检测系统及其方法、故障诊断设备

技术领域

本申请涉及声发射技术领域，尤其涉及一种声发射信号检测系统及其方法、故障诊断设备。

背景技术

材料因内部应力集中快速释放能量产生瞬态弹性波的现象称为声发射，因此声发射检测可应用于研究材料应力变化、评估结构完整性等检测场景，是一种被动的无损检测手段，与其他无损检测方式相比声发射检测不需要外部激励，其能检测材料内部的早期损坏，对动态生长的缺陷非常敏感。相关技术中，在使用声发射技术对材料缺陷生长位置进行定位检测的过程中，其可检测的信号动态范围受限。

发明内容

本申请提供一种能提高信号动态检测范围的声发射信号检测系统及其方法、故障诊断设备。

本申请提供一种声发射信号检测系统，包括：

声发射传感器阵列，包括至少一个声发射传感器，所述声发射传感器包括第一增益输出端和第二增益输出端，所述声发射传感器用于获取声发射信号，将所述声发射信号转换为电信号并放大，分别通过所述第一增益输出端输出第一电信号，及通过所述第二增益输出端输出第二电信号；其中所述第一电信号的幅值小于所述第二电信号的幅值；

信号分离电路，通过所述第一增益输出端与所述声发射传感器连接；所述信号分离电路用于分离所述第一电信号并输出；

增益选择电路，与所述信号分离电路连接，且通过所述第二增益输出端与所述声发射传感器连接；所述增益选择电路用于分别接收所述第一电信号和所述第二电信号，以选择所述第一电信号和所述第二电信号中的其中一者输出；

模数转换电路，与所述增益选择电路连接；所述模数转换电路用于将所述第一电信号或所述第二电信号的模拟量转换至数字量并输出；及

信号处理电路，与所述模数转换电路连接，所述信号处理电路用于接收并处理数字量的所述第一电信号和所述第二电信号。

可选的，所述声发射传感器包括压电片、和所述压电片连接的第一级放大电路及与所述第一级放大电路连接的第二级放大电路，所述第一增益输出端与所述第一级放大电路连接，所述第二增益输出端与所述第二级放大电路连接；所述压电片用于获取所述声发射信号，并将所述声发射信号转换为电信号；所述第一级放大电路用于将转换的电信号放大并通过所述第一增益输出端输出所述第一电信号；所述第二级放大电路用于将所述第一电信号放大并通过所述第二增益输出端输出所述第二电信号。

可选的，所述声发射信号检测系统还包括电源电路；所述信号分离电路包括第一信号分离电路；所述声发射传感器还包括电源输入端，所述电源电路通过所述第一信号分离电路与所述电源输入端连接，所述第一信号分离电路用于分离所述电源电路的直流电源，并通过所述电源输入端给所述声发射传感器供电。

可选的，所述信号分离电路还包括第二信号分离电路，所述第一增益输出端通过所述第二信号分离电路与所述增益选择电路连接，所述第二信号分离电路用于获取所述第一电信号并输出至所述增益选择电路。

可选的，所述电源输入端与所述第一增益输出端复用于同一根线。

可选的，所述电源电路还分别与所述增益选择电路、所述模数转换电路及所述信号处理电路连接；所述电源电路用于分别给所述增益选择电路、所述模数转换电路及所述信号处理电路供电。

可选的，所述声发射传感器还包括滤波电路，与所述电源输入端、所述第一信号分离电路连接，所述滤波电路用于对所述电源电路的直流电源进行滤波。

可选的，所述信号处理电路包括控制器；所述增益选择电路包括切换开关，与所述控制器连接，所述控制器用于控制所述切换开关，以选择所述第一电信号和所述第二电信号中的其中一者输出。

可选的，所述信号处理电路还包括时钟电路，所述时钟电路用于产生时钟信号；所述信号分离电路包括第二信号分离电路；所述切换开关包括切换控制端、切换端、第一连接端和第二连接端，所述控制器与所述切换控制端连接，所述第一连接端通过所述第二信号分离电路与所述第一增益输出端连接，所述第二连接端与所述第二增益输出端连接，所述控制器用于在所述时钟信号的作用下控制所述切换控制端，使所述切换端在所述第一连接端和所述第二连接端之间交替切换，以选择所述第一电信号和所述第二电信号中的其中一者输出。

可选的，所述控制器用于在每个所述时钟信号的上升沿时控制所述切换控制端，使所述切换端切换至所述第一连接端，以选择所述第一电信号输入至所述模数转换电路；所述控制器用于在每个所述时钟信号的下降沿时控制所述切换控制端，使所述切换端切换至所述第二连接端选择所述第二电信号输入至所述模数转换电路。

可选的，所述控制器用于在每个所述时钟信号的上升沿时控制所述切换控制端，使所述切换端切换至所述第二连接端，以选择所述第二电信号输入至所述模数转换电路；所述控制器用于在每个所述时钟信号的下降沿时控制所述切换控制端，使所述切换端切换至所述第一连接端，以选择所述第一电信号输入至所述模数转换电路。

可选的，所述模数转换电路包括模数转换器，所述模数转换器包括多个数据通道；所述多个数据通道与所述多个声发射传感器一一对应设置。

可选的，所述声发射传感器阵列包括多个声发射传感器，所述多个声发射传感器独立且间隔设置。

可选的，所述信号处理电路还包括时钟电路，所述时钟电路用于产生时钟信号；所述模数转换电路包括模数转换器，所述模数转换器包括多个数据通道；所述模数转换器的所述多个数据通道在所述时钟信号的作用下对所述多个声发射传感器进行同步采样。

本申请还提供一种故障诊断设备，包括如上述实施例中任一项所述的声发射信号检测系统。

本申请还提供一种声发射信号检测方法，应用于如上述实施例中任一项所述的声发射信号检测系统，所述声发射信号检测方法包括：

通过声发射传感器阵列的至少一个声发射传感器获取声发射信号，将所述声发射信号转换为电信号并放大，并分别通过所述声发射传感器的第一增益输出端输出第一电信号，及通过所述声发射传感器的第二增益输出端输出第二电信号；其中所述第一电信号的幅值小于所述第二电信号的幅值；

通过信号分离电路分离所述第一电信号并输出；

通过增益选择电路接收所述第一电信号和所述第二电信号，以选择所述第一电信号和所述第二电信号中的其中一者输出；

通过模数转换电路将所述第一电信号或所述第二电信号的模拟量转换至数字量并输出；及

通过信号处理电路接收并处理数字量的所述第一电信号和所述第二电信号。

可选的，所述声发射传感器包括压电片、和所述压电片连接的第一级放大电路及与所述第一级放大电路连接的第二级放大电路，所述第一增益输出端与所述第一级放大电路连接，所述第二增益输出端与所述第二级放大电路连接；

所述通过声发射传感器阵列的至少一个声发射传感器获取声发射信号，将所述声发射信号转换为电信号并放大处理，分别通过所述声发射传感器的第一增益输出端输出第一电信号，及通过所述声发射传感器的第二增益输出端输出第二电信号，包括：

通过所述压电片获取所述声发射信号，并将所述声发射信号转换为电信号；

通过所述第一级放大电路将转换的电信号放大并通过所述第一增益输出端输出所述第一电信号；及

通过所述第二级放大电路用于将所述第一电信号放大并通过所述第二增益输出端输出所述第二电信号。

可选的，所述信号处理电路包括控制器；所述增益选择电路包括切换开关，与所述控制器连接；

所述通过增益选择电路接收所述第一电信号和所述第二电信号，并选择所述第一电信号和所述第二电信号中的其中一者输出，包括：

通过所述控制器控制所述切换开关，以选择所述第一电信号和所述第二电信号中的其中一者输出。

可选的，所述信号处理电路还包括时钟电路，所述时钟电路用于产生时钟信号；所述信号分离电路包括第二信号分离电路；所述切换开关包括切换控制端、切换端、第一连接端和第二连接端，所述控制器与所述切换控制端连接，所述第一连接端通过所述第二信号分离电路与所述第一增益输出端连接，所述第二连接端与所述第二增益输出端连接；

所述通过所述控制器控制所述切换开关，以选择所述第一电信号和所述第二电信号中的其中一者输出，包括：

通过所述控制器在所述时钟信号的作用下控制所述切换控制端，使所述切换端在所述第一连接端和所述第二连接端之间交替切换，以选择所述第一电信号和所述第二电信号中的其中一者输出。

本申请实施例的声发射信号检测系统及其方法、故障诊断设备。声发射信号检测系统的声发射传感器阵列中的声发射传感器分别通过第一增益输出端输出第一电信号及通过第二增益输出端输出第二电信号，以供增益选择电路灵活选择，以达到扩大声发射信号的动态检测范围的目的，检测场景适应性高。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。

图1所示为本申请的声发射信号检测系统的一个实施例的系统框图。

图2所示为图1所示的声发射信号检测系统的系统框图。

图3所示为图1所示的声发射信号检测系统的单增益工作模式的一个实施例的系统框图。

图4所示为图1所示的声发射信号检测系统的单增益工作模式的另一个实施例的系统框图。

图5所示为图3和图4所示的声发射信号检测系统在单增益工作模式下的切换开关的输入输出关系示意图。

图6所示为图1所示的声发射信号检测系统的双增益工作模式的一个实施例的系统框图。

图7所示为图6所示的声发射信号检测系统在双增益工作模式下的切换开关输入输出关系示意图。

图8所示为本申请的声发射信号检测方法的一个实施例的步骤流程图。

图9所示为图8所示的声发射信号检测方法的步骤S1的步骤流程图。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。

在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。除非另作定义，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本申请所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”或者“一”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“多个”或者“若干”表示两个及两个以上。除非另行指出，“前部”、“后部”、“下部”和/或“上部”等类似词语只是为了便于说明，而并非限于一个位置或者一种空间定向。“包括”或者“包含”等类似词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的元件或者物件及其等同，并不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而且可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。

在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

本申请提供一种声发射信号检测系统及其方法、故障诊断设备。声发射信号检测系统包括声发射传感器阵列、信号分离电路、增益选择电路、模数转换电路及信号处理电路。声发射传感器阵列包括至少一个声发射传感器，声发射传感器包括第一增益输出端和第二增益输出端，声发射传感器用于获取声发射信号，将声发射信号转换为电信号并放大，分别通过第一增益输出端输出第一电信号，及通过第二增益输出端输出第二电信号。其中第一电信号的幅值小于第二电信号的幅值。信号分离电路通过第一增益输出端与声发射传感器连接。信号分离电路用于分离第一电信号并输出。增益选择电路与信号分离电路连接，且通过第二增益输出端与声发射传感器连接。增益选择电路用于分别接收第一电信号和第二电信号，以选择第一电信号和第二电信号中的其中一者输出。模数转换电路用于将第一电信号或第二电信号的模拟量转换至数字量并输出。信号处理电路与模数转换电路连接，信号处理电路用于接收并处理数字量的第一电信号和第二电信号。

本申请实施例的声发射信号检测系统及其方法、故障诊断设备。声发射信号检测系统的声发射传感器阵列中的声发射传感器分别通过第一增益输出端输出第一电信号及通过第二增益输出端输出第二电信号，以供增益选择电路灵活选择，以达到扩大声发射信号的动态检测范围的目的，检测场景适应性高。

下面结合附图，对本申请的声发射信号检测系统及其方法、故障诊断设备进行详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施方式中的特征可以相互组合。

图1所示为本申请的声发射信号检测系统1的一个实施例的系统框图。如图1所示，声发射信号检测系统1包括声发射传感器阵列11、信号分离电路12、增益选择电路13、模数转换电路14及信号处理电路15。声发射传感器阵列11包括至少一个声发射传感器111。声发射传感器阵列11包括一个或一个以上声发射传感器111。声发射传感器111包括第一增益输出端112和第二增益输出端113。第一增益输出端112和第二增益输出端113独立设置。第一增益输出端112可以是低增益输出端。第二增益输出端113可以是高增益输出端。信号分离电路12通过第一增益输出端112与声发射传感器111连接。增益选择电路13与信号分离电路12连接，且通过第二增益输出端113与声发射传感器111连接。模数转换电路14与增益选择电路13连接。信号处理电路15与模数转换电路14连接。在本实施例中，声发射传感器111通过两路增益输出端分别与信号分离电路12、增益选择电路13连接。声发射传感器111用于获取声发射信号，将声发射信号转换为电信号并放大，分别通过第一增益输出端112输出第一电信号，及通过第二增益输出端113输出第二电信号。信号分离电路12用于分离第一电信号并输出。增益选择电路13用于分别接收第一电信号和第二电信号，以选择第一电信号和第二电信号中的其中一者输出。模数转换电路14用于将第一电信号或第二电信号的模拟量转换至数字量并输出。信号处理电路15用于接收并处理数字量的第一电信号和第二电信号。其中第一电信号的幅值小于第二电信号的幅值。

本申请实施例的声发射信号检测系统1，声发射传感器阵列11的声发射传感器111分别通过第一增益输出端112输出第一电信号及通过第二增益输出端113输出第二电信号，以根据实际需求供增益选择电路13灵活选择，以达到扩大声发射信号动态监测范围的目的，检测场景适应性高。

在图1所示的实施例中，声发射传感器阵列11包括多个声发射传感器111。多个声发射传感器111独立且间隔设置。多个声发射传感器111独立设置，可以根据具体应用场景进行检测点的自由部署，从而实现同时检测多个检测点的声发射信号，检测到的声发射信号准确度高，且可利用多点检测实现故障定位。

在图1所示的实施例中，声发射信号检测系统1还包括电源电路16。电源电路16还分别与信号分离电路12、增益选择电路13、模数转换电路14及信号处理电路15连接。在本实施例中，声发射传感器111通过信号分离电路12与电源电路16连接。电源电路16用于分别给增益选择电路13、模数转换电路14及信号处理电路15供电。且通过信号分离电路12给声发射传感器111供电。在图1所示的实施例中，声发射传感器111还包括电源输入端114，电源电路16经过信号分离电路12通过电源输入端114给声发射传感器111供电。

图2所示为图1所示的声发射信号检测系统1的系统框图。结合图1至图2所示，声发射传感器111包括压电片115、和压电片115连接的第一级放大电路116及与第一级放大电路116连接的第二级放大电路117。第一增益输出端112与第一级放大电路116连接，第二增益输出端113与第二级放大电路117连接。压电片115用于获取声发射信号，并将声发射信号转换为电信号。第一级放大电路116用于将转换的电信号放大并通过第一增益输出端112输出第一电信号。第二级放大电路117用于将第一电信号放大并通过第二增益输出端113输出第二电信号。本实施例中，声发射传感器111内集成有压电片115、第一级放大电路116及第二级放大电路117，压电片115可以将极其微弱的机械振动转换成电信号，第一级放大电路116可以将微弱的电信号进行放大，输出第一电信号，第二级放大电路117可以将第一级放大电路116放大后的第一电信号进一步放大，输出第二电信号，其输出的第二电信号的幅值大于第一电信号的幅值。本实施例通过第一级放大电路116和第二级放大电路117的两级放大后的声发射信号经增益选择电路13后进行档位选择，增益选择电路13的输出信号输出至模数转换电路14，模数转换电路14完成声发射信号从模拟量至数字量的转换，最终将数字量传输至信号处理电路进行信号处理。如此设置，声发射传感器阵列11中的声发射传感器111分别通过第一级放大电路116和第二级放大电路117放大不同倍数的声发射信号，以分别通过第一增益输出端112输出第一电信号及通过第二增益输出端113输出第二电信号，以供增益选择电路13灵活增益选择，以达到扩大声发射信号动态监测范围的目的，从而扩大声发射信号的动态监测范围，提高检测场景适应性。

在图2所示的实施例中，信号分离电路12包括第一信号分离电路121和第二信号分离电路122。在图2所示的实施例中，电源电路16通过第一信号分离电路121与电源输入端114连接。第一增益输出端112通过第二信号分离电路122与增益选择电路13连接。第一信号分离电路121用于分离电源电路16的直流电源，并通过电源输入端114给声发射传感器111供电。第二信号分离电路122用于获取第一电信号并输出至增益选择电路13。在本实施例中，第一信号分离电路121可以是低通电路。第二信号分离电路122可以是高通电路。低通电路用于分离直流电源对声发射传感器111的内部电路供电。高通电路用于提取声发射传感器111检测到的声发射信号经第一级放大电路116的交流信号输出至增益选择电路13。如此设置，第一信号分离电路121不仅起到分离电源电路16的直流电源的作用，还可以起到隔离声发射信号的作用。第二信号分离电路122起到分离第一电信号的作用。

在图2所示的实施例中，电源输入端114与第一增益输出端112复用于同一根线。在本实施例中，电源输入端114和第一增益输出端112复用于同一根幻象线，并通过该幻象线连接至增益选择电路13。在此过程中，该幻象线既可以输送电源信号，也可以输送声发射电信号。通过复用同一根线，集成度高，且减少布线，结构紧凑。在本实施例中，第二增益输出端113独立一根线与增益选择电路13连接。

在图2所示的实施例中，声发射传感器111还包括滤波电路118，与电源输入端114、第一信号分离电路121连接，滤波电路118用于对电源电路16的直流电源进行滤波。在本实施例中，滤波电路118可以是低通滤波电路。低通滤波电路不仅可对外部输入的直流电源进行低通滤波，还可以隔离第一级放大电路116输出的交流耦合过去的第一电信号，隔离效果好。

在图2所示的实施例中，信号处理电路15包括控制器151。控制器151可以为FPGA（Field Programmable Gate Array，现场可编程门阵列）控制器。增益选择电路13包括切换开关131，与控制器151连接。该切换开关131可以是模拟开关。控制器151用于控制切换开关131，以选择第一电信号和第二电信号中的其中一者输出。通过控制器151控制切换开关，灵活选择不同的增益输出端，以实现高、低档增益的声发射信号的切换，从而选择第一电信号或第二电信号输出，如此适用于动态范围较大的声发射信号检测，可实现较大的空间定位检测范围。在图2所示的实施例中，切换开关131为单刀双掷开关。本实施例中，单刀双掷开关为单刀双掷模拟开关，可以分时复用，带宽较大，且结构简单。在其他一些实施例中，切换开关131可以是继电器，在本申请中不作限定。

在图2所示的实施例中，切换开关131包括切换端132、第一连接端133、第二连接端134及切换控制端135。该切换端132为活动端，控制器151与切换控制端135连接，第一连接端133通过第二信号分离电路122与第一增益输出端112连接，第二连接端134与第二增益输出端113连接。控制器151用于控制切换开关131的切换控制端135，以选择切换端132切换至第一连接端133或第二连接端134，使第一电信号和第二电信号中的其中一者输出。如此设置，可以根据实际需求，控制器151通过控制切换开关131的切换控制端135，以选择切换端132切换至第一连接端133或第二连接端134，从而选择输出第一电信号或第二电信号，切换灵活，使用范围广。

图3所示为图1所示的声发射信号检测系统1的单增益工作模式的一个实施例的系统框图。图4所示为图1所示的声发射信号检测系统1的单增益工作模式的另一个实施例的系统框图。图5所示为图3和图4所示的声发射信号检测系统1在单增益工作模式下的切换开关的输入输出关系示意图。在图1至图5所示的实施例中，声发射信号检测系统1设置高增益档为低增益档的5倍。控制器151控制切换开关131的切换端132切换至第二连接端134，使第二电信号120B（如图5所示）通过第二增益输出端113输出，开始工作在高增益工作模式下。当监控到高增益模式下的信号输出削峰后，控制器151控制切换开关131的切换端132切换至第一连接端133，从高增益工作模式切换为低增益工作模式，使第一电信号120A（如图5所示）通过第一增益输出端112输出，如此获取完整的信号波形120C。本实施例可根据检测需求，固定选择低增益档或高增益档其中之一，此时控制器151不需要控制切换开关131做高速切换，只需要根据检测需求切换至指定增益档位，如此能够根据实际应用场景灵活配置两种不同的增益工作模式，使用场景广。

在声发射信号实时监测的应用中，由于高增益档的检测灵敏度高，因此在前期实时监测中可以配置为高增益档工作模式，以监测缺陷生长的有无，然后在缺陷不断生长的过程中，随着信号的增强，由于高增益的限幅输出会造成信号削峰，导致信号波形不完整，便可切换至低增益档工作模式进行信号的实时监测。

图6所示为图1所示的声发射信号检测系统1的双增益工作模式的一个实施例的系统框图。图7所示为图6所示的声发射信号检测系统1在双增益工作模式下的切换开关输入输出关系示意图。在图1至图2、图6至图7所示的实施例中，信号处理电路15还包括时钟电路，时钟电路用于产生时钟信号CLK。控制器151用于在时钟信号CLK的作用下控制切换控制端135，使切换端132在第一连接端133和第二连接端134之间交替切换，以选择第一电信号和第二电信号中的其中一者输出。在本实施例中，控制器151用于在时钟信号CLK的作用下控制切换控制端135，使在一个时钟信号周期内，切换端132在第一连接端133和第二连接端134之间交替切换，以使在一个时钟周期内，不仅可以输出第一电信号，也可以输出第二电信号。通过控制器151控制切换控制端135，使切换端132在第一连接端133和第二连接端134之间交替切换，不仅可以选择实现不同的增益档位的切换，还可以通过控制其切换控制端135的切换节奏使增益选择电路13工作在不同的工作模式，从而解决工作模式单一的问题。

在图6所示的实施例中，控制器151用于在每个时钟信号的上升沿时控制切换控制端135，使切换端132切换至第一连接端133，以选择第一电信号输入至模数转换电路14。在一些实施例中，控制器151用于在每个时钟信号的下降沿时控制切换控制端135，使切换端132切换至第二连接端134选择第二电信号输入至模数转换电路14。在本实施例中，控制器151在每个时钟信号的上升沿时控制切换控制端135，使切换端132切换至第一连接端133，以选择第一电信号130A（如图7所示）通过第一增益输出端112输出。在本实施例中，控制器151在每个时钟信号的下降沿时控制切换控制端135，使切换端132切换至第二连接端134，以选择第二电信号130B通过第二增益输出端113输出。在多个时钟信号的周期后，获取完整的信号波形130C。在其他一些实施例中，控制器151用于在每个时钟信号的上升沿时控制切换控制端135，使切换端132切换至第二连接端134选择第二电信号输入至模数转换电路14。控制器151用于在每个时钟信号的下升沿时控制切换控制端135，使切换端132切换至第一连接端133，以选择第一电信号输入至模数转换电路14。在本申请中不作限定。如此设置，声发射信号检测系统1的增益选择受控于控制器151，增益选择灵活。

在图6所示的实施例中，控制器151在与时钟信号CLK的频率一致的作用下控制切换开关131的切换控制端135，使切换端132选择切换至第一连接端133或第二连接端134，以进行增益档位的高速切换，实现对两个增益档的声发射信号的采集。在维持各增益档位的采样率与单增益工作模式下的采样率相同的情况下，双增益工作模式的模数转换数据量为单增益工作模式下的两倍。在图7所示的实施例中，控制器151通过控制切换开关131的切换端132在第一连接端133和第二连接端134之间切换，同时获取高低增益档两个档位的波形信号。本实施例在操作过程中，可以根据声发射信号检测系统的具体应用场景，选择合适的工作模式，进而灵活适配不同的声发射检测场景，拥有更大的动态信号检测范围，对于发生缺陷生长的位置的空间定位能力更强。

本实施例通过在声发射传感器111内设置两级放大电路，以及与控制器151控制切换开关131的切换端132在第一连接端133或第二连接端134之间交替切换，不仅可以根据声发射信号的变化区间设定不同的增益值，而且可以根据缺陷生长的空间定位范围灵活配置增益选择模块的工作模式，进而提高应用范围和检测场景适应性，提升系统对缺陷生长的定位能力，拓展检测系统的适配场景多样性及提升空间检测位置覆盖率。声发射信号检测系统1作为一种被动的无损检测系统，可应用于材料前期损伤生长的位置定位阶段，该方法低成本、易实现、且探测灵敏。

在图1至图2所示的实施例中，模数转换电路14包括模数转换器141，模数转换器141包括多个数据通道。多个数据通道与多个声发射传感器111一一对应设置。在图1所示的实施例中，模数转换器141的多个数据通道在时钟信号的作用下对多个声发射传感器111进行同步采样。模数转换电路14为实现声发射信号的量化，进而方便后级做数字信号处理，其数据通道的数量与声发射传感器的数量对应，且各通道间为同步采样，保证对声发射传感器阵列11的各个声发射传感器111间的相位分析的数据可靠性。模数转换电路14在增益选择电路13不同的工作模式下，其采样率不同，在双增益工作模式下，模数转换电路14的各通道采样率为在单增益工作模式下的两倍，以此保障各通道在各增益下的数据长度的一致性，模数转换电路14的量化数据传输至信号处理电路15。信号处理电路15主要为对经模数转换电路14得到的各通道的量化数据进行处理、整合、分析。

本申请还提供一种故障诊断设备，包括如上述图1至图7实施例所示的声发射信号检测系统1。在工业生产和制造领域，大型装备的故障和损坏可能会导致生产中断、成本上升和安全隐患等严重问题。因此，对这些装备进行预测性维护和健康管理至关重要，基于声源信号的大型装备故障预测系统成为一种有效的解决方案。本申请利用设备损坏时产生的声发射信号作为故障预测和健康管理的依据，因大型装备在损坏时产生的声发射信号动态范围大，普通的声发射探头以及信号采集装置若要准确地定位出故障发生位置，需要布置足够多数量的声发射探头以实现声发射信号检测。本实施例通过声发射传感器111内置的两级放大电路以扩大动态检测范围，实现覆盖远距离探头间的信号检测。本实施例的故障诊断设备可用于轨道交通、石化能源、风力发电、航空航天等领域的大型装备，实现对其发动机、电机、风电叶片、阀门等关键易损部件实时健康监测、故障诊断，为大型装备的运营和维护决策提供关键指导，从而提高设备可用性与安全性，并降低维护成本。

图8所示为图1所示的声发射信号检测方法的一个实施例的步骤流程图。声发射信号检测方法应用于图1至图7实施例所示的声发射信号检测系统1。结合图1至图8所示，声发射信号检测方法包括步骤S1至步骤S5。其中，

步骤S1、通过声发射传感器阵列11的至少一个声发射传感器111获取声发射信号，将声发射信号转换为电信号并放大，并分别通过声发射传感器111的第一增益输出端112输出第一电信号，及通过声发射传感器111的第二增益输出端113输出第二电信号；其中第一电信号的幅值小于第二电信号的幅值。步骤S2、通过信号分离电路12分离第一电信号并输出。步骤S3、通过增益选择电路13接收第一电信号和第二电信号，以选择第一电信号和第二电信号中的其中一者输出。步骤S4、通过模数转换电路14将第一电信号或第二电信号的模拟量转换至数字量并输出。步骤S5、通过信号处理电路15接收并处理数字量的第一电信号和第二电信号。

在本实施例中，声发射传感器111通过两路增益输出端分别与信号分离电路12、增益选择电路13连接。声发射传感器111用于获取声发射信号，将声发射信号转换为电信号并放大，分别通过第一增益输出端112输出第一电信号，及通过第二增益输出端113输出第二电信号。信号分离电路12用于分离第一电信号并输出。增益选择电路13用于分别接收第一电信号和第二电信号，以选择第一电信号和第二电信号中的其中一者输出。模数转换电路14用于将第一电信号或第二电信号的模拟量转换至数字量并输出。信号处理电路15用于接收并处理数字量的第一电信号和第二电信号。其中第一电信号的幅值小于第二电信号的幅值。

本申请实施例的声发射信号检测方法，通过声发射传感器阵列11的声发射传感器111通过第一增益输出端112输出第一电信号及通过第二增益输出端113输出第二电信号，以根据实际需求供增益选择电路13灵活选择，以达到扩大声发射信号动态监测范围的目的，检测场景适应性高。

图9所示为图8所示的声发射信号检测方法的步骤S1的步骤流程图。结合图1至图9所示，步骤S1、通过声发射传感器阵列11的至少一个声发射传感器111获取声发射信号，将声发射信号转换为电信号并放大处理，分别通过声发射传感器111的第一增益输出端112输出第一电信号，及通过声发射传感器111的第二增益输出端113输出第二电信号，包括步骤S11至步骤S13。其中，步骤S11、通过压电片115获取声发射信号，并将声发射信号转换为电信号。步骤S12、通过第一级放大电路116将转换的电信号放大并通过第一增益输出端112输出第一电信号。步骤S13、通过第二级放大电路117用于将第一电信号放大并通过第二增益输出端113输出第二电信号。

本实施例中，声发射传感器111内集成有压电片115、第一级放大电路116及第二级放大电路117，压电片115可以将极其微弱的机械振动转换成电信号，第一级放大电路116可以将微弱的电信号进行放大，输出第一电信号，第二级放大电路117可以将第一级放大电路116放大后的第一电信号进一步放大，输出第二电信号，其中第二级放大电路117的放大倍数大于第一级放大电路116的放大倍数，其输出的第二电信号的幅值大于第一电信号的幅值。本实施例通过第一级放大电路116和第二级放大电路117的两级放大后的声发射信号经增益选择电路13后进行档位选择，增益选择电路13的输出信号输出至模数转换电路14，模数转换电路14完成声发射信号从模拟量至数字量的转换，最终将数字量传输至信号处理电路15进行信号处理。

如此设置，声发射传感器阵列11中的声发射传感器111分别通过第一级放大电路116和第二级放大电路117放大不同倍数的声发射信号，以分别通过第一增益输出端112输出第一电信号及通过第二增益输出端113输出第二电信号，以供增益选择电路13灵活增益选择，以扩大声发射信号动态监测范围，从而扩大声发射信号的动态监测范围，提高检测场景适应性。

在一些实施例中，步骤S3、通过增益选择电路13接收第一电信号和第二电信号，并选择第一电信号和第二电信号中的其中一者输出，包括：通过控制器151控制切换开关131，以选择第一电信号和第二电信号中的其中一者输出。通过控制器151控制切换开关，灵活选择不同的增益输出端，以实现高、低档增益的声发射信号的切换，从而选择第一电信号或第二电信号输出，如此适用于动态范围较大的声发射信号检测，可实现较大的空间定位检测范围。

在一些实施例中，通过控制器151控制切换开关131，以选择第一电信号和第二电信号中的其中一者输出，包括：通过控制器151在时钟信号CLK的作用下控制切换控制端135，使切换端132在第一连接端133和第二连接端134之间交替切换，以选择第一电信号和第二电信号中的其中一者输出。在一些实施例中，控制器151用于在每个时钟信号的上升沿时控制切换控制端135，使切换端132切换至第一连接端133，以选择第一电信号输入至模数转换电路14。在一些实施例中，控制器151用于在每个时钟信号的下降沿时控制切换控制端135，使切换端132切换至第二连接端134，以选择第二电信号输入至模数转换电路14。在本实施例中，控制器151在每个时钟信号的上升沿时控制切换控制端135，使切换端132切换至第一连接端133，以选择第一电信号130A（如图7所示）通过第一增益输出端112输出。在本实施例中，控制器151在每个时钟信号的下降沿时控制切换控制端135，使切换端132切换至第二连接端134，以选择第二电信号130B通过第二增益输出端113输出。在多个时钟信号的周期后，获取完整的信号波形130C。

在其他一些实施例中，控制器151用于在每个时钟信号的上升沿时控制切换控制端135，使切换端132切换至第二连接端134，以选择第二电信号输入至模数转换电路14。控制器151用于在每个时钟信号的下升沿时控制切换控制端135，使切换端132切换至第一连接端133，以选择第一电信号输入至模数转换电路14。在本申请中不作限定。

如此设置，声发射信号检测系统1的增益选择受控于控制器151。在声发射信号实时监测的应用中，由于高增益档的检测灵敏度高，因此在前期实时监测中可以配置为高增益档工作模式，以监测缺陷生长的有无，然后在缺陷不断生长的过程中，随着信号的增强，由于高增益的限幅输出会造成信号削峰，导致信号波形不完整，便可切换至低增益档工作模式进行信号的实时监测。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的申请后，将容易想到本申请的其它实施方案。本申请旨在涵盖本申请的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本申请的真正范围和精神由下面的权利要求指出。应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本申请的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (13)

1.一种声发射信号检测系统，其特征在于，包括：

声发射传感器阵列，包括至少一个声发射传感器，所述声发射传感器包括第一增益输出端和第二增益输出端，所述声发射传感器用于获取声发射信号，将所述声发射信号转换为电信号并放大，分别通过所述第一增益输出端输出第一电信号，及通过所述第二增益输出端输出第二电信号；其中所述第一电信号的幅值小于所述第二电信号的幅值；

信号分离电路，通过所述第一增益输出端与所述声发射传感器连接；所述信号分离电路用于分离所述第一电信号并输出；

增益选择电路，与所述信号分离电路连接，且通过所述第二增益输出端与所述声发射传感器连接；所述增益选择电路用于分别接收所述第一电信号和所述第二电信号，以选择所述第一电信号和所述第二电信号中的其中一者输出；

模数转换电路，与所述增益选择电路连接；所述模数转换电路用于将所述第一电信号或所述第二电信号的模拟量转换至数字量并输出；及

信号处理电路，与所述模数转换电路连接，所述信号处理电路用于接收并处理数字量的所述第一电信号和所述第二电信号。

2.根据权利要求1所述的声发射信号检测系统，其特征在于，所述声发射传感器包括压电片、和所述压电片连接的第一级放大电路及与所述第一级放大电路连接的第二级放大电路，所述第一增益输出端与所述第一级放大电路连接，所述第二增益输出端与所述第二级放大电路连接；所述压电片用于获取所述声发射信号，并将所述声发射信号转换为电信号；所述第一级放大电路用于将转换的电信号放大并通过所述第一增益输出端输出所述第一电信号；所述第二级放大电路用于将所述第一电信号放大并通过所述第二增益输出端输出所述第二电信号。

3.根据权利要求1所述的声发射信号检测系统，其特征在于，所述声发射信号检测系统还包括电源电路；所述信号分离电路包括第一信号分离电路；所述声发射传感器还包括电源输入端，所述电源电路通过所述第一信号分离电路与所述电源输入端连接，所述第一信号分离电路用于分离所述电源电路的直流电源，并通过所述电源输入端给所述声发射传感器供电。

4.根据权利要求3所述的声发射信号检测系统，其特征在于，所述信号分离电路还包括第二信号分离电路，所述第一增益输出端通过所述第二信号分离电路与所述增益选择电路连接，所述第二信号分离电路用于获取所述第一电信号并输出至所述增益选择电路；和/或

所述电源输入端与所述第一增益输出端复用于同一根线；和/或

所述电源电路还分别与所述增益选择电路、所述模数转换电路及所述信号处理电路连接；所述电源电路用于分别给所述增益选择电路、所述模数转换电路及所述信号处理电路供电；和/或

所述声发射传感器还包括滤波电路，与所述电源输入端、所述第一信号分离电路连接，所述滤波电路用于对所述电源电路的直流电源进行滤波。

5.根据权利要求1所述的声发射信号检测系统，其特征在于，所述信号处理电路包括控制器；所述增益选择电路包括切换开关，与所述控制器连接，所述控制器用于控制所述切换开关，以选择所述第一电信号和所述第二电信号中的其中一者输出。

6.根据权利要求5所述的声发射信号检测系统，其特征在于，所述信号处理电路还包括时钟电路，所述时钟电路用于产生时钟信号；所述信号分离电路包括第二信号分离电路；所述切换开关包括切换控制端、切换端、第一连接端和第二连接端，所述控制器与所述切换控制端连接，所述第一连接端通过所述第二信号分离电路与所述第一增益输出端连接，所述第二连接端与所述第二增益输出端连接，所述控制器用于在所述时钟信号的作用下控制所述切换控制端，使所述切换端在所述第一连接端和所述第二连接端之间交替切换，以选择所述第一电信号和所述第二电信号中的其中一者输出。

7.根据权利要求6所述的声发射信号检测系统，其特征在于，所述控制器用于在每个所述时钟信号的上升沿时控制所述切换控制端，使所述切换端切换至所述第一连接端，以选择所述第一电信号输入至所述模数转换电路；所述控制器用于在每个所述时钟信号的下降沿时控制所述切换控制端，使所述切换端切换至所述第二连接端，以选择所述第二电信号输入至所述模数转换电路；或

所述控制器用于在每个所述时钟信号的上升沿时控制所述切换控制端，使所述切换端切换至所述第二连接端，以选择所述第二电信号输入至所述模数转换电路；所述控制器用于在每个所述时钟信号的下降沿时控制所述切换控制端，使所述切换端切换至所述第一连接端，以选择所述第一电信号输入至所述模数转换电路。

8.根据权利要求1所述的声发射信号检测系统，其特征在于，所述声发射传感器阵列包括多个声发射传感器，所述多个声发射传感器独立且间隔设置；

所述模数转换电路包括模数转换器，所述模数转换器包括多个数据通道；所述多个数据通道与所述多个声发射传感器一一对应设置；和/或

所述信号处理电路还包括时钟电路，所述时钟电路用于产生时钟信号；所述模数转换电路包括模数转换器，所述模数转换器包括多个数据通道；所述模数转换器的所述多个数据通道在所述时钟信号的作用下对所述多个声发射传感器进行同步采样。

9.一种故障诊断设备，其特征在于，包括如权利要求1至8中任一项所述的声发射信号检测系统。

10.一种声发射信号检测方法，其特征在于，应用于如权利要求1至8中任一项所述的声发射信号检测系统，所述声发射信号检测方法包括：

通过声发射传感器阵列的至少一个声发射传感器获取声发射信号，将所述声发射信号转换为电信号并放大，并分别通过所述声发射传感器的第一增益输出端输出第一电信号，及通过所述声发射传感器的第二增益输出端输出第二电信号；其中所述第一电信号的幅值小于所述第二电信号的幅值；

通过信号分离电路分离所述第一电信号并输出；

通过增益选择电路接收所述第一电信号和所述第二电信号，以选择所述第一电信号和所述第二电信号中的其中一者输出；

通过模数转换电路将所述第一电信号或所述第二电信号的模拟量转换至数字量并输出；及

通过信号处理电路接收并处理数字量的所述第一电信号和所述第二电信号。

11.根据权利要求10所述的声发射信号检测方法，其特征在于，所述声发射传感器包括压电片、和所述压电片连接的第一级放大电路及与所述第一级放大电路连接的第二级放大电路，所述第一增益输出端与所述第一级放大电路连接，所述第二增益输出端与所述第二级放大电路连接；

所述通过声发射传感器阵列的至少一个声发射传感器获取声发射信号，将所述声发射信号转换为电信号并放大处理，分别通过所述声发射传感器的第一增益输出端输出第一电信号，及通过所述声发射传感器的第二增益输出端输出第二电信号，包括：

通过所述压电片获取所述声发射信号，并将所述声发射信号转换为电信号；

通过所述第一级放大电路将转换的电信号放大并通过所述第一增益输出端输出所述第一电信号；及

通过所述第二级放大电路用于将所述第一电信号放大并通过所述第二增益输出端输出所述第二电信号。

12.根据权利要求10所述的声发射信号检测方法，其特征在于，所述信号处理电路包括控制器；所述增益选择电路包括切换开关，与所述控制器连接；

所述通过增益选择电路接收所述第一电信号和所述第二电信号，并选择所述第一电信号和所述第二电信号中的其中一者输出，包括：

通过所述控制器控制所述切换开关，以选择所述第一电信号和所述第二电信号中的其中一者输出。

13.根据权利要求12所述的声发射信号检测方法，其特征在于，所述信号处理电路还包括时钟电路，所述时钟电路用于产生时钟信号；所述信号分离电路包括第二信号分离电路；所述切换开关包括切换控制端、切换端、第一连接端和第二连接端，所述控制器与所述切换控制端连接，所述第一连接端通过所述第二信号分离电路与所述第一增益输出端连接，所述第二连接端与所述第二增益输出端连接；

所述通过所述控制器控制所述切换开关，以选择所述第一电信号和所述第二电信号中的其中一者输出，包括：

通过所述控制器在所述时钟信号的作用下控制所述切换控制端，使所述切换端在所述第一连接端和所述第二连接端之间交替切换，以选择所述第一电信号和所述第二电信号中的其中一者输出。