基于FPGA的无线声发射桥梁结构健康检测仪设计

发布时间：2020-05-15 22:44

【摘要】：在交通系统中,桥梁是很重要的一个环节,随着我国交通系统的不断完善,桥梁安全也越来越重要,现代桥梁设计的使用时间一般都是在几十年以上,长时间的暴露在恶劣环境中,经过侵蚀,使得材料老化,再加上过度使用,地质灾害等其它因素,使得桥梁结构系统不同程度上受到损伤,导致其抗外力减弱,严重情况下可以导致桥梁崩塌,更甚者导致重大伤亡事故,由此可知,桥梁结构健康检测显得十分重要。较传统的无损检测不同,一种新的无损检测被提出,它是一种被动检测方式,不需要外加激励源,被检测的信号来源于被测实体本身,能够对材料进行动态缺陷检测,通过采集材料的随机特征信号,并提取特征值,从而分析桥梁的损伤。因此对声发射信号采集就显得尤为重要,基于此本文设计了一套基于FPGA、可用于桥梁结构健康检测的无线声发射检测仪。该检测仪具备高采样率,多通道,无线传输等特色。本文采用Altera公司研发的CycloneIV系列的FPGA器件作为无线声发射检测仪的核心控制器,通过高速AD模块对随机特征信号进行采集,经过FPGA对相关数据进行排序处理后将数据有序的缓存于SD卡中,接着,再把采集并存储在SD卡中的数据经FPGA控制并由无线串口发送至PC端上位机进行显示与存储。本文首先介绍了系统的总体设计方案,并确定信号的采集通道数为四通道;接着介绍系统各硬件模块电路的设计,给出了具体的硬件电路,其中包括供电电源、FPGA控制器、AD采集电路及电压转换电路、SD存储电路、小信号前置放大器电路、无线串口模块;然后对FPGA程序和虚拟仪器LabVIEW软件设计进行介绍,利用硬件描述语言Verilog HDL完成FPGA软件设计,实现的功能主要有:对4路AD采集的控制,阈值的设定,信号的存储和上位机通讯;最后在搭建的硬件试验平台上结合软件对系统进行联合测试,并分别进行了模拟单通道数据采集实验与4通道声发射同步信号采集实验,最后得出该声发射检测仪可适用于桥梁结构健康检测。
【图文】：

发射(Acoustic Emission，简称 AE)[4]是指材料局部因能量的快速释放而发的现象，偶尔也称为应力波发射。材料外力作用下的形变与裂纹生长，是要机制。这种直接与变形和断裂机制有关的源，被称为声发射源。自然中万物都存在声发射，它是一种普遍存在现象，不借助工具很难发现的频率范围很广，材料的材质不同其频率也不尽相同，但大致分布从几信号也很弱小，经过介质传播再经传感器输出后的幅值最高能也只能达到般情况下，声发射信号都是十分微弱，再经过物体表面传播后，待传感器就更加的微弱，因此，需要灵敏度非常高的传感器才能检测到声发射信形变与断裂都会产生不同程度的声发射，但都十分微弱，人的耳朵更听测量仪器的辅助下才能捕捉到。用先进行电子仪器采集、记录并分析声发射信号，通过分析来判断声发射叫做声发射技术[5]，作为一种新兴的被动式检测方式，是对无损检测领域它是一种新兴的被动式无损检测方式，图 1-1 为声发射检测的基本原理。

图 1-2 声发射检测基本原理产生的有效声发射信号，在介质中以机械振动的形式传播至被检测物表面，由感器接收信号，并将声信号转化为电压信号，经过外部放大器进行电压放大，号放大之后，由 AD 采集转化为数字信号，最后将数据传输至 PC 端显示，并经过分析后，确定声发射源的性质和缺陷的具体位置，并对声发射源进行危险声发射检测的主要几个目标有：1、确定被测物体缺陷位置；2、判断缺陷性质；生的大致时间；4、确定缺陷的严重性。声发射检测只能得出缺陷的活动强度到其具体大小[8,9]。所以，在一些领域需要结合其他的无损检测方式进行检测，全面而有效的精确检测。声发射技术特点声发射检测技术由于其固有的特性和特点，，和其他超声波无损检测方式相比较
【学位授予单位】：深圳大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U446

【参考文献】

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本文编号：2665730