基于ZigBee的气体泄漏检测.

本文以声发射技术为依托设计了一种基于Zigbee无线模块 的无线声发射信号采集系统通过声发射信号的特征参数分析对气体泄漏的严重性进行评估取得了很好的效果

系统构建概述

容器泄漏引起内部介质与泄漏孔的摩擦而激发应力波携带泄漏源信息如泄漏的大小位置等的应力波沿管壁传播利用声发射传感器采集该应力波信号并分析处理就提取出管道泄漏信息从而实现声发射泄漏检测的目的

基于ZigBee的气体泄漏检测._第1张图片

系统总体结构图

如图所示总监控网络由基站组成每个基站为一个检测单元是一个多通道检测系统每个基站检测固定位置的信息传感器终端对信号进行处理并把结果传送给ZigBee数传模块节点RFDZigBee数传模块节点RFD 通过星型网络传输给ZigBee无线模块协调器节点FFD最后再把结果显示在计算机中

系统主要包括三部分传感器终端传感器终端包括磁滞伸缩声发射智能传感器信号采集与处理节点信息汇聚节点主要功能为声发射信号调理A/D 转换和提取声发射信号的特征参数ZigBee无线模块传输采用基于802.15.4 ZigBee数传模块无线局域网络组建传感器集群系统将传感器设置成不同功能型的ZigBee数据采集节点实现ZigBee数据采集和数据传输上位机软件包括特征参数的

测控系统的实现

2.1 传感器节点

选用上海奥达光电子科技有限公司研制的AE-01 型声发射传感器AE-01 型声发射传感器应用了一项具有国际专利的电换能技术与传统采用电技术的声发射传感器相比具有频率范围50kHz~1250kHz)、灵敏度高受环境变化影响小的面地捕捉到标结构内部所释放的声发射信号中所蕴含结构状况信息

传感器处理节点包括一个传感器模块用于感知周围世界理量一个处理终端实现对结构损伤产生的声发射信号实采集并提取声发射特征参数一个中终端用于数据与ZigBee无线模块RFD 的传输和一个电源管理模块信号采集与处理的各模块之间利用CAN 总线通

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传感器处理节点

处理终端的信号采集与处理为基于高速DSPTMS320F2812芯片模块首先是声发射信号的处理声发射信号处理部分包括阻抗匹配和电压匹配阻抗匹配是为了起隔离为声发射传感器传送的声发射信号的电压峰峰值0~5V而节点的A/D 转换采用的是TMS320F2812 A/D 转换接口其接口0~3VA/D 样读取为中断读检测A/D 的电压超过设定的声发射阈值断服务程序采集声发射信号后是声发射特征参数的提取

    终端及接口终端用管理和组织各区域的信号采集与处理终端并将采集的有效声发射信息包并传送ZigBee无线模块RFD便利用无线通信系统传送上位机的软件实施查询气体泄漏声发射情况

2.2 ZigBee 星型网络建

ZigBee 无线模块传感器网络具多种选的网络拓扑结构系统体管道结构的特性星型拓扑结构传感器节点分布在不同的监测区域从硬件上看采用TI 公司CC2530 芯片模块模块上整合了ZigBee 射频RF收发器内存和微控制器ZigBee数传网络的建立是通过原语实现的首先协调器建立网络在应用层调用NLME-NETWORK-FORMATION.request原语请求设备发起一个新的ZigBee 网络并找到合适的信道选择一个网络PANID网络标识)。其次是子节点的加入直接通过父节点加入ZigBee 协调器把通过NLME-DIRECTJION.request 原语初始化RFD 设备原语中DeviceAddress参数设置为加入到网络的设备地址同时给新设备分配一个唯一的16 位网络地址然后把其他RFD 设备加入到网络中

软件设计基于TI 公司的Z-STACK 协议栈将数据传输任务加入到协议栈中ZigBee 数传模块通过串口与传感器节点上位机进行通讯Z-STACK 协议栈相关函数如表

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1 Z-STACK 中串口应用设计的函数及功能

能量分析法的实现

目前分析所使用的特征参数一般有振铃计数与计数率事件计数与计数率振幅与振幅分布能量和能量率有效值和频谱分布等根据声发射信号的主要类型和研究的需要可以确定选择合适的声发射特征参数声发射信号的典型参数如图所示

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声发射波形参数的定义

通常采用单参数分析方法最常用的单参数分析方法为计数分析法能量分析法和幅度分析法由于均方电压和均方根电压对电子系统增益和换能器耦合情况的微小变化不太敏感且不依赖于任何阈值电压并且均方电压和均方根电压与连续型声发射信号的能量有直接关系因此本文采用能量分析法

能量分析法是直接度量振幅或者有效值和信号的持续时间反映声发射能量的特性能量法与其他的声发射参数相比更能反映裂纹扩的特征能量和均方根电压Vrms均方电压Vms 的关系如

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为了准确找到能量这个声发射参量, 要对声发射信息包规定格式。处理终端提取出声发射特征参数,通过CAN 总线传递给中继终端汇总,发送数据格式如表2。

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声发射传送信息包格式

气体管道进行加压用声发射采系统特征参数提取的声发射参数上位机示如图所示

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声发射特征参数

能量法通常以能量值和能量率的形式能量值是在给定的测量时间范围内所到的能量单位时间的能量为能量率在实当阀门入口压增加时泄漏量增加产生的声发射信号度增振铃计数能量幅值均方根值都会相应增是增的幅度不同通过次实发现能量值在阀门入口压增加时急剧增加振铃计数和幅值则变缓慢上位机软件采用能量率的形式来评气体管泄漏严重程很好的效

上位机软件采用LabVIEW 进行编程计算单位时间内的能量时间有可调性首先对ZigBee数据采集到数据的数据在上位机口进行数据包的解提取出需要的能量特征参数同时对传感器网络的通道进行分计算不同通道的能量率LabVIEW 串口VISA 对串口数据进行帧头提取16节后的支结构以通道号为输入计算通道能量率

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多通道声发射能量法前面板

面板控件如图所示采用阶段划区分气体泄漏严重程有软件可调性控件分别显绿红四色把气体泄漏程度分为阶段很好的直

结束语

本文利用ZigBee数传模块无线传送ZigBee数据采集到的声发射信号信息,在上位机实现显示处理。由于有干扰噪声的存在泄漏声发射的有效提取成泄漏检测的主要技术难同时本系统缺乏完善泄漏信号数据和更的现应用因此结构能有进一步优

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