卓越制造，就是以極具競爭力的價格生產出高質量的產品，滿足市場的需要。現代制造企業是在準時生產的環境的下運營，無疑肩負巨大的壓力，而始終保證設備的最優表現是重要的支撐，因為一旦設備出現故障，危害將會在方方面面。
作為旋轉機械設備中的關鍵零件，軸承是狀態監測中的重要監測對象，始終保障其穩定可靠運行是預測性維護工作的重要內容。就目前而言，軸承故障的主要形式是由于接觸疲勞造成的滾道或滾動體表面材料破裂，形成表面缺陷。在軸承疲勞損傷發展的早期階段，即在材料疲勞剝落形成凹坑之前，軸承的振動信號非常微弱，與來自機械設備其它部件的振動信號混在一起，加之噪聲的干擾，往往不易清晰地判別出故障。而利用聲發射技術將有可能檢測到疲勞損傷造成的裂紋擴展，從而對滾動軸承故障的早期預報和診斷具有很大的優勢。
全波形采集聲發射信號
聲發射是對材料或結構狀態進行動態監測的重要方法。聲發射逐漸從早期的參數采集發展到目前的全波形采集，聲發射信號采集系統包括聲發射傳感器、前置放大器、高速數據采集系統組成。由于聲發射信號的頻譜較寬，從數千Hz到數兆Hz，在進行數據采集的同時，還要進行濾波、參數特征提取等處理，因此對數據采集設備有較高的要求。
目前，具有全波形采集功能的專用聲發射儀價格高昂，不利于聲發射研究中起步階段工作的開展。而以凌華科技PCI-9846高速數字化儀的高速、高精度采樣能力為硬件基礎，使用LabVIEW開發的聲發射測試系統，同樣可實時完成聲發射信號采集、存儲、振鈴特征參數提取等功能，為實驗室中開展聲發射研究提供了一種切實可行的解決方法。
數據采集系統是聲發射測試硬件的核心。由于聲發射信號的頻率能夠達到數兆Hz，為了對聲發射的波形進行準確的采集，往往要求采集器的采樣率能夠達到20MS/s甚至更高。同時，由于聲發射信號較為微弱，原始的聲發射信號一般處于μV范圍，即使經過前置放大后也只有若干mV，并且信號波形幅度變化范圍較大，因此對采集設備的采樣精度和動態范圍也有較高的要求。
使用凌華科技的高速數字化儀PCI-9846來進行聲發射信號的采集，其主要參數與目前使用較為廣泛的美國物理聲學公司（PAC）的PCI-2采集卡的主要性能對比見表1，除部分專有功能缺乏外，完全能夠達到聲發射全波形采集的要求。
表1 凌華PCI-9846與PAC PCI-2采集參數對比
聲發射信號采集的實現
凌華科技為 PCI-9846提供了LabVIEW驅動。安裝DAQPilot驅動程序后，在LabVIEW的函數庫中可以找到DAQPilot工具包，其中提供了數據采集的控制函數，其功能與調用方法與NI的DAQmax對應，使用非常方便。例如，由下圖中的四個函數：PLT Create Virtual Channel、PLT Timing、PLT Read以及PLT Clear Task就構成了完整的連續數據采集功能。另外，DAQPilot中還提供了模擬和數字信號的輸入、輸出等各種功能的LabVIEW范例程序，方便開發者快速上手。
圖1 PCI-9846 連續數據采集程序
本文開發的聲發射測試系統中信號采集模塊基于圖1中的采集程序。用戶設置輸入通道、前置放大器增益、濾波等參數后，啟動連續數據采集。原始信號經過放大倍數還原后，再進行數字濾波處理，以去除噪聲及不需要的頻帶，濾波后的連續信號可以二進制或文本形式存盤。圖2是在運行中的軸承上采集到的聲發射信號，采樣參數為2MS/s，濾波器為四階Butterworth低通濾波，截止頻率50KHz。
圖2 連續采集的聲發射信號
聲發射信號的參數分析
經過濾波后的連續采集信號送入一個幅值檢測器，根據設定的幅度閾值和時間長度，從連續信號中截取出突發性聲發射的波形數據（圖3為滾動體表面缺陷的軸承在運行中產生的突發性聲發射波形），再對每個波形數據進行振鈴計數、幅度、頻率、能量、上升時間、持續時間等特征參數計算，并存入一個聲發射特征參數表格中，供直接查看以及進一步的統計分析。檢測出的聲發射波形數據可以文本文件的形式存盤。波形數據的存儲和連續數據存儲的功能是獨立的，即兩者可以同時存儲，也可以只保存一種。
實際上PCI-9846高速數字化儀提供了豐富的觸發采集模式，包括邊沿、窗口、參考等模擬觸發方式，非常適合進行聲發射波形的硬件觸發采集，從而省掉軟件提取算法，減少計算量。在實驗測試過程中，發現信號容易受到環境中電磁等因素的干擾，需要在檢測波形前進行濾波處理，而PCI-9846不具有可編程濾波功能。在后續的系統改進中可以在采集卡的前端添加一個濾波模塊，從而充分利用其硬件觸發能力，提供系統性能。
圖3 軸承中突發性聲發射信號波形
有效性的驗證
為了檢驗該聲發射測試系統功能的有效性，在QPZZ-Ⅱ旋轉機械振動及故障模擬實驗臺上，對滾動體故障的軸承進行了聲發射與振動信號的對比測試。故障軸承型號為NU205，節圓直徑39mm，滾動體直徑7.5mm，滾動體數目12，接觸角0?。通過線切割在滾動體表面加工出一微小縫隙來模擬表面材料疲勞剝落造成的缺陷。轉速為570 r/min，即轉頻為9.5 Hz。計算可得滾動體通過頻率為18.3 Hz。
圖4軸承故障聲發射與振動信號對比
在軸承座上與軸心對應的垂直位置安裝傳感器。振動測試系統由加速度傳感器、NI USB9234動態信號采集器組成，振動數據導入MATLAB進行分析。在保證轉速不變的情況下，在加速度傳感器的安裝位置安裝聲發射傳感器，使用本文的聲發射測試系統進行數據采集，將存儲的數據導入到MATLAB中進行分析。圖4中給出了聲發射與振動加速度信號的對比，從圖中可以看出，滾子表面缺陷產生的聲發射信號信噪比遠高于振動加速度信號。圖5給出了兩種信號經窄帶濾波后的包絡頻譜圖，可以看到，聲發射信號的包絡譜譜線結構較為簡單，更容易找出故障的特征頻率。
圖5軸承故障聲發射與振動信號的包絡譜對比
這一聲發射測試系統綜合了PCI-9846性價比突出與LabVIEW簡單易用的優勢，具有成本低、開發方便、擴展性強的優點。利用該系統測試了含有滾動體表面缺陷的軸承在運行過程中產生的聲發射信號，并與傳統的振動測試進行了對比，聲發射信號具有更高的信噪比。不難看出，聲發射方法對于滾動軸承故障的早期預報和診斷具有很大的潛力。
