阅读说明：本技术 一种基于fbg的声发射信号采集方法 (Acoustic emission signal acquisition method based on FBG ) 是由 王秀清 郑迪 梁麗竹 于 2019-01-14 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种基于FBG的声发射信号采集方法。包括FBG传感器模块、光纤光栅超声检测仪、信号调理模块、数据采集处理模块以及上位机。所述FBG传感器,主要用来采集植物的声发射信号。由于FBG传感器采集的信号为光信号,需经过纤光栅超声检测仪的高速光电转换模块变为电信号,然后经过信号调理电路后交由数据处理模块进行AD转换和信号处理,将模拟信号转变为数字信号,同时由CCS对DSP进行编程提取特征参数,再由串口模式将数据传输到上位机。在上位机上利用提取的特征参数进行声发射信号波形恢复,减少存储空间、提高传输速率,同时对声发射信号进行保存分析,确保植物每个阶段都生长在最适宜的环境里,出现异常情况时能及时处理。(The invention provides an acoustic emission signal acquisition method based on FBG. The FBG ultrasonic detection device comprises an FBG sensor module, a fiber bragg grating ultrasonic detector, a signal conditioning module, a data acquisition processing module and an upper computer. The FBG sensor is mainly used for collecting acoustic emission signals of plants. The FBG sensor is used for collecting signals, the signals are required to be converted into electric signals through a high-speed photoelectric conversion module of the FBG ultrasonic detector, then the electric signals are subjected to AD conversion and signal processing through a signal conditioning circuit and then are sent to a data processing module, analog signals are converted into digital signals, meanwhile, CCS is used for programming DSP to extract characteristic parameters, and then data are transmitted to an upper computer through a serial port mode. The acoustic emission signal waveform is recovered by using the extracted characteristic parameters on the upper computer, the storage space is reduced, the transmission rate is improved, and the acoustic emission signal is stored and analyzed at the same time, so that the plants can be ensured to grow in the most suitable environment at each stage and can be timely processed when abnormal conditions occur.)

一种基于FBG的声发射信号采集方法

技术领域

本发明涉及声发射信号采集和信息处理技术领域，具体是一种基于FBG的声发射信号采集方法。

背景技术

随着我国设施农业技术的不断发展，近年来越来越多的人将目光转移到温室监控，但是大多温室监控侧重于环境因子，对植物生理信息进行监控的研究较少，而作物在不同的生长阶段，所需的环境因子并不一样。如何根据植物的生理信息及时对温室环境作出调整，保证植物生长周期的各个阶段都处于最适宜的生长环境，从而确保作物产量和质量。

声发射是指材料在受到外力或内力作用下内部结构发生变化，快速释放能量使机械能转变为声能从而产生弹性波的现象。植物产生声发射现象与气穴有关，气穴是由植物内部和外部的气压差导致，在产生气穴的同时会释放一种张力并产生冲击波，声发射信号就随着冲击波的产生而发生。近年来越来越多的学者开始研究植物声发射和生长状况之间的关系，目前已有植物声发射监测应用于园艺工作中。

植物声发射是植物水胁迫和病害胁迫非常敏感的生理信息，在植物染病后，病害特征在初期并不能显示出来，但是通过观察声发射信号就能尽早的处理病害问题。声发射监测系统中最重要的就是传感器的选择，传统采用压电陶瓷传感器，而FBG传感器检测是一种较新颖的声发射检测技术，它具有灵敏度高、体积小、不受电磁的干扰等优点。研究声发射技术在温室作物监测的应用不仅方便管理者实时监控，也可根据声发射信息及时对作物生长环境进行控制，提高管理效率。

发明内容

本发明为克服现有技术的不足，提出一种基于FBG的声发射信号采集方法，用户可通过FBG传感器将采集到的声发射信息传送到上位机并进行保存分析等。

本发明提出一种基于FBG的声发射信号采集方法，它包括传感器模块、光电转换模块、数据采集处理模块以及上位机平台。所述的传感器模块采用的是FBG传感器，主要用来采集植物的声发射信号。由于FBG传感器采集的信号为光信号，需经过光电转换模块变为电信号，然后经过信号调理电路后交由数据处理模块进行AD转换和信号处理，将模拟信号转变为数字信号，再以串口通信的方式传输到上位机。由于声发射波形数据较大，传输较慢，本发明提出一种声发射信号波形恢复方法，减少传输时间和储存空间。

所述的FBG传感器中心波长为1553nm，这是一种比较新颖的声发射传感器，主要用来监测植物受到病害胁迫或者水胁迫时的声发射信号，通过波形的异常达到提前预防的目的。

所述的光电转换模块功能实际是由光纤光栅检测仪来完成，该检测仪为GS-YB-FBG-L-I型光纤光栅超声检测仪，其光学部分主要包括窄线宽激光器、光纤耦合器和高速光电转换器，将光信号转变为电信号。

所述的数据采集处理模块是DSP高端处理器，主要用来实时采集声发射信号波形，然后对采集的数据进行特征提取和数据分析，然后通过串口将数据传至上位机。

所述的上位机平台，对采集的声发射信号进行波形恢复，也可以对硬件进行启停和相关配置，对传输的数据进行保存分析等。

本发明具有以下优点：

1、选取FBG传感器来对声发射信号进行采集，与传统压电陶瓷传感器相比较，FBG传感器具有结构简单，发热量小，抗干扰能力强，灵敏度高等优点。

2、提出了一种声发射信号波形的恢复方法，能够在保证信息完整的前提下压缩波形、提高传输速度、减少存储空间。

3、在上位机上对硬件进行相关配置，实时显示数据，同时也可对以前保存的数据进行分析，在数据出现异常时，及时提醒管理者。

附图说明

图1光纤光栅传感器检测声发射信号框图；

图2为激光器输出波长调节流程图；

图3为特征参数提取流程图；

图4为波形恢复信号与原波形对比。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将结合相关附图进一步说明。

如图1所示的一种基于FBG的声发射信号采集方法总体结构框图，系统主要由FBG传感器1、光纤光栅超声检测仪2、信号调理模块3和数据处理模块4和上位机模块5这几部分组成，整个采集系统工作主要包括以下步骤：

步骤1：由FBG传感器1对声发射信号进行采集。以木板为实验对象，由于裸光纤十分纤细易断，所以在将光纤传感器固定之前，要先将木板打磨平滑，然后涂抹上耦合剂，再用DG-4对光纤进行封装。

步骤2：在传感器附近用用折断铅芯的方式来模拟声发射事件，每折断一次就表示一次声发射事件，然后将采集到的声发射信号传递到光纤光栅超声检测仪2，窄线宽激光器①发出一束窄线，经过光纤耦合器②然后射入光纤光栅，在经过光纤光栅的反射后，该光束又经光纤耦合器射入高速光电转换器③中，最终转变为电信号。观察光电转换后的输出电压值在0-2V范围内，而当电压值在0.75-0.9V之间时实验的效果最好。

光纤光栅检测仪2在工作时需要将窄线宽激光器①输出波长调到光纤光栅反射谱的中间，在光纤受到外界的震动激励时，中心波长就会左右移动，然后激光强度在经过反射后会呈现正弦或者余弦规律。虽然选择的FBG传感器1中心波长为1553nm，但由于环境和传感器自身的差异，中心波长可能会有所偏移。在每次实验前使用激光调节软件对激光器的输出波长进行调整，调节激光器①输出波长的流程图如图2所示，多次调整，直到符合要求。

当宽光源入射到光纤光栅传感器时，中心波长可列公式表示：

λ_B＝2·n_eff·Λ

Λ为光栅周期，n_eff为有效折射率。只要其中一个改变都会引起波长的移位，其位移的变化量为：

Δλ_B＝2ΛΔn_eff+2n_effΔΛ

如果只考虑轴向应变时，其波长的位移变化量为：

P_e：表示光纤光栅应变灵敏度系数，ε_z是指光纤的轴向应变，如果光纤确定，Δλ_B与ε_z成正比关系，通过反射波长的变化就可以获得相应的应变。

步骤3：由光纤光栅超声检测仪2转换的电信号经过信号调理电路3后进入到DSP处理器的模拟输入口，然后通过AD模块转换成数字信号。因为声发射传感器监测的是20-110KHZ之间的信号，数据量较大，为了减少传输时间，保证能够进行实时监控，所以对转换后的数字信号进行特征提取，特征参数包括周期、幅值、零点、极点值、上升和持续时间以及门槛值等等。

对特征值进行提取的流程如图3，首先要经过多次试验确定一个合适的门槛值，然后根据这个门槛电压来确定是否为有效信号，若超过这个电压则为干扰信号，然后保存那些有效信号。通过CCS软件对DSP进行编程从有效信号中提取特征参数，然后将实验成功的程序固化到DSP上，利用串口通信的方式将特征值传送到上位机5。

步骤4：上位机5利用多项插值的方法进行波形的恢复如图4，红色为原波形，蓝色为恢复波形，由图像可以看出原波形和恢复后的波形差别不大。

步骤5：上位机5对恢复的波形进行实时监控，在植物表现出病害或者水胁迫的特征前及时进行处理；对采集的声发射信号进行保存，分析该植物整个生长过程的特点。

本发明是一种基于FBG的声发射信号采集方法，在对声发射信号的采集过程中，分析了FBG感器的特点，了解了其检测声发射信号的频率范围，为管理者选择合适的设备提供了方便，同时提出一种声发射信号的恢复方法，减少了存储空间，提高了传输速率，进行实时监控，确保植物每个阶段都生长在最适宜的环境里，在出现异常情况时能及时处理。