基于GPS/Wifi高精度无线同步时钟的分布式无线声发射系统及应用
易若翔，谢杰辉，区锦辉、刘时风
声发射研究
编者按：本次报告以《分布式无线声发射系统》为研究对象，采用了GPS和Wifi两种主流的无线同步方法，开展了高精度无线同步时钟方面的研究，在大规模点阵排列的分布式声发射定位及数据分析中取到了令人满意的效果，并辅以现场案例进行具体说明。
1 基于声发射技术的故障定位
在声发射的信号分析中有一个很重要的步骤就是定位，通过定位功能可以直接地知道产生声发射源的位置，进而方便对指定区域进行二次检查。比如常见的储罐罐底定位，如果采用传统的超声波检测方法可能需要几个月时间，并且检测的过程中需要对储罐进行清理等，但是采用声发射定位可以不对储罐进行清理，时间也只需要几个小时，如果检测的结果表明有进一步检测的必要，再采用超声波检测，如果没有进一步检测的必要就可以直接检测完成。二者相比，声发射方式可以减少非常多的检测成本。
为了实现声发射的定位功能，需要将各个声发射传感器采集仪的时间进行同步，同步须达到us级才能实现较小区域的定位。
2 传统时间同步方式之背景
在物联网时代之前的台式声发射检测仪中，广泛采用板间传输或有线传输方式来实现时间同步。
2.1板间同步方式
下图为某司的声发射罐底腐蚀泄露检测系统，其采用板间传输同步的方案。
图2-1 某司声发射罐底腐蚀泄露检测系统
该方案采用多个声发射传感器布置于罐体的四周，通过长距离的电缆接入到带声发射采集卡的计算机设备中，通过采用精度极高（可达到百ns级）的板载高速总线，控制多个通道的同步采集，从而实现定位功能。
此方法的优点有：
[if !supportLists]1、 [endif]同步精度很高，可以达到百ns级别；
[if !supportLists]2、 [endif]采样精度高，可以达到16~18位，采样速度高，10Msps。
但存在以下缺点：
[if !supportLists]1、 [endif]设备安装复杂；
[if !supportLists]2、 [endif]成本高；
[if !supportLists]3、 [endif]集成通道有限，很难做到百通道以上；
[if !supportLists]4、 [endif]受传感器线长影响，可布设空间有限。
2.2有线同步方式
采用有线传输方式通常使用串行接口来作为传输介质，通过分散式机箱布置，机箱通过无线/有线网络（WIFI、4G、LORAWAN等）进行波形参数传输，可以增加布设空间，下图为某司的基于485总线的分散式声发射检测系统。
图2-2 某司的基于485总线的分散式声发射检测系统
图2-3 分散式声发射检测系统组成示意图
每一组声发射设备包含N个声发射数据采集通道（从1到N，可动态配置），设备内通过高精度总线传输同步信号，设备间各设备通过收发相接的RS485总线环形网络，传输同步信息实现整个网络的同步。按照RS485总线的负载能力，可实现30-40组设备的连接，而全网络最大可实现700-800个通道的时钟同步。
此种方式具有以下好处：
[if !supportLists]1、 [endif]可容纳的通道数较多；
[if !supportLists]2、 [endif]分散式安装，可降低安装难度；
[if !supportLists]3、 [endif]布设空间很大，设备间距可以很广。
但存在以下缺点：
[if !supportLists]1、 [endif]同步精度一般，可达到十us级；
[if !supportLists]2、 [endif]485电缆较长时，需要增加中继；
[if !supportLists]3、 [endif]安装复杂，传感器线缆和通信线缆多。
3 物联网时代下的时间同步新模式
现代声发射仪器已经逐渐进入物联网时代，之前使用485工业总线进行有线时间同步的方式，虽然有精度高、连接稳定和高鲁棒性等优点，但在呈阵列排布的大规模声发射无线设备集群的应用中，则因缺乏灵活便捷性而显得捉襟见肘。选用一种无线且高精度同步时钟的方式，就显得尤为重要。
因此我们经过反复比较和实验，确定了基于GPS及Wifi这两种可控距离长、稳定可靠的主流无线时间同步方式。具体设计方案如下：
3.1GPS同步方式
清诚IOT声发射设备的GPS同步方案采用多模卫星导航同步方式，支持北斗三代/GPS/GLONASS 等卫星定位系统，支持多系统联合定位和单系统独立定位，实现高精度的同步功能。
清诚IOT声发射设备通过接收空间中的GPS/北斗模块的授时同步脉冲，使用高精度的时钟源（±1ppm）进行计时，通过检测PPS的脉冲边沿来刷新时间，可实现±1us的同步功能。另外通过接收北斗三代/GPS/GLONASS的定位信息RMC报文，可实现设备的定位功能。
清诚IOT声发射设备采用小型化、集成化设计，设备内部集成传感器、采集电路、可充电电池和无线同步通信功能板，可实现宽范围的声发射信号采集、支持多种无线通信方式组网、支持多通道组合同步网络等功能，具有体积小、功能强、使用方便等特点。
基于GPS的清诚IOT声发射设备具有以下优点：
[if !supportLists]1、 [endif]可容纳通道数很多；
[if !supportLists]2、 [endif]安装布设容易，只需要安装一次；
[if !supportLists]3、 [endif]组网方便，可实现与距离通信；
[if !supportLists]4、 [endif]可实现长期无人值守；
[if !supportLists]5、 [endif]布设空间广，不需要线缆；
[if !supportLists]6、 [endif]同步精度高，可达±1us；
[if !supportLists]7、 [endif]成本低。
存在缺点：
[if !supportLists]1、 [endif]需要放在室外使用，受GPS信号影响大。
3.2 Wifi无线同步方式
GPS和北斗的应用已无处不在，但前提是要接收到卫星信号。在接收不到信号的大坝厂房、隧道工程、核电等密闭厂房内，只能依靠时间同步服务器来同步。在监测领域，出于方便和安全考虑，有些系统不得不采用无线通信的方式，特别是对于移动式巡检监测系统，只能通过无线方式实现时间同步和秒脉冲同步。
3.2.1 WIFI无线同步技术
WIFI无线同步技术由WIFI网内的无线主端设备为控制主体，以特定无线模式的无线定向广播方式，向目标设备群组中若干无线从端设备发送包含同步时间标识和同步数据包的同步序列信标。当附近的无线从端设备接收到无线主端设备发送的同步时间标识时，根据同步时间标识与无线主端设备建立并保持同步匹配状态，将相应的匹配核验标识置入其设备状态信标之中。无线从端设备在与无线主端设备的同步匹配状态下，在每个同步时间周期内保持无线时隙同步，并在每个同步有效期内至少执行一次同步时间校正，以保持同步匹配状态。无线从端设备在其同步侦测接收时隙内启动接收所述同步数据包，并在所述同步有效期内接收所述同步数据包，并将当前对应同步数据包接收的状态核验码置入设备状态信标之中。
3.2.2 声发射设备
IOT声发射设备基于上述无线同步技术，使用2.4GHz ISM频段（与2.4G WiFi同频段，会自动避开WiFi信道），通过星形网络技术（1个主机，其余为路由节点）实现同步组网功能，如下图所示。
图3-1 基于WIFI无线同步组网的清诚IOT声发射设备系统
下图为某项目使用的基于WIFI无线同步的声发射检测系统，采用100台设备通过无线WIFI路由器与电脑（分析终端）进行数据传输，通过无线WIFI同步网络进行时间同步，对泄露产生的声发射信号进行分析，从而实现故障定位。
基于GPS的清诚IOT声发射设备具有以下优点：
[if !supportLists]1、 [endif]可容纳通道数很多；
[if !supportLists]2、 [endif]安装布设容易，只需要安装一次；
[if !supportLists]3、 [endif]组网方便，可实现与距离通信；
[if !supportLists]4、 [endif]可实现长期无人值守；
[if !supportLists]5、 [endif]布设空间广，不需要线缆；
[if !supportLists]6、 [endif]同步精度高，可达±1us；
[if !supportLists]7、 [endif]成本低。
存在缺点：
[if !supportLists]1、 [endif]受无线信号强度影响大，容易受障碍物影响。
3.3 小结
以上4种同步方式各有特点，在使用时可根据需求选择合适的设备，4种同步方式的对比如下：
表1 4种同步方式对比表
信号精度安装难度同步精度布设空间维护难度成本
板间同步最高高最高小高最高
有线同步高一般中中中中
GPS同步中低高广低低
无线同步中低高广低低
3.4 无线时钟同步系统总体设计
工业生产环境中大型设备或系统在长期的运行工作中会发生不可预知的故障或异常。基于物联网的声发射设备能够快速检测到故障或异常的发生，可用于对大型设备的长期实时远程监测；基于高精度的声发射源定位能够帮助工程人员快速定位故障或异常发生的位置，可用于对大型设备进行结构可靠性监测和检测。大型设备或系统所处的环境复杂多样，有些是户外环境，有些是室内环境，有些是无法使用无线网络的环境，为了适应多种环境的需求，最新的清诚IOT声发射设备内部兼容GPS/无线/有线3种同步方式，可通过配置同步模式，选择GPS同步、无线同步和有线同步。设备内部集成了GPS、WIFI同步及485同步电路，通过主控芯片实现这些同步功能电路的切换，从而适应多种同步方式。设备的原理框图如下：
图3-3 清诚IOT声发射设备硬件原理示意图
通过此种方式，该设备可兼容多种室内室外、有线无线的应用场景，提供高精度的同步功能，从而实现声发射系统的故障定位功能。
该设备的参数如表2所示。
表2清诚IOT声发射设备硬件参数
通道组合多通道组合使用输入带宽10KHz-1000KHz
采集方式信号触发/时间触发模拟滤波器多频段可选
同步时钟GPS：同步时钟优于1us
WiFi：同步时钟优于10us
有线：同步时钟优于10us
防护等级IP62~IP67，可根据用户环境需求配置
采集频率单通道最大采样率2M点/s内置SD卡容量64GB(可拓展至512GB)
采集精度16位通讯方式4G、WiFi、LAN等；
系统噪声优于30dB使用温度范围-20℃-60℃
AE特征参数到达时间、幅度、振铃计数、能量、上升时间、持续时间、RMS、ASL数据输出波形、参数、参数评级、可根据参数评级来选择是否上传波形、参数
数字滤波器256阶的FIR滤波器，0KHz~1000KHz频率范围内任意数值设置直通、高通、低通、带通供电12VDC外部电源，或内置电池供电，电池工作时长最大40小时。
4 无线同步时钟设备现状及同步时钟精度测试
4.1 GPS/Wifi无线同步时钟版M1产品现状
GPS无线同步时钟版M1声发射检测系统由多个独立的单通道声发射采集器通过WiFi传输到电脑上位机软件或通过4G传输到云端平台的多通道实时声发射采集系统。每个采集器之间的数据时间同步通过接收GPS时间来实现，且同步时钟精度可以达到1us以内，适用于各种需要实现时差定位的场合，如储罐底板腐蚀时差定位、压力容器裂纹开裂定位检测等。
WiFi无线同步时钟版M1声发射检测系统由多个独立的单通道声发射采集器通过WiFi传输到电脑上位机软件的多通道实时声发射采集系统。通过WiFi星形网络技术（1个主机，其余为路由节点）实现同步组网功能，无线同步时钟精度优于±10us。适用于在接收不到卫星信号的大坝厂房、隧道工程、核电等密闭厂房内只能依靠局部组网的方式来同步的环境。
4-1 GPS无线同步时钟版M14-2 WiFi无线同步时钟版M1
表2GPS/WiFi无线同步时钟版M1硬件参数
通道组合单通道或多通道组合使用输入带宽10KHz-1000KHz
采集方式信号触发/时间触发模拟滤波器多频段可选
无线同步时钟GPS,同步时钟优于1us
WiFi,同步时钟优于10us
防护等级IP62
采集频率单通道最大采样率2M点/s内置SD卡容量64GB(可拓展至512GB)
采集精度16位通讯方式4G、WiFi；
系统噪声优于30dB使用温度范围-20℃-60℃
AE特征参数到达时间、幅度、振铃计数、能量、上升时间、持续时间、RMS、ASL数据输出波形、参数、参数评级、可根据参数评级来选择是否上传波形、参数
数字滤波器256阶的FIR滤波器，0KHz~1000KHz频率范围内任意数值设置直通、高通、低通、带通供电12VDC外部电源，或内置电池供电
4.2 同步时钟精度测试
取500mm×500mm钢板，四个角分别放上放上无线同步时钟RAEM1，在铁板上沿着“A”的路径折断0.5mmHB硬度铅笔芯的方式，得到定位图如右图所示，时差精度高、定位效果好。
图4-3：测试环境图4-4：测试结果
5 应用方案及案例
5.1 某核电安全壳内泄漏精确定位
在核电反应堆厂房安全壳整体密封性试验过程中出现泄漏率超标时，通过安装在安全壳内部的WiFi高精度无线同步时钟版的RAEM1采集数据，传输到安全壳外的电脑上位机软件，可快速和准确地找到泄漏点位置。
无线传感系统由100只无线传感单元（1只主机，99只从机）和电脑上位机软件组成。当泄露发生时，100只高同步时钟精度的RAEM1同时采集波形数据，经过波形相关算法计算出到达阵列内传感器的时差，进而用面定位算法计算出泄露源位置。其无线传感系统结构及布局示意图如下图所示。
图5-1 传感器原理框图图5-2传感器详细布置图
5.2 管道泄露定位
传感器安装在一段10米长的管道上，分别接入两个GPS无线同步时钟版本RAEM1，如下图5-3、5-4所示，数据通过WiFi传输到电脑上位机软件。
实验1：两个传感器中间位置断铅1次，得到定位图如5-5所示；
实验2：在靠近1#传感器2米位置断铅6次，得到定位图如5-5所示；
结论：GPS版本的RAEM1同步时钟精度能准确定位，结合相关算法可以用于压力管道外泄漏或阀门内泄漏。
图5-3 传感器安装图图5-4 1#、2#传感器分布图
图5-5 中间断铅一次图5-6 靠近1#传感器2米位置断铅6次
5.3常压储罐底板腐蚀检测、球罐等压力容器裂纹检测
传统储罐底板腐蚀检测，传感器需要拉线到声发射采集器，同时还要拉电缆给声发射采集仪供电，线缆众多，费时费力。采用WiFi无线同步时钟版的RAEM1，其传感器、采集器、通讯、时钟同步、电池一体化内置在圆筒里面，可以完全免除布线，整体通过电池供电，可以连续工作5小时以上，完全满足2-3次检测需求，并且通道数可以灵活配置，大大提高了检测的效率。其原理框图如下图5-7、5-8所示：
图5-7 WiFi无线同步时钟一体化版RAEM1常压储罐底板腐蚀检测
图5-8 WiFi无线同步时钟一体化版RAEM1球罐检测
6 总结
基于GPS/Wifi高精度无线同步时钟的分布式无线声发射系统可以实现分布式高精度无线同步时钟定位，目前已经在常压储罐底板腐蚀定位、压力容器等裂纹定位、泄露源定位有应用案例。配合物联网架构的物联网声发射设备，可以实现无线同步时钟时差定位的长期在线监测。
