地球科学部2002年度科学仪器专项“分布式并行控制声发射全波记录仪”通过验收

日期 2005-08-08　来源：情况交流　作者：地球科学部于贵华于晟　【大中小】　【打印】　【关闭】

　　由中国地震局地质研究所刘力强研究员主持的“分布式并行控制声发射全波记录仪”科学仪器专项于2005年6月28在北京通过验收。　　岩石破裂失稳过程中发射的信号，从时间上看，它发生频度变化很大，从几十秒发生一次，到一秒钟发生几千次；从空间上看，要获得有意义的AE分布图像，必须达到毫米级的定位精度；AE信号的强度范围至少在6个数量级以上，频率范围覆盖从几万赫兹到近百万赫兹的频段。因此，在岩石力学实验室中，声发射研究几乎成为最富有挑战性的工作，全波形声发射观测也成为变化最快与最昂贵的技术之一。　　该项目组经过3年努力，研制出了一套32通道、12位分辨率、最高采样频率50兆赫的声发射全波形记录系统，在达到预期指标的基础上，一些关键技术性能取得了显著进展。本系统达到技术指标如下：　　1）32个信号记录通道，每道缓存4096~32768字可调。2）采样速度0.5，1，2，5，10，20，40，50MHz可调。3）多通道并行工作，各通道间的同步误差不大于20nS。新增分布式时间同步采样功能，授时误差25nS。4）模/数转换分辨率12位，系统信噪比优于60分贝(100倍增益，实测零点噪声均方差1.2字,即2σ条件下的信噪比为64dB )。5）4096字样长条件下，系统“死时间”短于0.9毫秒，即每秒钟最快可以记录1100个以上的AE事件在32个方位上的振动波形。6）系统每单元至少可以存储4K字长波形2千万个。7）简单、快捷的系统操作界面，大容量磁盘阵列机支持下的声发射数据库系统，提供标准、方便的数据处理接口。　　与同类声发射观测系统相比，该系统具有如下特点：1）应用计算机机群技术，在分布式控制环境中，实现了对声发射数据的的实时高速并行采集，创建了一种新型的系统架构。2）宽带高速大流量数据采集，实测连续记录系统累加带宽达到384Mbyte/s。该性能使声发射系统的“死时间”降到1ms以下，即当声发射事件爆发频率达到每秒一千个以上时，本系统仍能连续记录每个事件产生的振动达到32个测点上的波形。声发射系统的动态记录能力因此提高了数十倍。3）纳秒时钟统一授时，各通道独立触发记录，成倍提高了系统资源的利用率。它彻底改变了以往系统的“事件同步”工作方式，代之以“时间同步”。这不但提高了系统的性能，还使室内系统的工作方式更贴近现场测震台网。4）对每次实验产生的数以千兆字节计的观测数据提供数据库支持，用户可以获得强大的计算处理能力。　　作为一种高速数据采集系统，声发射观测仪器集中反映了当代最新的电子技术在岩石力学与地球物理模拟实验中的应用水平，一直是国际上的竞争热点。由于中国的元器件制作工艺明显落后，各个实验室一般以购买国外成套设备为主。因此，多年来我国在这个领域中只能努力追踪别人的步伐，而难以超越。尽管目前我国在器件性能上还暂时无法取得突破性进展，但是在结构与系统设计上完全可以走一条独立创新的路线。该项目在引入国际上最新器件的基础上，自主设计硬件结构，独立开发软件系统。其中所采用的分布式并行控制与纳秒时钟授时技术创建了一种全新的声发射系统架构，大幅度提高了数据传输效率，使“死时间”小于1ms。这个系统的建成，使我国在声发射观测技术领域达到世界领先地位。　　该系统全面提高了岩石变形声发射的观测技术，对促进实验地震学和地球物理学、岩石力学和材料力学等学科的深入发展具有重要的意义，在矿山及大型工程的安全检测领域具有广泛的应用前景。评审专家强烈建议项目组应尽早实现仪器的商品化。