Модули E20-10 в 21-канальной системе регистрация акустических сигналов

Внедрение: 2018 г.

В институте физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН разработана высокоскоростная 21‑канальная система записи сигналов акустической эмиссии (АЭ) от пьезоэлектрических датчиков на основе модулей АЦП E20‑10 [1]. Анализировались сигналы АЭ с частотой до 750 кГц.

Авторы отмечают, что модуль E20‑10 ранее был протестирован как часть аппаратно-программного комплекса INOVA, где он хорошо зарекомендовал себя в интегрированной системе записи каналов.

В новом комплексе измерения АЭ были использованы семь модулей E20‑10 для 21‑го акустического канала (при скорости оцифровки 2,5 МГц на канал). Один из семи модулей E20‑10 является синхронизирующим по частоте преобразования АЦП для остальных модулей. Система выполняет непрерывную и полную запись сигналов по всем активированным каналам без пропусков в течение всего времени эксперимента. Для записи данных используется один системный блок на базе процессора Intel Core i5 и несколько жестких дисков большой емкости. Для обеспечения работоспособности системы используются оригинальные усовершенствования программного обеспечения для Matlab и DELFI.

Общая блок-схема многоканальной системы записи показана на рисунке 1.

Рисунок 1. Блок-схема АЭ регистратора: 1 – тестовый образец; 2 – датчики AЭ в верхних и нижних пуансонах пресса; 3 – AЭ сенсорная система на поверхности образца; 4 – предусилители; 5 – АЦП Е20‑10; 6 – компьютер управления и записи.

Регистратор состоит из блока пьезоэлектрических датчиков, блока предварительного усилителя, блока АЦП и блока системного компьютера. Сигналы АЭ, поступающие от образца (1), подаются на блок пьезоэлектрических преобразователей (2, 3), которые затем усиливаются предварительными усилителями (4) и подаются на входы семи модулей АЦП (5). От каждого модуля E20‑10 оцифрованные сигналы проходят через шину USB 2.0 к главному управляющему компьютеру (6), где они предварительно обрабатываются и записываются на жесткие диски.

Для решения проблемы подключения всех модулей АЦП к различным контроллерам USB авторы выбрали управляющую материнскую плату ASUS P8BWS, которая имеет встроенный двухпортовый контроллер USB 3.0 и 14‑портовый контроллер USB 2.0 на базе чипсета Intel C206. Пять модулей E20‑10 были подключены к этим контроллерам. Два других модуля были подключены к двум независимым контроллерам PCI‑e с портами USB 3.0 (NC‑3U2PE). Тестирование на максимальной входной скорости от всех модулей АЦП показало отсутствие сбоев и пропусков данных. Для достижения необходимой скорости предварительной обработки авторы использовали четырехъядерный процессор Intel Core i5‑3470 с тактовой частотой 3,2 ГГц и 16 ГБ оперативной памяти. Проблема скорости записи на жесткие диски была решена путем создания массива RAID‑0 из двух жестких дисков емкостью 1 ТБ каждый. Благодаря такой конфигурации удалось добиться максимальной скорости непрерывной записи на них на уровне 230 МБ/с. Твердотельный диск объемом 512 МБ использовался для установки операционной системы Windows 7 и для записи потока данных только из одного базового модуля.

На рисунке 2 показаны результаты полного тестирования системы для сбора и записи на жесткие диски под управлением 64‑битной операционной системы (монитор ресурсов). Как видно на рисунке 2, нагрузка на центральный процессор не превышает 12 %. Использование физической памяти составляет 21 %. Нагрузка на канал записи на жесткие диски не превышает 50 %.

Рисунок 2. Снимок экрана диспетчера задач при работе системы сбора данных АЭ.

Источники:

1. Патонин А.В., Шихова Н.М., Пономарев А.В., Смирнов В.Б. Модульная система непрерывной регистрации акустической эмиссии для лабораторных исследований разрушения горных пород // Сейсмические приборы. – Москва. Изд-во: Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН. – 2018. – Т. 54, № 3. – С. 35‑55.
2. Patonin, A.V., Shikhova, N.M., Ponomarev, A.V. et al. A Modular System for Continuous Recording of Acoustic Emission for Laboratory Studies of Rock Destruction Processes. Seism. Instr. 55, 313‑326 (2019). https://doi.org/10.3103/S0747923919030101.

Разработчик: Патонин А.В., Шихова Н.М., Пономарев А.В., Смирнов В.Б. (Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН)