STCl2C5410AD單片機的四通道聲發(fā)射信號采集系統(tǒng)設(shè)計方案

摘要：根據(jù)聲發(fā)射信號微弱、傳播速度快、易受干擾等特點，通過對聲發(fā)射檢測中聲發(fā)射信號源定位類別和方法的研究，提出了多個數(shù)據(jù)采集通道同時采集聲發(fā)射信號的設(shè)計方法。本方法利用單片機技術(shù)設(shè)計了一個多通道聲發(fā)射信號采集系統(tǒng)，從而實現(xiàn)了對聲發(fā)射信號的同步采集以及聲源信號技術(shù)，同時通過與上位機通訊完成了數(shù)據(jù)的保存和處理。
關(guān)鍵詞：聲源定位；無損檢測；電荷放大器；微弱信號檢測；同步采樣；SPI通訊

0 引言
??? 聲發(fā)射技術(shù)作為一種新型動態(tài)監(jiān)測技術(shù)，在無損檢測技術(shù)中占有重要地位。而無損檢測技術(shù)又是故障診斷中較為常用而有效的方法。因此，聲發(fā)射技術(shù)在故障診斷的在線檢測中具有廣闊的應(yīng)用前景。特別是正在執(zhí)行生產(chǎn)任務(wù)的大型壓力容器方面。由于需要長期連續(xù)不停產(chǎn)的工作，容易造成壓力容器疲勞損傷，對安全生產(chǎn)造成嚴(yán)重威脅。而聲發(fā)射檢測可以在不中斷生產(chǎn)的條件下，對大型壓力容器或儲罐進行動態(tài)監(jiān)測，并能夠快速捕捉缺陷位置，從而有效避免重大事故的發(fā)生。

1 聲發(fā)射信號的特點及采集原理
??? 聲發(fā)射(Acoustic Emission)技術(shù)是一種可用于評價材料或構(gòu)件損傷的無損檢測診斷技術(shù)。所謂聲發(fā)射，是指材料在外力或內(nèi)力作用下，局部源快速釋放能量而產(chǎn)生瞬態(tài)彈性波的一種現(xiàn)象。材料所釋放出的彈性波反映了材料破壞過程中的一些物理特性，而通過耦合在材料表面上的壓電陶瓷探頭可將材料內(nèi)聲發(fā)射源產(chǎn)生的彈性波轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，然后?yīng)用電子設(shè)備將這些電信號加以放大、采樣，再將采集的數(shù)據(jù)傳送到上位機進行儲存和分析。
??? 在材料內(nèi)部生成的聲發(fā)射信號所產(chǎn)生的彈性波在傳播過程中會受到反射、衍射和波型轉(zhuǎn)換等因素的綜合作用，從而引起彈性波能量的衰減，這樣，聲發(fā)射信號的強度會根據(jù)傳感器的位置與聲發(fā)射源距離的增加而減弱。所以，由材料變形或裂紋形成點傳播到傳感器接收點時，所檢測到的聲發(fā)射信號就會變得非常微弱。
??? 聲發(fā)射檢測技術(shù)中最重要的是對聲發(fā)射源定位，而聲發(fā)射源定位的方式和方法是由聲發(fā)射信號采集系統(tǒng)的通道數(shù)決定的。一維線定位要求有兩個聲發(fā)射信號通道，而二維平面定位則至少要求三路聲發(fā)射信號通道。所以四通道的聲發(fā)射信號采集是應(yīng)用最為廣泛的聲發(fā)射信號采集系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上，才可以擴充為更多通道的聲發(fā)射信號采集系統(tǒng)。

2 聲發(fā)射信號采集系統(tǒng)電路設(shè)計
2．1 聲發(fā)射信號采集系統(tǒng)的組成
??? 聲發(fā)射數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由傳感器、前置放大器、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)通信、信號處理等模塊構(gòu)成。多通道聲發(fā)射信號采集系統(tǒng)通常由四個獨立的信號采集通道組成。本文將對四個獨立信號采集系統(tǒng)的設(shè)計進行詳盡的論述。圖1所示是一種多通道聲發(fā)射信號采集系統(tǒng)的組成框圖。

2．2 聲發(fā)射信號的放大濾波電路
??? 由于聲發(fā)射信號十分微弱，因而必須選擇高輸入阻抗的放大器；而電荷放大器具有高輸入阻抗和較好的線性度。更因為聲發(fā)射探頭為壓電陶瓷，具有容性特點，所以，選擇普通放大器會使工作時的靜態(tài)電荷倒灌在傳感器的極板，使傳感器無法正常輸出被檢測信號。因此，在本系統(tǒng)中，第一級放大電路選擇了電荷放大器LF356，圖2所示是該系統(tǒng)的電荷放大電路。

??? 電荷放大器電路中，電阻的阻值和電容的容值選取必須滿足傳感器輸出的信號頻率要求：
???
??? 本設(shè)計采用兩級放大，第一級電荷放大器的放大倍數(shù)A設(shè)計為20，即：
???
??? 其中：Ct為換能器的等效電容，選擇反饋電容Cf的容值為1 nF，換能器的等效容值為20 nF，這樣，選取Cf為1 nF，選擇Rf的阻值為10 MΩ，那么，將電阻電容帶入到關(guān)系式可得：
???
??? 而換能器輸出信號的頻率大于60 Hz，即：f>fx，大于電荷放大器的截斷頻率，可以滿足設(shè)計要求。

2．3 同步采樣電路
??? 在聲發(fā)射檢測中，判別一個聲發(fā)射信號是否產(chǎn)生的基本條件之一是聲發(fā)射信號的門限電壓，當(dāng)信號高過聲發(fā)射信號的門限電壓時，則認為一個聲發(fā)射事件產(chǎn)生。在本系統(tǒng)中設(shè)置電壓比較器，檢測強烈的聲發(fā)射信號時，電壓比較器的基準(zhǔn)電壓就是聲發(fā)射檢測中的門限電壓。系統(tǒng)中四路獨立的聲發(fā)射信號經(jīng)過放大濾波后即可進入電壓比較器LM239。LM239有四個獨立的電壓比較器模塊．當(dāng)信號進入各自的電壓比價器模塊后，即可與門限電壓相比較。當(dāng)信號高于門限電壓時，則判定聲發(fā)射信號到來，此時電壓比較器的輸出為高。
??? 由于聲波在鋼板中的傳播速度較快(典型的傳播速度為3000 m／s)，如果由一個中央處理單元控制多個通道的指令時間不夠快的話，就會造成數(shù)據(jù)采集的不同步。本文采用“優(yōu)先到達同時觸發(fā)四路AD同步采集”的設(shè)計方案。
??? 在四個傳感器中，優(yōu)先接收到聲發(fā)射信號的通道亦是優(yōu)先使該通道電壓比較器的輸出為高電平的通道，故可以把此通道的高電平信號同時送到四個單片機的外部中斷，然后啟動四個單片機的片內(nèi)AD同時對四個通道的聲發(fā)射信號進行采集。這樣就從根本上避免了在程序中由于指令執(zhí)行時間以及其它內(nèi)部因素的延遲影響，對多通道數(shù)據(jù)采集造成的不同步、采集遺漏或采集不完全等問題。其同步采樣電路如圖3所示。

2．4 數(shù)據(jù)通訊
??? 本系統(tǒng)的信號采集通訊部分分為下位機的，SPI多單片機組成的數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)和主控單片機與上位機通訊兩部分。
??? STCl2C5410AD單片機自帶SPI通訊接口，且內(nèi)置8位移位寄存器，可保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確，并可簡化電路設(shè)計，提高設(shè)計的可靠性。
??? 本設(shè)計中設(shè)置的四個信號通道中的四個單片機均為從單片機，它們由主控單片機控制，可通過從機選擇線來選擇需要通訊的從單片機。四個從單片機可公用主機輸入／從機輸出數(shù)據(jù)線MISO、主機輸出／從機輸入數(shù)據(jù)線MOSI、以及時鐘SPICLK總線。同時它們可將采集的數(shù)據(jù)保存在各自從單片機的寄存器中，以便主控可以利用SPI總線取出各個從單片機中的數(shù)據(jù)，這樣就由SPI總線構(gòu)成了一個數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)。
與上位機的通訊可采用串口通訊的方式，并通過串口通訊設(shè)計把計算機與單片機聯(lián)系起來，然后將采集的數(shù)據(jù)按通道次序傳輸?shù)接嬎銠C中，
最后由上位機發(fā)口令，再由主控單片機將采集的數(shù)據(jù)按通道次序傳輸?shù)接嬎銠C中。

3 實驗與仿真
??? 聲發(fā)射的信號可采用硬度為HB的鉛筆芯折斷的信號進行模擬。鉛筆直徑西為0．5 mm，其鉛芯伸出長度約為2．5 mm，與鋼板表面夾角為30°左右。
??? 聲發(fā)射信號來自缺陷本身，同樣大小和性質(zhì)的缺陷，由于所處的位置和應(yīng)力的狀態(tài)不同，所以它的聲發(fā)射信號也會有差別。實驗中，在固定傳感器位置不變的情況下，在同一個點多次將鉛筆芯折斷，觀察信號的狀態(tài)，最終選擇了聲發(fā)射模擬信號出現(xiàn)較為頻繁的情況作為聲發(fā)射模擬信號的狀態(tài)，本文采用STC12C5410AD單片機，它是具有8個lO位100 ksps的AD，完全滿足采樣定理，而且片內(nèi)自帶SPI總線，故可進行多通道聲發(fā)射信號采集系統(tǒng)的試驗。
??? 試驗采用壓電陶瓷片作為聲發(fā)射信號傳感器，因此具有結(jié)構(gòu)簡單、輕巧、靈敏度高等特點。壓電陶瓷對外力敏感，并可將極其微弱的機
械振動轉(zhuǎn)換成電信號。
??? 針對聲發(fā)射信號的特點，本實驗選擇的基板材料為黃銅，諧振頻率為20 kHz，電容量為20 nF的壓電陶瓷片作為聲發(fā)射模擬信號的換能器，可以滿足鉛筆芯折斷信號的接收要求。
??? 本實驗選擇了兩通道的數(shù)據(jù)采集，在厚度為10 mm的鋼板上又間隔的分布了兩個傳感器，然后折斷鉛筆芯，并在上位機分別選擇通道一和通道二，再將兩個通道的數(shù)據(jù)分別上傳到上位機，并利用MATLAB將采集的數(shù)據(jù)表示成波形。這樣，就可以看出聲發(fā)射模擬信號的幅值隨時間的變化有所衰減，從而證明了彈性波在傳播過程中的能量衰減。同時，在傳感器2的位置還出現(xiàn)了彈性波的干涉現(xiàn)象，這正是彈性波的縱波和橫波相繼到達換能器2所造成的。圖4所示是信號采集的波形仿真圖。

4 結(jié)束語
??? 本文根據(jù)聲發(fā)射的特點，利用聲發(fā)射的聲源定位方法，提出了一種多通道數(shù)據(jù)信號采集系統(tǒng)的設(shè)計方法。通過大量實驗證明，本設(shè)計具有數(shù)據(jù)傳輸快、定位準(zhǔn)確等特點，能夠達到聲源定位的要求。