基于農(nóng)產(chǎn)品聲學(xué)特性的信號處理模塊設(shè)計

摘要：聲學(xué)檢測技術(shù)以其價格低廉、信號量豐富等優(yōu)勢廣泛應(yīng)用與農(nóng)產(chǎn)品無損檢測。但由于其抗干擾能力較差，容易引入諸多干擾信息，影響農(nóng)產(chǎn)品聲學(xué)檢測結(jié)果。因此，本文提出了適用于農(nóng)產(chǎn)品聲學(xué)特性檢測系統(tǒng)的信號調(diào)理電路，通過差分電路、音頻放大電路和帶通濾波器等硬件電路提高聲學(xué)信號的信噪比，簡化后續(xù)數(shù)字信號處理，提高檢測效果。
關(guān)鍵詞：農(nóng)產(chǎn)品；無損檢測；聲學(xué)技術(shù)；信號處理

基于農(nóng)產(chǎn)品聲學(xué)的無損檢測方法是指農(nóng)產(chǎn)品在外界力的激勵作用下的響應(yīng)信號分析特性及其本身的聲阻抗與固有頻率等，反映了聲波與農(nóng)產(chǎn)品相互作用的基本規(guī)律。從振動力學(xué)角度看，當(dāng)農(nóng)產(chǎn)品表面強度發(fā)生變化時，其結(jié)構(gòu)剛度和阻尼系數(shù)將隨之變化，必然會反映到其模態(tài)固有頻率和阻尼比，利用這種敲擊振動響應(yīng)信號特性的差異，可區(qū)分農(nóng)產(chǎn)品的硬度及內(nèi)部品質(zhì)。王書茂(1999)研究基于聲學(xué)的沖擊振動方法檢測西瓜成熟度。Wang等(2004)用木制小球單點敲擊雞蛋小頭，雞蛋經(jīng)敲擊激勵后獲取時域特性信號。Diezma-Iglesias等(2006)通過敲擊振動響應(yīng)信號分析檢測不同儲藏期桃子的成熟度，發(fā)現(xiàn)不同成熟度的桃子，敲擊振動響應(yīng)信號脈沖信號有明顯的區(qū)別。
由于基于敲擊產(chǎn)生的信號較弱，受環(huán)境影響大，當(dāng)前研究雖考慮了對聲學(xué)信號進行濾波處理，但卻未能有效濾除環(huán)境噪聲及直流信號等干擾。針對當(dāng)前研究不足，文中提出適用于農(nóng)產(chǎn)品聲學(xué)特性檢測系統(tǒng)的信號調(diào)理電路模塊。應(yīng)用雙端輸入增強信號的穩(wěn)定性，通過帶通濾波與信號放大處理，濾除環(huán)境噪聲，并對信號模擬量進行放大，供后續(xù)處理。

1 基于農(nóng)產(chǎn)品聲學(xué)特性的檢測流程
自行研發(fā)了一套基于DSP(數(shù)學(xué)信號處理器，TMS320F2812)的農(nóng)產(chǎn)品聲學(xué)檢測系統(tǒng)，通過采集并分析敲擊響應(yīng)信號，實現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)的實時在線檢測。系統(tǒng)檢測流程如圖1所示，實現(xiàn)過程為：檢測對象在水平傳送的生產(chǎn)線上邊滾動邊向前運動，在傳送帶支架上有多個激振點，每個檢測對象通過一次生產(chǎn)線需經(jīng)歷多點敲擊，這樣可盡可能多地獲取檢測對象聲學(xué)信息。軌道上安裝一對紅外觸發(fā)器，檢測對象經(jīng)過時，產(chǎn)生一個電壓信號，驅(qū)動電磁鐵帶動敲擊棒執(zhí)行敲擊命令，同時紅外觸發(fā)開啟DSP系統(tǒng)，使DSP系統(tǒng)處于工作狀態(tài)。檢測對象表面受到自動敲擊后發(fā)出振動響應(yīng)信號，拾音器采集聲學(xué)信號經(jīng)調(diào)理電路后進入DSP系統(tǒng)，并由DSP自帶的A／D轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。在DSP軟件系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置閾值觸發(fā)，當(dāng)所得信號判斷為該檢測對象特有的信息時，即將采集的信號進行存儲和處理，并對信號進行快速傅立葉變化(FFT)，將信號從時域空間轉(zhuǎn)換到頻率空間。

2 信號采集與處理模塊
2．1 聲學(xué)信號處理流程
農(nóng)產(chǎn)品聲學(xué)信號的檢測受到眾多外部因素的干擾，影響DSP處理系統(tǒng)的計算結(jié)果，控制聲學(xué)信號與提高信噪比就顯得尤為重要。為此設(shè)計了一套聲學(xué)信號的采集與處理模塊，主要由拾音器采集電路、信號放大電路和帶通濾波器組成，其主要功能為獲取敲擊響應(yīng)信號，再通過拾音器將聲音信號轉(zhuǎn)變成電壓信號，通過信號放大電路將采集較弱的電壓信號進行放大，由于信號采集中存在噪聲，采用帶通濾波器對信號進行濾波，最后將電壓調(diào)整到1～2．5 V之間，進入DSP信號處理系統(tǒng)。