基于STCl2C5410AD單片機(jī)的四通道聲發(fā)射信號(hào)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：根據(jù)聲發(fā)射信號(hào)微弱、傳播速度快、易受干擾等特點(diǎn)，通過對(duì)聲發(fā)射檢測中聲發(fā)射信號(hào)源定位類別和方法的研究，提出了多個(gè)數(shù)據(jù)采集通道同時(shí)采集聲發(fā)射信號(hào)的設(shè)計(jì)方法。本方法利用單片機(jī)技術(shù)設(shè)計(jì)了一個(gè)多通道聲發(fā)射信號(hào)采集系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)聲發(fā)射信號(hào)的同步采集以及聲源信號(hào)技術(shù)，同時(shí)通過與上位機(jī)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(hào)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(dòng)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(duì)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(duì)大型壓力容器或儲(chǔ)罐進(jìn)行動(dòng)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(hào)的特點(diǎn)及采集原理
聲發(fā)射(Acoustic Emission)技術(shù)是一種可用于評(píng)價(jià)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?hào)，然后應(yīng)用電子設(shè)備將這些電信號(hào)加以放大、采樣，再將采集的數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)進(jìn)行儲(chǔ)存和分析。
在材料內(nèi)部生成的聲發(fā)射信號(hào)所產(chǎn)生的彈性波在傳播過程中會(huì)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(hào)的強(qiáng)度會(huì)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(diǎn)傳播到傳感器接收點(diǎn)時(shí)，所檢測到的聲發(fā)射信號(hào)就會(huì)變得非常微弱。
聲發(fā)射檢測技術(shù)中最重要的是對(duì)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(hào)采集系統(tǒng)的通道數(shù)決定的。一維線定位要求有兩個(gè)聲發(fā)射信號(hào)通道，而二維平面定位則至少要求三路聲發(fā)射信號(hào)通道。所以四通道的聲發(fā)射信號(hào)采集是應(yīng)用最為廣泛的聲發(fā)射信號(hào)采集系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上，才可以擴(kuò)充為更多通道的聲發(fā)射信號(hào)采集系統(tǒng)。

2 聲發(fā)射信號(hào)采集系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)
2．1 聲發(fā)射信號(hào)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(hào)處理等模塊構(gòu)成。多通道聲發(fā)射信號(hào)采集系統(tǒng)通常由四個(gè)獨(dú)立的信號(hào)采集通道組成。本文將對(duì)四個(gè)獨(dú)立信號(hào)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行詳盡的論述。圖1所示是一種多通道聲發(fā)射信號(hào)采集系統(tǒng)的組成框圖。

2．2 聲發(fā)射信號(hào)的放大濾波電路
由于聲發(fā)射信號(hào)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?yàn)槁暟l(fā)射探頭為壓電陶瓷，具有容性特點(diǎn)，所以，選擇普通放大器會(huì)使工作時(shí)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(hào)。因此，在本系統(tǒng)中，第一級(jí)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(hào)頻率要求：

本設(shè)計(jì)采用兩級(jí)放大，第一級(jí)電荷放大器的放大倍數(shù)A設(shè)計(jì)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(hào)的頻率大于60 Hz，即：f>fx，大于電荷放大器的截?cái)囝l率，可以滿足設(shè)計(jì)要求。