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(cè)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(cè)；電荷放大器；微弱信號(hào)檢測(cè)；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(cè)技術(shù)，在無損檢測(cè)技術(shù)中占有重要地位。而無損檢測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)，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(cè)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(cè)到的聲發(fā)射信號(hào)就會(huì)變得非常微弱。
    聲發(fā)射檢測(cè)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(cè)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。
2．3 同步采樣電路
    在聲發(fā)射檢測(cè)中，判別一個(gè)聲發(fā)射信號(hào)是否產(chǎn)生的基本條件之一是聲發(fā)射信號(hào)的門限電壓，當(dāng)信號(hào)高過聲發(fā)射信號(hào)的門限電壓時(shí)，則認(rèn)為一個(gè)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(cè)強(qiáng)烈的聲發(fā)射信號(hào)時(shí)，電壓比較器的基準(zhǔn)電壓就是聲發(fā)射檢測(cè)中的門限電壓。系統(tǒng)中四路獨(dú)立的聲發(fā)射信號(hào)經(jīng)過放大濾波后即可進(jìn)入電壓比較器LM239。LM239有四個(gè)獨(dú)立的電壓比較器模塊．當(dāng)信號(hào)進(jìn)入各自的電壓比價(jià)器模塊后，即可與門限電壓相比較。當(dāng)信號(hào)高于門限電壓時(shí)，則判定聲發(fā)射信號(hào)到來，此時(shí)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(gè)中央處理單元控制多個(gè)通道的指令時(shí)間不夠快的話，就會(huì)造成數(shù)據(jù)采集的不同步。本文采用“優(yōu)先到達(dá)同時(shí)觸發(fā)四路AD同步采集”的設(shè)計(jì)方案。
    在四個(gè)傳感器中，優(yōu)先接收到聲發(fā)射信號(hào)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(hào)同時(shí)送到四個(gè)單片機(jī)的外部中斷，然后啟動(dòng)四個(gè)單片機(jī)的片內(nèi)AD同時(shí)對(duì)四個(gè)通道的聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)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(shí)間以及其它內(nèi)部因素的延遲影響，對(duì)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(hào)采集通訊部分分為下位機(jī)的，SPI多單片機(jī)組成的數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)和主控單片機(jī)與上位機(jī)通訊兩部分。
    STCl2C5410AD單片機(jī)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(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)，提高設(shè)計(jì)的可靠性。
    本設(shè)計(jì)中設(shè)置的四個(gè)信號(hào)通道中的四個(gè)單片機(jī)均為從單片機(jī)，它們由主控單片機(jī)控制，可通過從機(jī)選擇線來選擇需要通訊的從單片機(jī)。四個(gè)從單片機(jī)可公用主機(jī)輸入／從機(jī)輸出數(shù)據(jù)線MISO、主機(jī)輸出／從機(jī)輸入數(shù)據(jù)線MOSI、以及時(shí)鐘SPICLK總線。同時(shí)它們可將采集的數(shù)據(jù)保存在各自從單片機(jī)的寄存器中，以便主控可以利用SPI總線取出各個(gè)從單片機(jī)中的數(shù)據(jù)，這樣就由SPI總線構(gòu)成了一個(gè)數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)。
與上位機(jī)的通訊可采用串口通訊的方式，并通過串口通訊設(shè)計(jì)把計(jì)算機(jī)與單片機(jī)聯(lián)系起來，然后將采集的數(shù)據(jù)按通道次序傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中，
最后由上位機(jī)發(fā)口令，再由主控單片機(jī)將采集的數(shù)據(jù)按通道次序傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中。

3 實(shí)驗(yàn)與仿真
    聲發(fā)射的信號(hào)可采用硬度為HB的鉛筆芯折斷的信號(hào)進(jìn)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(hào)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(hào)也會(huì)有差別。實(shí)驗(yàn)中，在固定傳感器位置不變的情況下，在同一個(gè)點(diǎn)多次將鉛筆芯折斷，觀察信號(hào)的狀態(tài)，最終選擇了聲發(fā)射模擬信號(hào)出現(xiàn)較為頻繁的情況作為聲發(fā)射模擬信號(hào)的狀態(tài)，本文采用STC12C5410AD單片機(jī)，它是具有8個(gè)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(jìn)行多通道聲發(fā)射信號(hào)采集系統(tǒng)的試驗(yàn)。
    試驗(yàn)采用壓電陶瓷片作為聲發(fā)射信號(hào)傳感器，因此具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輕巧、靈敏度高等特點(diǎn)。壓電陶瓷對(duì)外力敏感，并可將極其微弱的機(jī)
械振動(dòng)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。
    針對(duì)聲發(fā)射信號(hào)的特點(diǎn)，本實(shí)驗(yàn)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(hào)的換能器，可以滿足鉛筆芯折斷信號(hào)的接收要求。
    本實(shí)驗(yàn)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(gè)傳感器，然后折斷鉛筆芯，并在上位機(jī)分別選擇通道一和通道二，再將兩個(gè)通道的數(shù)據(jù)分別上傳到上位機(jī)，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(hào)的幅值隨時(shí)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(shí)，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(dá)換能器2所造成的。圖4所示是信號(hào)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(diǎn)，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(hào)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。通過大量實(shí)驗(yàn)證明，本設(shè)計(jì)具有數(shù)據(jù)傳輸快、定位準(zhǔn)確等特點(diǎn)，能夠達(dá)到聲源定位的要求。