摘要：聲學(xué)檢測技術(shù)以其價(jià)格低廉、信號(hào)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(hào)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(hào)的信噪比，簡化后續(xù)數(shù)字信號(hào)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(hào)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(lì)作用下的響應(yīng)信號(hào)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(dòng)力學(xué)角度看，當(dāng)農(nóng)產(chǎn)品表面強(qiáng)度發(fā)生變化時(shí)，其結(jié)構(gòu)剛度和阻尼系數(shù)將隨之變化，必然會(huì)反映到其模態(tài)固有頻率和阻尼比，利用這種敲擊振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)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(dòng)方法檢測西瓜成熟度。Wang等(2004)用木制小球單點(diǎn)敲擊雞蛋小頭，雞蛋經(jīng)敲擊激勵(lì)后獲取時(shí)域特性信號(hào)。Diezma-Iglesias等(2006)通過敲擊振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)分析檢測不同儲(chǔ)藏期桃子的成熟度，發(fā)現(xiàn)不同成熟度的桃子，敲擊振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)脈沖信號(hào)有明顯的區(qū)別。
    由于基于敲擊產(chǎn)生的信號(hào)較弱，受環(huán)境影響大，當(dāng)前研究雖考慮了對(duì)聲學(xué)信號(hào)進(jìn)行濾波處理，但卻未能有效濾除環(huán)境噪聲及直流信號(hào)等干擾。針對(duì)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(hào)調(diào)理電路模塊。應(yīng)用雙端輸入增強(qiáng)信號(hào)的穩(wěn)定性，通過帶通濾波與信號(hào)放大處理，濾除環(huán)境噪聲，并對(duì)信號(hào)模擬量進(jìn)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(hào)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(hào)，實(shí)現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)的實(shí)時(shí)在線檢測。系統(tǒng)檢測流程如圖1所示，實(shí)現(xiàn)過程為：檢測對(duì)象在水平傳送的生產(chǎn)線上邊滾動(dòng)邊向前運(yùn)動(dòng)，在傳送帶支架上有多個(gè)激振點(diǎn)，每個(gè)檢測對(duì)象通過一次生產(chǎn)線需經(jīng)歷多點(diǎn)敲擊，這樣可盡可能多地獲取檢測對(duì)象聲學(xué)信息。軌道上安裝一對(duì)紅外觸發(fā)器，檢測對(duì)象經(jīng)過時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)電壓信號(hào)，驅(qū)動(dòng)電磁鐵帶動(dòng)敲擊棒執(zhí)行敲擊命令，同時(shí)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(duì)象表面受到自動(dòng)敲擊后發(fā)出振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)，拾音器采集聲學(xué)信號(hào)經(jīng)調(diào)理電路后進(jìn)入DSP系統(tǒng)，并由DSP自帶的A／D轉(zhuǎn)換器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。在DSP軟件系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置閾值觸發(fā)，當(dāng)所得信號(hào)判斷為該檢測對(duì)象特有的信息時(shí)，即將采集的信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)和處理，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行快速傅立葉變化(FFT)，將信號(hào)從時(shí)域空間轉(zhuǎn)換到頻率空間。

2 信號(hào)采集與處理模塊
2．1 聲學(xué)信號(hào)處理流程
    農(nóng)產(chǎn)品聲學(xué)信號(hào)的檢測受到眾多外部因素的干擾，影響DSP處理系統(tǒng)的計(jì)算結(jié)果，控制聲學(xué)信號(hào)與提高信噪比就顯得尤為重要。為此設(shè)計(jì)了一套聲學(xué)信號(hào)的采集與處理模塊，主要由拾音器采集電路、信號(hào)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(hào)，再通過拾音器將聲音信號(hào)轉(zhuǎn)變成電壓信號(hào)，通過信號(hào)放大電路將采集較弱的電壓信號(hào)進(jìn)行放大，由于信號(hào)采集中存在噪聲，采用帶通濾波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波，最后將電壓調(diào)整到1～2．5 V之間，進(jìn)入DSP信號(hào)處理系統(tǒng)。[!--empirenews.page--]
2．2 音頻信號(hào)差分電路設(shè)計(jì)
    單端信號(hào)指的是用一個(gè)線傳輸與地之間的電壓差信號(hào)，但是由于地面會(huì)產(chǎn)生一定的電壓波動(dòng)，這會(huì)影響單端信號(hào)的質(zhì)量，因此抗干擾性比較差。在設(shè)計(jì)中，音頭的輸出信號(hào)采用差分方式。差分信號(hào)指的是用兩根線傳輸?shù)男盘?hào)，傳輸?shù)氖莾筛盘?hào)之間的電平差。因?yàn)閮蓚€(gè)信號(hào)都是相對(duì)于地的，當(dāng)?shù)氐碾妱莅l(fā)生變化時(shí)，兩個(gè)信號(hào)同時(shí)浮動(dòng)，差分兩根線之間的電壓變化就會(huì)變小。拾音器輸出信號(hào)的單端信號(hào)轉(zhuǎn)差分信號(hào)，電路如圖2所示。

    由于放大電路的輸入信號(hào)為雙輸入及平衡式差分信號(hào)，而音頻放大器產(chǎn)生單路信號(hào)，因此，需要設(shè)計(jì)阻抗匹配電路實(shí)現(xiàn)接口連接。假設(shè)拾音器產(chǎn)生信號(hào)為sint，則R2-6左端信號(hào)為sint，右端信號(hào)為sint，E2-2右端信號(hào)為sint，R2-7左端信號(hào)為2sint，即可認(rèn)為放大器負(fù)端輸入信號(hào)為A sint，放大器正端輸入信號(hào)為2Asint，這構(gòu)成了差分電路的輸入，輸入差為Asint，與拾音器信號(hào)相位相等，實(shí)現(xiàn)了拾音器信號(hào)的放大，并消除了共模干擾。
2．3 音頻放大電路設(shè)計(jì)
    INA217是TI公司的一款低噪聲、低失真的音頻放大器，具有電流反饋電路的設(shè)計(jì)，可用于低電平音頻信號(hào)放大，如對(duì)稱低阻微型話筒信號(hào)放大。INA217具有低噪聲和寬頻帶，獨(dú)特的失真消除電路把失真減小到極低水平。差分輸入、低噪聲和低失真度這些優(yōu)越性能提供專業(yè)的微型話筒信號(hào)放大。

    音頻信號(hào)放大電路如圖3所示，設(shè)計(jì)中所用的音頻采集器是電容式，在放大電路中提供一個(gè)48 V的幻象電源，R3-1和R3-2為幻象電源提供了一個(gè)電流通路，還設(shè)計(jì)有開關(guān)用來使能與關(guān)閉幻象電源。E3-2和E3-3 2個(gè)電容將幻象電源和INA217輸入電路隔離。4個(gè)1N4148的接入對(duì)靜電釋放和熱插拔進(jìn)行了保護(hù)。R3-4和R3-5為INA217提供了輸入偏置電流。在反饋電路中的U3-2(OPA137)將直流輸出電壓調(diào)節(jié)為0 V，對(duì)音頻信號(hào)不會(huì)產(chǎn)生任何影響。增益通過固定電阻R3-6和可變R3-7確定，R3-6決定了放大電路的最大增益。[!--empirenews.page--]
2．4 音頻濾波電路設(shè)計(jì)
    由于拾音器輸出信號(hào)有噪音干擾信號(hào)獲取，需要通過濾波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理。系統(tǒng)設(shè)計(jì)了巴特沃斯帶通濾波器，結(jié)合具有高輸入阻抗和負(fù)載能力很強(qiáng)的高運(yùn)能放大器OPA134，最后將電壓調(diào)整到I-2．5 V之間，輸送入DSP系統(tǒng)，供后續(xù)處理TMS320F2812開發(fā)板自帶有16路的A／D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采樣。

    巴特沃斯帶通濾波器如圖4所示，濾波器的設(shè)計(jì)借助于FilterLab2．0，將濾波器通帶頻率為1 200～6 800 Hz。隨著電路階數(shù)n的增加逐漸向理想逼近，當(dāng)電路階數(shù)設(shè)置為4階時(shí)能達(dá)到最好的效果，其頻率響應(yīng)曲線如圖5所示。在帶通濾波器之后還設(shè)置了無源濾波，將信號(hào)中的直流部分濾除，穩(wěn)壓管的作用是保護(hù)DSP的AD轉(zhuǎn)換器，使AD采樣的電壓都為正電壓。

3 結(jié)束語
    文中提出了適用于農(nóng)產(chǎn)品聲學(xué)特性檢測系統(tǒng)的信號(hào)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的設(shè)計(jì)，濾除環(huán)境噪聲以及直流信號(hào)，并對(duì)聲學(xué)信號(hào)模擬量進(jìn)行放大，提高聲學(xué)信號(hào)的信噪比，簡化后續(xù)數(shù)字信號(hào)處理，以提高檢測效果。