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

摘要：聲學(xué)檢測(cè)技術(shù)以其價(jià)格低廉、信號(hào)量豐富等優(yōu)勢(shì)廣泛應(yīng)用與農(nóng)產(chǎn)品無(wú)損檢測(cè)。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(cè)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(cè)系統(tǒng)的信號(hào)調(diào)理電路，通過(guò)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(jiǎn)化后續(xù)數(shù)字信號(hào)處理，提高檢測(cè)效果。
關(guān)鍵詞：農(nóng)產(chǎn)品；無(wú)損檢測(cè)；聲學(xué)技術(shù)；信號(hào)處理

基于農(nóng)產(chǎn)品聲學(xué)的無(wú)損檢測(cè)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(shū)茂(1999)研究基于聲學(xué)的沖擊振動(dòng)方法檢測(cè)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(guò)敲擊振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)分析檢測(cè)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(cè)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(guò)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(cè)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(cè)系統(tǒng)，通過(guò)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(cè)。系統(tǒng)檢測(cè)流程如圖1所示，實(shí)現(xiàn)過(guò)程為：檢測(cè)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(cè)對(duì)象通過(guò)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(cè)對(duì)象聲學(xué)信息。軌道上安裝一對(duì)紅外觸發(fā)器，檢測(cè)對(duì)象經(jīng)過(guò)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(kāi)啟DSP系統(tǒng)，使DSP系統(tǒng)處于工作狀態(tài)。檢測(cè)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(cè)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(cè)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(guò)拾音器將聲音信號(hào)轉(zhuǎn)變成電壓信號(hào)，通過(guò)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)。