基于STCl2C5410AD單片機的四通道聲發(fā)射信號采集系統(tǒng)設計

摘要：根據(jù)聲發(fā)射信號微弱、傳播速度快、易受干擾等特點，通過對聲發(fā)射檢測中聲發(fā)射信號源定位類別和方法的研究，提出了多個數(shù)據(jù)采集通道同時采集聲發(fā)射信號的設計方法。本方法利用單片機技術設計了一個多通道聲發(fā)射信號采集系統(tǒng)，從而實現(xiàn)了對聲發(fā)射信號的同步采集以及聲源信號技術，同時通過與上位機通訊完成了數(shù)據(jù)的保存和處理。
關鍵詞：聲源定位；無損檢測；電荷放大器；微弱信號檢測；同步采樣；SPI通訊

0 引言
聲發(fā)射技術作為一種新型動態(tài)監(jiān)測技術，在無損檢測技術中占有重要地位。而無損檢測技術又是故障診斷中較為常用而有效的方法。因此，聲發(fā)射技術在故障診斷的在線檢測中具有廣闊的應用前景。特別是正在執(zhí)行生產(chǎn)任務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，對安全生產(chǎn)造成嚴重威脅。而聲發(fā)射檢測可以在不中斷生產(chǎn)的條件下，對大型壓力容器或儲罐進行動態(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)射信號的特點及采集原理
聲發(fā)射(Acoustic Emission)技術是一種可用于評價材料或構(gòu)件損傷的無損檢測診斷技術。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?，然后應用電子設備將這些電信號加以放大、采樣，再將采集的數(shù)據(jù)傳送到上位機進行儲存和分析。
在材料內(nèi)部生成的聲發(fā)射信號所產(chǎn)生的彈性波在傳播過程中會受到反射、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)射信號的強度會根據(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傳播到傳感器接收點時，所檢測到的聲發(fā)射信號就會變得非常微弱。
聲發(fā)射檢測技術中最重要的是對聲發(fā)射源定位，而聲發(fā)射源定位的方式和方法是由聲發(fā)射信號采集系統(tǒng)的通道數(shù)決定的。一維線定位要求有兩個聲發(fā)射信號通道，而二維平面定位則至少要求三路聲發(fā)射信號通道。所以四通道的聲發(fā)射信號采集是應用最為廣泛的聲發(fā)射信號采集系統(tǒng)，在此基礎上，才可以擴充為更多通道的聲發(fā)射信號采集系統(tǒng)。

2 聲發(fā)射信號采集系統(tǒng)電路設計
2．1 聲發(fā)射信號采集系統(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、信號處理等模塊構(gòu)成。多通道聲發(fā)射信號采集系統(tǒng)通常由四個獨立的信號采集通道組成。本文將對四個獨立信號采集系統(tǒng)的設計進行詳盡的論述。圖1所示是一種多通道聲發(fā)射信號采集系統(tǒng)的組成框圖。

2．2 聲發(fā)射信號的放大濾波電路
由于聲發(fā)射信號十分微弱，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。更因為聲發(fā)射探頭為壓電陶瓷，具有容性特點，所以，選擇普通放大器會使工作時的靜態(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。因此，在本系統(tǒng)中，第一級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頻率要求：

本設計采用兩級放大，第一級電荷放大器的放大倍數(shù)A設計為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系式可得：

而換能器輸出信號的頻率大于60 Hz，即：f>fx，大于電荷放大器的截斷頻率，可以滿足設計要求。