STCl2C5410AD單片機的四通道聲發射信號采集系統設計方案

摘要：根據聲發射信號微弱、傳播速度快、易受干擾等特點，通過對聲發射檢測中聲發射信號源定位類別和方法的研究，提出了多個數據采集通道同時采集聲發射信號的設計方法。本方法利用單片機技術設計了一個多通道聲發射信號采集系統，從而實現了對聲發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據的保存和處理。
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
??? 聲發射技術作為一種新型動態監測技術，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。特別是正在執行生產任務的大型壓力容器方面。由于需要長期連續不停產的工作，容易造成壓力容器疲勞損傷，對安全生產造成嚴重威脅。而聲發射檢測可以在不中斷生產的條件下，對大型壓力容器或儲罐進行動態監測，并能夠快速捕捉缺陷位置，從而有效避免重大事故的發生。

1 聲發射信號的特點及采集原理
??? 聲發射(Acoustic Emission)技術是一種可用于評價材料或構件損傷的無損檢測診斷技術。所謂聲發射，是指材料在外力或內力作用下，局部源快速釋放能量而產生瞬態彈性波的一種現象。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聲發射源產生的彈性波轉變為電信號，然后應用電子設備將這些電信號加以放大、采樣，再將采集的數據傳送到上位機進行儲存和分析。
??? 在材料內部生成的聲發射信號所產生的彈性波在傳播過程中會受到反射、衍射和波型轉換等因素的綜合作用，從而引起彈性波能量的衰減，這樣，聲發射信號的強度會根據傳感器的位置與聲發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，所檢測到的聲發射信號就會變得非常微弱。
??? 聲發射檢測技術中最重要的是對聲發射源定位，而聲發射源定位的方式和方法是由聲發射信號采集系統的通道數決定的。一維線定位要求有兩個聲發射信號通道，而二維平面定位則至少要求三路聲發射信號通道。所以四通道的聲發射信號采集是應用最為廣泛的聲發射信號采集系統，在此基礎上，才可以擴充為更多通道的聲發射信號采集系統。

2 聲發射信號采集系統電路設計
2．1 聲發射信號采集系統的組成
??? 聲發射數據采集系統主要由傳感器、前置放大器、數據采集、數據通信、信號處理等模塊構成。多通道聲發射信號采集系統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的設計進行詳盡的論述。圖1所示是一種多通道聲發射信號采集系統的組成框圖。

2．2 聲發射信號的放大濾波電路
??? 由于聲發射信號十分微弱，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。

2．3 同步采樣電路
??? 在聲發射檢測中，判別一個聲發射信號是否產生的基本條件之一是聲發射信號的門限電壓，當信號高過聲發射信號的門限電壓時，則認為一個聲發射事件產生。在本系統中設置電壓比較器，檢測強烈的聲發射信號時，電壓比較器的基準電壓就是聲發射檢測中的門限電壓。系統中四路獨立的聲發射信號經過放大濾波后即可進入電壓比較器LM239。LM239有四個獨立的電壓比較器模塊．當信號進入各自的電壓比價器模塊后，即可與門限電壓相比較。當信號高于門限電壓時，則判定聲發射信號到來，此時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)，如果由一個中央處理單元控制多個通道的指令時間不夠快的話，就會造成數據采集的不同步。本文采用“優先到達同時觸發四路AD同步采集”的設計方案。
??? 在四個傳感器中，優先接收到聲發射信號的通道亦是優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同時送到四個單片機的外部中斷，然后啟動四個單片機的片內AD同時對四個通道的聲發射信號進行采集。這樣就從根本上避免了在程序中由于指令執行時間以及其它內部因素的延遲影響，對多通道數據采集造成的不同步、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 數據通訊
??? 本系統的信號采集通訊部分分為下位機的，SPI多單片機組成的數據交換系統和主控單片機與上位機通訊兩部分。
??? STCl2C5410AD單片機自帶SPI通訊接口，且內置8位移位寄存器，可保證數據傳輸的準確，并可簡化電路設計，提高設計的可靠性。
??? 本設計中設置的四個信號通道中的四個單片機均為從單片機，它們由主控單片機控制，可通過從機選擇線來選擇需要通訊的從單片機。四個從單片機可公用主機輸入／從機輸出數據線MISO、主機輸出／從機輸入數據線MOSI、以及時鐘SPICLK總線。同時它們可將采集的數據保存在各自從單片機的寄存器中，以便主控可以利用SPI總線取出各個從單片機中的數據，這樣就由SPI總線構成了一個數據交換系統。
與上位機的通訊可采用串口通訊的方式，并通過串口通訊設計把計算機與單片機聯系起來，然后將采集的數據按通道次序傳輸到計算機中，
最后由上位機發口令，再由主控單片機將采集的數據按通道次序傳輸到計算機中。

3 實驗與仿真
??? 聲發射的信號可采用硬度為HB的鉛筆芯折斷的信號進行模擬。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。
??? 聲發射信號來自缺陷本身，同樣大小和性質的缺陷，由于所處的位置和應力的狀態不同，所以它的聲發射信號也會有差別。實驗中，在固定傳感器位置不變的情況下，在同一個點多次將鉛筆芯折斷，觀察信號的狀態，最終選擇了聲發射模擬信號出現較為頻繁的情況作為聲發射模擬信號的狀態，本文采用STC12C5410AD單片機，它是具有8個lO位100 ksps的AD，完全滿足采樣定理，而且片內自帶SPI總線，故可進行多通道聲發射信號采集系統的試驗。
??? 試驗采用壓電陶瓷片作為聲發射信號傳感器，因此具有結構簡單、輕巧、靈敏度高等特點。壓電陶瓷對外力敏感，并可將極其微弱的機
械振動轉換成電信號。
??? 針對聲發射信號的特點，本實驗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射模擬信號的換能器，可以滿足鉛筆芯折斷信號的接收要求。
??? 本實驗選擇了兩通道的數據采集，在厚度為10 mm的鋼板上又間隔的分布了兩個傳感器，然后折斷鉛筆芯，并在上位機分別選擇通道一和通道二，再將兩個通道的數據分別上傳到上位機，并利用MATLAB將采集的數據表示成波形。這樣，就可以看出聲發射模擬信號的幅值隨時間的變化有所衰減，從而證明了彈性波在傳播過程中的能量衰減。同時，在傳感器2的位置還出現了彈性波的干涉現象，這正是彈性波的縱波和橫波相繼到達換能器2所造成的。圖4所示是信號采集的波形仿真圖。

4 結束語
??? 本文根據聲發射的特點，利用聲發射的聲源定位方法，提出了一種多通道數據信號采集系統的設計方法。通過大量實驗證明，本設計具有數據傳輸快、定位準確等特點，能夠達到聲源定位的要求。