摘要：聲學(xué)檢測技術(shù)以其價格低廉、信號量豐富等優(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)信號的信噪比，簡化后續(xù)數(shù)字信號處理，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)品在外界力的激勵作用下的響應(yīng)信號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。從振動力學(xué)角度看，當農(nóng)產(chǎn)品表面強度發(fā)生變化時，其結(jié)構(gòu)剛度和阻尼系數(shù)將隨之變化，必然會反映到其模態(tài)固有頻率和阻尼比，利用這種敲擊振動響應(yīng)信號特性的差異，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)的沖擊振動方法檢測西瓜成熟度。Wang等(2004)用木制小球單點敲擊雞蛋小頭，雞蛋經(jīng)敲擊激勵后獲取時域特性信號。Diezma-Iglesias等(2006)通過敲擊振動響應(yīng)信號分析檢測不同儲藏期桃子的成熟度，發(fā)現(xiàn)不同成熟度的桃子，敲擊振動響應(yīng)信號脈沖信號有明顯的區(qū)別。
    由于基于敲擊產(chǎn)生的信號較弱，受環(huán)境影響大，當前研究雖考慮了對聲學(xué)信號進行濾波處理，但卻未能有效濾除環(huán)境噪聲及直流信號等干擾。針對當前研究不足，文中提出適用于農(nóng)產(chǎn)品聲學(xué)特性檢測系統(tǒng)的信號調(diào)理電路模塊。應(yīng)用雙端輸入增強信號的穩(wěn)定性，通過帶通濾波與信號放大處理，濾除環(huán)境噪聲，并對信號模擬量進行放大，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，實現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)的實時在線檢測。系統(tǒng)檢測流程如圖1所示，實現(xiàn)過程為：檢測對象在水平傳送的生產(chǎn)線上邊滾動邊向前運動，在傳送帶支架上有多個激振點，每個檢測對象通過一次生產(chǎn)線需經(jīng)歷多點敲擊，這樣可盡可能多地獲取檢測對象聲學(xué)信息。軌道上安裝一對紅外觸發(fā)器，檢測對象經(jīng)過時，產(chǎn)生一個電壓信號，驅(qū)動電磁鐵帶動敲擊棒執(zhí)行敲擊命令，同時紅外觸發(fā)開啟DSP系統(tǒng)，使DSP系統(tǒng)處于工作狀態(tài)。檢測對象表面受到自動敲擊后發(fā)出振動響應(yīng)信號，拾音器采集聲學(xué)信號經(jīng)調(diào)理電路后進入DSP系統(tǒng)，并由DSP自帶的A／D轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。在DSP軟件系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置閾值觸發(fā)，當所得信號判斷為該檢測對象特有的信息時，即將采集的信號進行存儲和處理，并對信號進行快速傅立葉變化(FFT)，將信號從時域空間轉(zhuǎn)換到頻率空間。

2 信號采集與處理模塊
2．1 聲學(xué)信號處理流程
    農(nóng)產(chǎn)品聲學(xué)信號的檢測受到眾多外部因素的干擾，影響DSP處理系統(tǒng)的計算結(jié)果，控制聲學(xué)信號與提高信噪比就顯得尤為重要。為此設(shè)計了一套聲學(xué)信號的采集與處理模塊，主要由拾音器采集電路、信號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，再通過拾音器將聲音信號轉(zhuǎn)變成電壓信號，通過信號放大電路將采集較弱的電壓信號進行放大，由于信號采集中存在噪聲，采用帶通濾波器對信號進行濾波，最后將電壓調(diào)整到1～2．5 V之間，進入DSP信號處理系統(tǒng)。[!--empirenews.page--]
2．2 音頻信號差分電路設(shè)計
    單端信號指的是用一個線傳輸與地之間的電壓差信號，但是由于地面會產(chǎn)生一定的電壓波動，這會影響單端信號的質(zhì)量，因此抗干擾性比較差。在設(shè)計中，音頭的輸出信號采用差分方式。差分信號指的是用兩根線傳輸?shù)男盘?，傳輸?shù)氖莾筛盘栔g的電平差。因為兩個信號都是相對于地的，當?shù)氐碾妱莅l(fā)生變化時，兩個信號同時浮動，差分兩根線之間的電壓變化就會變小。拾音器輸出信號的單端信號轉(zhuǎn)差分信號，電路如圖2所示。

    由于放大電路的輸入信號為雙輸入及平衡式差分信號，而音頻放大器產(chǎn)生單路信號，因此，需要設(shè)計阻抗匹配電路實現(xiàn)接口連接。假設(shè)拾音器產(chǎn)生信號為sint，則R2-6左端信號為sint，右端信號為sint，E2-2右端信號為sint，R2-7左端信號為2sint，即可認為放大器負端輸入信號為A sint，放大器正端輸入信號為2Asint，這構(gòu)成了差分電路的輸入，輸入差為Asint，與拾音器信號相位相等，實現(xiàn)了拾音器信號的放大，并消除了共模干擾。
2．3 音頻放大電路設(shè)計
    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，可用于低電平音頻信號放大，如對稱低阻微型話筒信號放大。INA217具有低噪聲和寬頻帶，獨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)的微型話筒信號放大。

    音頻信號放大電路如圖3所示，設(shè)計中所用的音頻采集器是電容式，在放大電路中提供一個48 V的幻象電源，R3-1和R3-2為幻象電源提供了一個電流通路，還設(shè)計有開關(guān)用來使能與關(guān)閉幻象電源。E3-2和E3-3 2個電容將幻象電源和INA217輸入電路隔離。4個1N4148的接入對靜電釋放和熱插拔進行了保護。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，對音頻信號不會產(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
    由于拾音器輸出信號有噪音干擾信號獲取，需要通過濾波器對信號進行處理。系統(tǒng)設(shè)計了巴特沃斯帶通濾波器，結(jié)合具有高輸入阻抗和負載能力很強的高運能放大器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)換器進行采樣。

    巴特沃斯帶通濾波器如圖4所示，濾波器的設(shè)計借助于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，當電路階數(shù)設(shè)置為4階時能達到最好的效果，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，將信號中的直流部分濾除，穩(wěn)壓管的作用是保護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，濾除環(huán)境噪聲以及直流信號，并對聲學(xué)信號模擬量進行放大，提高聲學(xué)信號的信噪比，簡化后續(xù)數(shù)字信號處理，以提高檢測效果。