摘要：聲學檢測技術以其價格低廉、信號量豐富等優(yōu)勢廣泛應用與農產品無損檢測。但由于其抗干擾能力較差，容易引入諸多干擾信息，影響農產品聲學檢測結果。因此，本文提出了適用于農產品聲學特性檢測系統(tǒng)的信號調理電路，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。
關鍵詞：農產品；無損檢測；聲學技術；信號處理
基于農產品聲學的無損檢測方法是指農產品在外界力的激勵作用下的響應信號分析特性及其本身的聲阻抗與固有頻率等，反映了聲波與農產品相互作用的基本規(guī)律。從振動力學角度看，當農產品表面強度發(fā)生變化時，其結構剛度和阻尼系數(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信號特性的差異，可區(qū)分農產品的硬度及內部品質。王書茂(1999)研究基于聲學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，敲擊振動響應信號脈沖信號有明顯的區(qū)別。
由于基于敲擊產生的信號較弱，受環(huán)境影響大，當前研究雖考慮了對聲學信號進行濾波處理，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，文中提出適用于農產品聲學特性檢測系統(tǒng)的信號調理電路模塊。應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 基于農產品聲學特性的檢測流程
自行研發(fā)了一套基于DSP(數(shù)學信號處理器，TMS320F2812)的農產品聲學檢測系統(tǒng)，通過采集并分析敲擊響應信號，實現(xiàn)農產品品質的實時在線檢測。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線需經歷多點敲擊，這樣可盡可能多地獲取檢測對象聲學信息。軌道上安裝一對紅外觸發(fā)器，檢測對象經過時，產生一個電壓信號，驅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)出振動響應信號，拾音器采集聲學信號經調理電路后進入DSP系統(tǒng)，并由DSP自帶的A／D轉換器將模擬信號轉換為數(shù)字信號。在DSP軟件系統(tǒng)內設置閾值觸發(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換到頻率空間。
2 信號采集與處理模塊
2．1 聲學信號處理流程
農產品聲學信號的檢測受到眾多外部因素的干擾，影響DSP處理系統(tǒng)的計算結果，控制聲學信號與提高信噪比就顯得尤為重要。為此設計了一套聲學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信號，再通過拾音器將聲音信號轉變成電壓信號，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，但是由于地面會產生一定的電壓波動，這會影響單端信號的質量，因此抗干擾性比較差。在設計中，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)男盘枺瑐鬏數(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，而音頻放大器產生單路信號，因此，需要設計阻抗匹配電路實現(xiàn)接口連接。假設拾音器產生信號為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，還設計有開關用來使能與關閉幻象電源。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)將直流輸出電壓調節(jié)為0 V，對音頻信號不會產生任何影響。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)設計了巴特沃斯帶通濾波器，結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)設置為4階時能達到最好的效果，其頻率響應曲線如圖5所示。在帶通濾波器之后還設置了無源濾波，將信號中的直流部分濾除，穩(wěn)壓管的作用是保護DSP的AD轉換器，使AD采樣的電壓都為正電壓。
3 結束語
文中提出了適用于農產品聲學特性檢測系統(tǒng)的信號調理電路，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計，濾除環(huán)境噪聲以及直流信號，并對聲學信號模擬量進行放大，提高聲學信號的信噪比，簡化后續(xù)數(shù)字信號處理，以提高檢測效果。
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