基于STCl2C5410AD單片機的四通道聲發射信號采集系統設計

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。