基于農產(chǎn)品聲學(xué)特性的信號處理模塊設計

摘要：聲學(xué)檢測技術(shù)以其價(jià)格低廉、信號量豐富等優(yōu)勢廣泛應用與農產(chǎn)品無(wú)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(chǎn)品聲學(xué)檢測結果。因此，本文提出了適用于農產(chǎn)品聲學(xué)特性檢測系統的信號調理電路，通過(guò)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(jiǎn)化后續數字信號處理，提高檢測效果。
關(guān)鍵詞：農產(chǎn)品；無(wú)損檢測；聲學(xué)技術(shù)；信號處理

基于農產(chǎn)品聲學(xué)的無(wú)損檢測方法是指農產(chǎn)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(chǎn)品相互作用的基本規律。從振動(dòng)力學(xué)角度看，當農產(chǎn)品表面強度發(fā)生變化時(shí)，其結構剛度和阻尼系數將隨之變化，必然會(huì )反映到其模態(tài)固有頻率和阻尼比，利用這種敲擊振動(dòng)響應信號特性的差異，可區分農產(chǎn)品的硬度及內部品質(zhì)。王書(shū)茂(1999)研究基于聲學(xué)的沖擊振動(dòng)方法檢測西瓜成熟度。Wang等(2004)用木制小球單點(diǎn)敲擊雞蛋小頭，雞蛋經(jīng)敲擊激勵后獲取時(shí)域特性信號。Diezma-Iglesias等(2006)通過(guò)敲擊振動(dòng)響應信號分析檢測不同儲藏期桃子的成熟度，發(fā)現不同成熟度的桃子，敲擊振動(dòng)響應信號脈沖信號有明顯的區別。
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(jìn)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(chǎn)品聲學(xué)特性檢測系統的信號調理電路模塊。應用雙端輸入增強信號的穩定性，通過(guò)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(jìn)行放大，供后續處理。

1 基于農產(chǎn)品聲學(xué)特性的檢測流程
自行研發(fā)了一套基于DSP(數學(xué)信號處理器，TMS320F2812)的農產(chǎn)品聲學(xué)檢測系統，通過(guò)采集并分析敲擊響應信號，實(shí)現農產(chǎn)品品質(zhì)的實(shí)時(shí)在線(xiàn)檢測。系統檢測流程如圖1所示，實(shí)現過(guò)程為：檢測對象在水平傳送的生產(chǎn)線(xiàn)上邊滾動(dòng)邊向前運動(dòng)，在傳送帶支架上有多個(gè)激振點(diǎn)，每個(gè)檢測對象通過(guò)一次生產(chǎn)線(xiàn)需經(jīng)歷多點(diǎn)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(guò)時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)電壓信號，驅動(dòng)電磁鐵帶動(dòng)敲擊棒執行敲擊命令，同時(shí)紅外觸發(fā)開(kāi)啟DSP系統，使DSP系統處于工作狀態(tài)。檢測對象表面受到自動(dòng)敲擊后發(fā)出振動(dòng)響應信號，拾音器采集聲學(xué)信號經(jīng)調理電路后進(jìn)入DSP系統，并由DSP自帶的A／D轉換器將模擬信號轉換為數字信號。在DSP軟件系統內設置閾值觸發(fā)，當所得信號判斷為該檢測對象特有的信息時(shí)，即將采集的信號進(jìn)行存儲和處理，并對信號進(jìn)行快速傅立葉變化(FFT)，將信號從時(shí)域空間轉換到頻率空間。

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處理系統的計算結果，控制聲學(xué)信號與提高信噪比就顯得尤為重要。為此設計了一套聲學(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信號，再通過(guò)拾音器將聲音信號轉變成電壓信號，通過(guò)信號放大電路將采集較弱的電壓信號進(jìn)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(jìn)行濾波，最后將電壓調整到1～2．5 V之間，進(jìn)入DSP信號處理系統。