一種石墨電極缺損音頻檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李文可,凌振寶,王　君,李東時(shí),張笑彰（吉林大學(xué)儀器科學(xué)與電氣工程學(xué)院，吉林　長(zhǎng)春130000）

?

一種石墨電極缺損音頻檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李文可,凌振寶,王君,李東時(shí),張笑彰
（吉林大學(xué)儀器科學(xué)與電氣工程學(xué)院，吉林長(zhǎng)春130000）

摘要：針對(duì)石墨電極內(nèi)部缺損狀況難以判斷的問(wèn)題，基于ARM9處理器S3C2440，研制一種石墨電極缺損音頻檢測(cè)系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)檢測(cè)到的聲音進(jìn)行信號(hào)處理和數(shù)據(jù)采集，以及對(duì)處理后的信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，并與采集到的已知無(wú)損的石墨電極的信號(hào)頻譜進(jìn)行對(duì)比，得到檢測(cè)結(jié)果，表明該系統(tǒng)可準(zhǔn)確快速地判斷石墨電極缺損情況，避免工廠通過(guò)人耳判斷石墨電極好壞的弊端。

關(guān)鍵詞：石墨電極；音頻；缺損檢測(cè)；S3C2440；Matlab

0 引　言

石墨電極是鋼鐵、機(jī)械、化工、電爐冶煉不可缺少的導(dǎo)電材料，但石墨電極在生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)內(nèi)部缺損問(wèn)題（如空洞、裂紋、密實(shí)度不均勻等）。現(xiàn)在工廠檢測(cè)石墨電極內(nèi)部缺損問(wèn)題的主要途徑是檢測(cè)人員用錘擊打電極[1]，通過(guò)人耳聽(tīng)敲擊產(chǎn)生的聲音來(lái)判斷電極的好壞。在檢測(cè)過(guò)程中,工人勞動(dòng)強(qiáng)度大且檢測(cè)效率低，而且容易受檢測(cè)人員主觀因素的影響，使檢測(cè)結(jié)果不能準(zhǔn)確地反映產(chǎn)品的內(nèi)在質(zhì)量。國(guó)外有基于紅外測(cè)溫技術(shù)的石墨電極內(nèi)部缺陷診斷等方法。紅外測(cè)溫技術(shù)通常采用斷截面進(jìn)行圖像處理判斷，模型建立麻煩并且對(duì)于操作人員有較高的技術(shù)要求。本系統(tǒng)采用多聲源、多接收，自動(dòng)聲波檢測(cè)方式進(jìn)行6通道缺損檢測(cè)，可快速檢測(cè)石墨電極的質(zhì)量，對(duì)操作人員的技術(shù)要求不高，并可有效避免傳統(tǒng)檢測(cè)方法中檢測(cè)人員主觀因素的影響。

1 系統(tǒng)原理

本系統(tǒng)通過(guò)ARM9處理器S3C2440[2]控制敲擊氣錘敲擊石墨電極，高準(zhǔn)確度聲音傳感器采集聲音信號(hào)[3]，經(jīng)過(guò)放大濾波電路送入S3C2440進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換[4]，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的RS-232[5]接口連接上位機(jī)，上位機(jī)對(duì)收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析[6-7]，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 傳感器選擇

為了保證提取聲音的準(zhǔn)確度，選擇得勝TS-2動(dòng)圈式聲音傳感器。該傳感器指向性為單指向，頻率響應(yīng)80～15000kHz，靈敏度為（-54±3）dB，可滿足系統(tǒng)需要。

2.2 放大濾波電路單元

本單元放大器選擇的是OP37。OP37具有低失調(diào)電壓和漂移特性，且具有17 V/μs的轉(zhuǎn)換率，失調(diào)電壓低至25μV；因而該器件是精密儀器儀表應(yīng)用的理想之選，普遍應(yīng)用于麥克風(fēng)，磁頭的前置放大，高速數(shù)據(jù)信號(hào)調(diào)理采集系統(tǒng)和寬帶寬儀器。本單元設(shè)計(jì)的放大電路放大倍數(shù)為10～50倍可調(diào)，加大了放大電路的靈活性，輸出連接一個(gè)10 kΩ電阻對(duì)輸出電壓起到很好的緩沖作用，加入電容器C15避免了高頻自激振蕩，具體電路如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件放大電路圖

2.3 濾波電路單元

系統(tǒng)要提取的聲音頻率范圍為500～3 500 Hz。頻帶寬度3kHz，中心頻率為2kHz，故需設(shè)計(jì)帶通濾波器。本單元選用B-B公司生產(chǎn)的UAF42[8]來(lái)完成帶通濾波器的設(shè)計(jì)。UAF42內(nèi)部集成了一個(gè)反向放大器和兩個(gè)積分器。該積分器包括1000pF（±5%）的電容。因此較好地解決了有源濾波器設(shè)計(jì)中獲得低損耗電容的問(wèn)題。與用運(yùn)放和R，C組成的濾波器相比，UAF42組成的濾波器具有外接元件少，不受運(yùn)放自身頻率特性影響，無(wú)需外接電容，而且是單片結(jié)構(gòu)的特性，故受分布電容的影響較小。

帶通濾波部分的傳遞函數(shù)為

R1、R2、R4、C1、C2均由通用有源濾波器UAF42集成，通過(guò)以上公式計(jì)算外圍電阻RG、RQ、RF1、RF2便可獲得對(duì)應(yīng)指標(biāo)的濾波器。帶通濾波電路如圖3所示。

圖3 帶通濾波器電路

3 石墨敲擊單元

采用常州創(chuàng)工干燥設(shè)備有限公司生產(chǎn)的敲擊氣錘對(duì)石墨電極進(jìn)行敲打。該氣錘沖擊力大，噪音小，沖擊力和動(dòng)作時(shí)間可控制，方便調(diào)試與安裝。為有效控制敲擊力度，在電磁閥與供氣裝置之間加一油水分離器，通過(guò)控制油水分離器[9]上的氣壓表來(lái)控制進(jìn)氣量，從而控制敲擊力度。通過(guò)S3C2440編程控制電磁閥的關(guān)閉實(shí)現(xiàn)氣錘電極的敲打，系統(tǒng)設(shè)計(jì)6路通道采集，敲打順序?yàn)?～6，兩次敲打時(shí)間間隔3s。3s內(nèi)要完成對(duì)石墨的敲打、傳感器采集聲音信號(hào)、信號(hào)處理以及上位機(jī)的頻譜分析工作。

4 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)包括S3C2440程序設(shè)計(jì)與上位機(jī)程序[10]設(shè)計(jì)。系統(tǒng)程序流程如圖4所示。S3C2440程序設(shè)計(jì)主要包括對(duì)氣錘的控制，通道的選擇，數(shù)據(jù)的A/D轉(zhuǎn)換。首先S3C2440選取通道，并控制氣錘敲擊選定通道，而后傳感器收集聲音信號(hào)。采用逐次逼近法對(duì)采集到的聲音信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，總定時(shí)數(shù)N取256，最小采樣時(shí)間448μs。將最后轉(zhuǎn)換得的數(shù)字洗好經(jīng)過(guò)RS232串口送入上位機(jī)機(jī)。上位機(jī)程序主要包括對(duì)信號(hào)的接收，得到頻譜圖像并進(jìn)行頻譜分析，從而得到石墨電極缺損情況。

圖4 系統(tǒng)程序流程圖

5 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

在相同敲擊力度下，采集已知無(wú)損和內(nèi)部有空洞及表面有裂紋的石墨電極聲音信號(hào)，并對(duì)其進(jìn)行頻譜分析，得到頻譜圖。頻譜圖分別如圖5～圖7所示。

圖5 無(wú)損石墨電極聲音頻譜

圖6 內(nèi)部有空洞石墨電極聲音頻譜

由圖可知，無(wú)損石墨電極頻譜在1，1.5，1.8kHz處有穩(wěn)定的波峰，整體無(wú)較大波動(dòng)。內(nèi)部有空洞的石墨電極頻譜在幅度上與無(wú)損電極沒(méi)有差別，但是頻譜沒(méi)有穩(wěn)定波峰，且比較雜亂，波動(dòng)較大。表面有裂紋的石墨電極頻譜與以上兩圖對(duì)比幅度較低，無(wú)穩(wěn)定波峰且波動(dòng)較大，發(fā)出的聲音比較沉悶。此實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了本設(shè)計(jì)的可實(shí)現(xiàn)性。

圖7 表面有裂紋的石墨電極聲音頻譜

6 結(jié)束語(yǔ)

本文基于ARM9處理器S3C2440研制了一種石墨電極缺損音頻檢測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，能快速準(zhǔn)確地判斷電極缺損情況并進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，大大提高檢測(cè)效率，降低了對(duì)人耳判別電極好壞的依賴，具有良好的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

[1]魏志剛.敲擊法檢測(cè)石墨電極質(zhì)量中特征量選擇研究[D].大連：大連理工大學(xué)，2009.

[2]張豪，楊春燕，汪筱陽(yáng). S3C2440芯片及應(yīng)用[J].電子設(shè)計(jì)工程，2011，19（24）：26-30.

[3]趙鳴，孫磊.基于音頻檢測(cè)技術(shù)的混凝土無(wú)損檢測(cè)技術(shù)[J].福州大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2000，33（Z1）：73-74.

[4]畢好昌.基于藍(lán)牙及S3C2440的數(shù)據(jù)采集的研究與設(shè)計(jì)[J].蚌埠學(xué)院學(xué)報(bào)，2013，2（1）：10-13.

[5]潘方. RS232串口通信在PC機(jī)與單片機(jī)通信中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2012，35（13）：69-71.

[6]張登奇，楊慧銀.信號(hào)的頻譜分析及Matlab實(shí)現(xiàn)[J].湖南理工（自然科學(xué)版），2010，23（3）：29-33.

[7]陳家焱，陳冬嬌，張達(dá)響.基于Matlab的聲音信號(hào)采集與分析處理[J].計(jì)算機(jī)與現(xiàn)代化，2005，6（7）：12-16.

[8]陳建尹.基于UAF42芯片設(shè)計(jì)通用濾波器[J].科教文匯，2007（7）：199.

[9]王忠. TCS-HD系列油水分離器的使用與管理[J].天津航海，2009（3）：24-26.

[10]王光艷，趙曉群，王霞.基于Matlab GUI的語(yǔ)音信號(hào)特征提取系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].河北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，39（4）：14-18.

（編輯：莫婕）

A design of audio frequency of detection technology of graphite electrode defect

LI Wenke，LING Zhenbao，WANG Jun，LI Dongshi，ZHANG Xiaozhang
（College of Instrumentation & Electrical Engineering，Jilin University，Changchun 130000，China）

Abstract:To solve the difficulty in determining the internal defects of graphite electrode，an audio detection system for graphite electrode was designed with the ARM9 processor S3C2440. The detected signals were put under signal processing and data acquisition. The processed signals were used for spectral analysis and at the same time compared with the signal spectrum of the acquired intact graphite electrode to obtain the detection results. The system can accurately and quickly decide whether the graphite electrode is damaged or not，thus avoiding the drawbacks that the quality of graphite electrode is judged through the workers’ears.

Keywords:graphite electrodes；audio frequency；defect detection；S3C2440；Matlab

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1674-5124（2016）04-0086-03

doi：10.11857/j.issn.1674-5124.2016.04.018

收稿日期：2015-10-29；收到修改稿日期：2015-11-19

作者簡(jiǎn)介：李文可（1987-），男，山東荷澤市人，碩士研究生，專業(yè)方向?yàn)殡娏﹄娮印?/p>