基于STCl2C5410AD单片机的四通道声发射信号采集系统设计

摘要：根据声发射信号微弱、传播速度快、易受干扰等特点，通过对声发射检测中声发射信号源定位类别和方法的研究，提出了多个数据采集通道同时采集声发射信号的设计方法。本方法利用单片机技术设计了一个多通道声发射信号采集系统，从而实现了对声发射信号的同步采集以及声源信号技术，同时通过与上位机通讯完成了数据的保存和处理。
关键词：声源定位；无损检测；电荷放大器；微弱信号检测；同步采样；SPI通讯

0 引言
声发射技术作为一种新型动态监测技术，在无损检测技术中占有重要地位。而无损检测技术又是故障诊断中较为常用而有效的方法。因此，声发射技术在故障诊断的在线检测中具有广阔的应用前景。特别是正在执行生产任务的大型压力容器方面。由于需要长期连续不停产的工作，容易造成压力容器疲劳损伤，对安全生产造成严重威胁。而声发射检测可以在不中断生产的条件下，对大型压力容器或储罐进行动态监测，并能够快速捕捉缺陷位置，从而有效避免重大事故的发生。

1 声发射信号的特点及采集原理
声发射(Acoustic Emission)技术是一种可用于评价材料或构件损伤的无损检测诊断技术。所谓声发射，是指材料在外力或内力作用下，局部源快速释放能量而产生瞬态弹性波的一种现象。材料所释放出的弹性波反映了材料破坏过程中的一些物理特性，而通过耦合在材料表面上的压电陶瓷探头可将材料内声发射源产生的弹性波转变为电信号，然后应用电子设备将这些电信号加以放大、采样，再将采集的数据传送到上位机进行储存和分析。
在材料内部生成的声发射信号所产生的弹性波在传播过程中会受到反射、衍射和波型转换等因素的综合作用，从而引起弹性波能量的衰减，这样，声发射信号的强度会根据传感器的位置与声发射源距离的增加而减弱。所以，由材料变形或裂纹形成点传播到传感器接收点时，所检测到的声发射信号就会变得非常微弱。
声发射检测技术中最重要的是对声发射源定位，而声发射源定位的方式和方法是由声发射信号采集系统的通道数决定的。一维线定位要求有两个声发射信号通道，而二维平面定位则至少要求三路声发射信号通道。所以四通道的声发射信号采集是应用最为广泛的声发射信号采集系统，在此基础上，才可以扩充为更多通道的声发射信号采集系统。

2 声发射信号采集系统电路设计
2．1 声发射信号采集系统的组成
声发射数据采集系统主要由传感器、前置放大器、数据采集、数据通信、信号处理等模块构成。多通道声发射信号采集系统通常由四个独立的信号采集通道组成。本文将对四个独立信号采集系统的设计进行详尽的论述。图1所示是一种多通道声发射信号采集系统的组成框图。

2．2 声发射信号的放大滤波电路
由于声发射信号十分微弱，因而必须选择高输入阻抗的放大器；而电荷放大器具有高输入阻抗和较好的线性度。更因为声发射探头为压电陶瓷，具有容性特点，所以，选择普通放大器会使工作时的静态电荷倒灌在传感器的极板，使传感器无法正常输出被检测信号。因此，在本系统中，第一级放大电路选择了电荷放大器LF356，图2所示是该系统的电荷放大电路。

电荷放大器电路中，电阻的阻值和电容的容值选取必须满足传感器输出的信号频率要求：

本设计采用两级放大，第一级电荷放大器的放大倍数A设计为20，即：

其中：Ct为换能器的等效电容，选择反馈电容Cf的容值为1 nF，换能器的等效容值为20 nF，这样，选取Cf为1 nF，选择Rf的阻值为10 MΩ，那么，将电阻电容带入到关系式可得：

而换能器输出信号的频率大于60 Hz，即：f>fx，大于电荷放大器的截断频率，可以满足设计要求。