基于農產品聲學特性的信號處理模塊設計

摘要：聲學檢測技術以其價格低廉、信號量豐富等優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，簡化后續數字信號處理，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律。從振動力學角度看，當農產品表面強度發生變化時，其結構剛度和阻尼系數將隨之變化，必然會反映到其模態固有頻率和阻尼比，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，發現不同成熟度的桃子，敲擊振動響應信號脈沖信號有明顯的區別。
由于基于敲擊產生的信號較弱，受環境影響大，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，通過帶通濾波與信號放大處理，濾除環境噪聲，并對信號模擬量進行放大，供后續處理。

1 基于農產品聲學特性的檢測流程
自行研發了一套基于DSP(數學信號處理器，TMS320F2812)的農產品聲學檢測系統，通過采集并分析敲擊響應信號，實現農產品品質的實時在線檢測。系統檢測流程如圖1所示，實現過程為：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行敲擊命令，同時紅外觸發開啟DSP系統，使DSP系統處于工作狀態。檢測對象表面受到自動敲擊后發出振動響應信號，拾音器采集聲學信號經調理電路后進入DSP系統，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，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。