一種石墨電極缺損音頻檢測系統設計

李文可,凌振寶,王　君,李東時,張笑彰（吉林大學儀器科學與電氣工程學院，吉林　長春130000）

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一種石墨電極缺損音頻檢測系統設計

李文可,凌振寶,王君,李東時,張笑彰
（吉林大學儀器科學與電氣工程學院，吉林長春130000）

摘要：針對石墨電極內部缺損狀況難以判斷的問題，基于ARM9處理器S3C2440，研制一種石墨電極缺損音頻檢測系統。通過對檢測到的聲音進行信號處理和數據采集，以及對處理后的信號進行頻譜分析，并與采集到的已知無損的石墨電極的信號頻譜進行對比，得到檢測結果，表明該系統可準確快速地判斷石墨電極缺損情況，避免工廠通過人耳判斷石墨電極好壞的弊端。

關鍵詞：石墨電極；音頻；缺損檢測；S3C2440；Matlab

0 引　言

石墨電極是鋼鐵、機械、化工、電爐冶煉不可缺少的導電材料，但石墨電極在生產過程中會出現內部缺損問題（如空洞、裂紋、密實度不均勻等）。現在工廠檢測石墨電極內部缺損問題的主要途徑是檢測人員用錘擊打電極[1]，通過人耳聽敲擊產生的聲音來判斷電極的好壞。在檢測過程中,工人勞動強度大且檢測效率低，而且容易受檢測人員主觀因素的影響，使檢測結果不能準確地反映產品的內在質量。國外有基于紅外測溫技術的石墨電極內部缺陷診斷等方法。紅外測溫技術通常采用斷截面進行圖像處理判斷，模型建立麻煩并且對于操作人員有較高的技術要求。本系統采用多聲源、多接收，自動聲波檢測方式進行6通道缺損檢測，可快速檢測石墨電極的質量，對操作人員的技術要求不高，并可有效避免傳統檢測方法中檢測人員主觀因素的影響。

1 系統原理

本系統通過ARM9處理器S3C2440[2]控制敲擊氣錘敲擊石墨電極，高準確度聲音傳感器采集聲音信號[3]，經過放大濾波電路送入S3C2440進行A/D轉換[4]，轉換后的數據通過標準的RS-232[5]接口連接上位機，上位機對收到的數據進行頻譜分析[6-7]，系統總體結構框圖如圖1所示。

圖1 系統總體結構框圖

2 系統硬件電路設計

2.1 傳感器選擇

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

2.2 放大濾波電路單元

本單元放大器選擇的是OP37。OP37具有低失調電壓和漂移特性，且具有17 V/μs的轉換率，失調電壓低至25μV；因而該器件是精密儀器儀表應用的理想之選，普遍應用于麥克風，磁頭的前置放大，高速數據信號調理采集系統和寬帶寬儀器。本單元設計的放大電路放大倍數為10～50倍可調，加大了放大電路的靈活性，輸出連接一個10 kΩ電阻對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 系統硬件放大電路圖

2.3 濾波電路單元

系統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，故需設計帶通濾波器。本單元選用B-B公司生產的UAF42[8]來完成帶通濾波器的設計。UAF42內部集成了一個反向放大器和兩個積分器。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計中獲得低損耗電容的問題。與用運放和R，C組成的濾波器相比，UAF42組成的濾波器具有外接元件少，不受運放自身頻率特性影響，無需外接電容，而且是單片結構的特性，故受分布電容的影響較小。

帶通濾波部分的傳遞函數為

R1、R2、R4、C1、C2均由通用有源濾波器UAF42集成，通過以上公式計算外圍電阻RG、RQ、RF1、RF2便可獲得對應指標的濾波器。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

采用常州創工干燥設備有限公司生產的敲擊氣錘對石墨電極進行敲打。該氣錘沖擊力大，噪音小，沖擊力和動作時間可控制，方便調試與安裝。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，通過控制油水分離器[9]上的氣壓表來控制進氣量，從而控制敲擊力度。通過S3C2440編程控制電磁閥的關閉實現氣錘電極的敲打，系統設計6路通道采集，敲打順序為1～6，兩次敲打時間間隔3s。3s內要完成對石墨的敲打、傳感器采集聲音信號、信號處理以及上位機的頻譜分析工作。

4 系統程序設計

系統程序設計包括S3C2440程序設計與上位機程序[10]設計。系統程序流程如圖4所示。S3C2440程序設計主要包括對氣錘的控制，通道的選擇，數據的A/D轉換。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。采用逐次逼近法對采集到的聲音信號進行A/D轉換，總定時數N取256，最小采樣時間448μs。將最后轉換得的數字洗好經過RS232串口送入上位機機。上位機程序主要包括對信號的接收，得到頻譜圖像并進行頻譜分析，從而得到石墨電極缺損情況。

圖4 系統程序流程圖

5 實驗及結果分析

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

圖5 無損石墨電極聲音頻譜

圖6 內部有空洞石墨電極聲音頻譜

由圖可知，無損石墨電極頻譜在1，1.5，1.8kHz處有穩定的波峰，整體無較大波動。內部有空洞的石墨電極頻譜在幅度上與無損電極沒有差別，但是頻譜沒有穩定波峰，且比較雜亂，波動較大。表面有裂紋的石墨電極頻譜與以上兩圖對比幅度較低，無穩定波峰且波動較大，發出的聲音比較沉悶。此實驗驗證了本設計的可實現性。

圖7 表面有裂紋的石墨電極聲音頻譜

6 結束語

本文基于ARM9處理器S3C2440研制了一種石墨電極缺損音頻檢測系統，通過實驗測試，能快速準確地判斷電極缺損情況并進行實時顯示，大大提高檢測效率，降低了對人耳判別電極好壞的依賴，具有良好的應用前景。

參考文獻

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（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

文獻標志碼：A

文章編號：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

作者簡介：李文可（1987-），男，山東荷澤市人，碩士研究生，專業方向為電力電子。