基于聲音—壓力的多通道角鋼材質檢測系統硬件設計

郝孟娟 劉曉鵬 齊康花 秦志英 趙月靜

摘要：針對角鋼材質混料造成的錯用型號現象，利用不同材質角鋼具有不同的沖孔聲音和剪切壓力的特性，研發了多通道角鋼材質檢測系統。首先通過分析角鋼加工過程中的檢測原理，給出了角鋼材質檢測系統的設計框圖；其次給出了硬件系統總體電路圖，選擇了硬件型號，合理布置了前面板接口和內部線路，且對聲音-壓力多通道角鋼材質檢測系統硬件進行了封裝；最后，配合軟件系統進行了現場安裝測試。結果表明，該硬件系統能夠完成多通道信號采集、處理、分析、識別等在線檢測工作，對于提高角鋼的材質檢測效率具有參考價值。

關鍵詞：信號檢測；角鋼材質；多通道；沖孔聲音；剪切壓力

中圖分類號：TP274+2文獻標志碼：Adoi： 10.7535/hbgykj.2018yx04007

角鋼是鐵塔加工的必備原料，不同材質的鋼材混用將對鐵塔的性能產生影響，可能會引發倒塔斷線事故，造成重大損失[1]。因而，對角鋼材質的成分檢測尤為重要。而目前，鐵塔加工企業在對角鋼材質進行檢測時，主要通過取樣來檢測角鋼的力學性能和化學成分是否符合要求[2]。這些方法效率較低，安全系數低且較繁雜，難以適應生產的需要。

根據現場調研和試驗發現，角鋼在沖孔等加工過程中會產生一定的聲音和剪切壓力。第4期郝孟娟，等：基于聲音-壓力的多通道角鋼材質檢測系統硬件設計河北工業科技第35卷聲音是人或物所固有的特征之一，且聲音數據的獲取具有非侵犯性[3]。文獻[4]提出了基于聲音信號的結構損傷識別方法，文獻[5]提出可以利用聲音信號檢測鋼材材質，文獻[6]利用聲音信號能量比進行在線識別鋼材材質，VEISI等[7]利用聲音信號識別技術開發了聲音信號識別系統。所以，從角鋼加工過程中產生的沖孔聲音信號入手進行分析是完全可行的。關于從剪切壓力信號方面進行分析處理，文獻[8]指出壓力傳感器在測量過程中集成化比較簡捷方便，測量程序簡單，操作方式比較便捷，測量的數據具有很高的精準度。其中外卡式壓力傳感器可以不用拆卸大型復雜裝備、不改變原有機件的工作狀態，只需要用傳感器本身的夾具即可將其夾持在需要測量的物體上，進行壓力檢測[9]。文獻[10]提出了壓力傳感器在線狀態檢測的方法，而文獻[11]表明采用虛擬儀器技術，以LabVIEW為平臺，結合壓力傳感器特點，可以開發一套計算機輔助測試系統。至于多通道方面，文獻[12]提出了基于LabVIEW的高精度多通道測溫系統，該系統能夠實現6通道的溫度采集、顯示、繪圖、狀態檢測及數據保存。文獻[13—16]較系統地介紹了壓力傳感的多通道、觸聽視覺的多通道以及多通道數據的實時采集方法。

本文提出了基于聲音-壓力的多通道角鋼材質檢測系統的總體設計思路。首先由傳感器采集沖孔時的聲音信號和剪切壓力信號，其中壓力信號經信號隔離器濾波，將電流信號轉換成電壓信號，排除低頻噪聲干擾，獲取更準確的信號。然后，將兩路聲音信號和一路轉換成電壓型的壓力信號傳輸到數據采集卡，完成多通道信號的采集。而后，數據采集卡進行A/D轉換輸送到上位機中進行數據處理、頻譜特征提取、模式識別、數據庫的建立更新。最后，根據對聲音和壓力信號的處理結果與模板進行相似度匹配，當發現不合格角鋼時進行報警提示，完成角鋼材質的識別任務。

1材質在線檢測原理

在企業中，通常采用數控型鋼聯合生產線加工鐵塔用角鋼，這是一種對角鋼進行夾緊、沖孔、剪切以及全自動生產的專用設備，圖1為角鋼加工示意圖。

在對角鋼進行沖孔加工時會發出一定的聲音，且不同材質的角鋼沖孔時發出的聲音是不同的，人耳可以分別，因此提出了用聲音傳感器以替代人耳實現對沖孔聲音的實時檢測。在試驗過程中，發現不同角鋼剪斷時也會引起液壓回路壓力值的變化，所以為了進一步提高檢測識別的準確率，增加了剪切壓力作為實時檢測信號。為了對角鋼兩側分別沖孔，加工設備設有左右兩排沖頭，提出的設計方案如圖2所示。

該系統通過兩路聲音傳感器、一路壓力傳感器來分別檢測左右沖頭沖孔時的聲音和剪切裝置剪斷時的壓力，實現多路檢測信號的信息融合及綜合識別。為了更精確地采集信號、去除背景干擾，每個傳感器配置了2個電磁開關，以保證加工動作發生時才開始采集信號，而加工動作結束時同時結束采集信號。

2多通道系統設計及封裝

2.1系統設計

根據圖2所示系統方案框圖，設計的系統電路圖如圖3所示，其中數據采集卡是系統核心部分，只要確定了數據采集卡的類型，就可以確定其與計算機之間的接口，以及與數字量和模擬量之間的接口。

該系統選用了USB-DAQV5.0型數據采集卡，其驅動安裝的上位機的操作環境可以是常用的Win2000/XP/Win7系統，并適用于LabVIEW，VB.Net，C++Builder，Matlab和VC等常用編程語言提供的動態鏈接庫，函數接口簡單易用，便于寫入程序和二次開發。采集卡的驅動安裝簡單，采用隔離USB通信，插拔便捷。采取單獨供電降低對上位機的依賴性。采集卡和計算機之間存在的保護電壓可瞬間承受5 kV。采集卡的輸入和輸出接口都配備了光電模塊，可使采集卡與輸入輸出信號的電壓大小相匹配，起到安全防護作用。

2.2系統硬件選擇

在數據采集卡確定之后，主要選擇模擬信號傳感器、電磁開關等作為系統硬件。經市場調研和實驗，系統各部件主要包括Android聲音傳感器、美控MIK-P300壓力傳感器、NPN型電磁開關等。各部件的選擇依據如下。

1）Android聲音傳感器的靈敏度高且性能穩定，峰值完全，顯示易于區分，增益可調且成本低，故檢測系統的聲音采集使用該類型傳感器。為了獲取更加準確的聲音信號，可將2個傳感器分別安裝在機床的A，B面沖頭附近。

2）美控MIK-P300壓力傳感器的精度等級高、穩定性好，采用低壓直流電，工作量程大，受周圍環境溫度影響較小。對不同型號角鋼進行沖孔加工時，油缸內的壓力值有所不同，經現場觀察，壓力傳感器適宜安裝在油缸出口的鋼管上。

3）NPN型電磁開關的感應距離較小， 可以成功地避免干擾，考慮到安裝接近開關的數控加工設備的空間較為狹小，采用NPN型電磁開關作為該檢測系統的開關。

2.3系統封裝

在硬件型號選定之后，按照圖4把主要的電器元件固定，把多個聲音傳感器通過四芯防干擾線直接與數據采集卡的模擬接口相接，壓力傳感器先與信號隔離器連接，再與采集卡的模擬接口連接，繼電器的輸入端接電磁開關，輸出端接數據采集卡的數字接口，最后經采集卡的USB接口將數據傳輸到上位計算機中，而多個聲音傳感器、壓力傳感器、多個電磁開關、信號隔離器和數據采集卡由電源模塊按各元件的電壓要求統一供電。傳感器的外部接線如圖5所示。

3多通道系統的現場安裝與測試

硬件設計完成后，需要根據被測對象現場安裝傳感器，然后通過現場測試來檢驗整套軟硬件系統，以進行調整和修改，使整套系統更加完善，提高檢測系統識別的可行性和準確率。

如圖6 a）所示，加工角鋼的數控機床有A，B兩排沖頭，分別對角鋼的A，B兩面進行沖孔操作。為了更準確地采集沖孔聲音，要弱化其他噪音干擾，在每排沖頭附近均安裝了聲音傳感器，從而保證每一排沖頭工作時，對應的聲音傳感器均可以較準確地采集到沖孔聲音，起到從源頭上凈化信號的作用。而為了感知沖頭位置從而控制沖頭的沖孔和復位，該數控機床的每排沖頭均配備了2個電磁開關。如圖6 b）所示，剪切操作的動力由位于數控機床上方的油缸提供，壓力傳感器用來采集油缸內不同的剪切壓力值，故在油缸出口的鋼管上加工了對應的螺紋孔，用來安裝壓力傳感器。各傳感器與檢測系統硬件的接線如圖6 c）所示。

現場安裝完成后，啟動檢測系統軟件，檢測結果如圖7所示，證明系統硬件達到要求，可以實現與軟件穩定接口，能準確采集加工過程中的聲音和壓力信號。

4結語

利用角鋼加工過程中的沖孔聲音信號和剪切壓力信號對角鋼材質進行識別，設計實現了多通道角鋼材質檢測系統。首先，在對角鋼加工過程進行分析的基礎上，介紹了系統總體設計的框圖，繪制了總體電路圖。其次，對硬件型號進行了選擇，通過合理布置前面板接口和內部元件，對系統硬件進行了整體封裝。最后，介紹了傳感器的現場安裝，通過與系統軟件連接調試，驗證了硬件系統的運行可靠性，證明能夠完成對應信號的采集與處理工作。后續配合檢測軟件的算法，可以實現對不同角鋼材質的識別功能。較傳統的人工方法而言，該系統能夠提高角鋼材質檢測的效率，有一定的實用價值。

本文只是針對在一定厚度和寬度范圍內的角鋼進行檢測識別，而當角鋼較窄、較薄時，識別率要低一些，未來需要針對更多規格型號的角鋼進行深入研究。

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