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摘要：针对石墨电极内部缺损状况难以判断的问题，基于ARM9处理器$3C2440，研制一种石墨电极缺损音频检测系统。通过对检测到的声音进行信号处理和数据采集，以及对处理后的信号进行频谱分析，并与采集到的已知无损的石墨电极的信号频谱进行对比，得到检测结果，表明该系统可准确快速地判断石墨电极缺损情况，避免工厂通过人耳判断石墨电极好坏的弊端。
关键词：石墨电极；音频；缺损检测；$3C2440；Matlab
文献标志码：A
文章编号：1674-5124（2016）04-0086-03
0.引言
石墨电极是钢铁、机械、化工、电炉冶炼不可缺少的导电材料，但石墨电极在生产过程中会出现内部缺损问题（如空洞、裂纹、密实度不均匀等）。现在工厂检测石墨电极内部缺损问题的主要途径是检测人员用锤击打电极，通过人耳听敲击产生的声音来判断电极的好坏。在检测过程中，工人劳动强度大且检测效率低，而且容易受检测人员主观因素的影响，使检测结果不能准确地反映产品的内在质量。国外有基于红外测温技术的石墨电极内部缺陷诊断等方法。红外测温技术通常采用断截面进行图像处理判断，模型建立麻烦并且对于操作人员有较高的技术要求。本系统采用多声源、多接收，自动声波检测方式进行6通道缺损检测，可快速检测石墨电极的质量，对操作人员的技术要求不高，并可有效避免传统检测方法中检测人员主观因素的影响。
1.系统原理
本系统通过ARM9处理器S3C2440[2]控制敲击气锤敲击石墨电极，高准确度声音传感器采集声音信号，经过放大滤波电路送入S3C2440进行A/D转换，转换后的数据通过标准的RS-232接口连接上位机，上位机对收到的数据进行频谱分析，系统总体结构框图如图1所示。
2.系统硬件电路设计
2.1传感器选择
为了保证提取声音的准确度，选择得胜TS-2动圈式声音传感器。该传感器指向性为单指向，频率响应80～15000kHz，灵敏度为（-54±3）dB，可满足系统需要。
2.2放大滤波电路单元
本单元放大器选择的是OP37。0P37具有低失调电压和漂移特性，且具有17V/us的转换率，失调电压低至25uv；因而该器件是精密仪器仪表应用的理想之选，普遍应用于麦克风，磁头的前置放大，高速数据信号调理采集系统和宽带宽仪器。本单元设计的放大电路放大倍数为10～50倍可调，加大了放大电路的灵活性，输出连接一个10kΩ电阻对输出电压起到很好的缓冲作用，加入电容器C15避免了高频自激振荡，具体电路如图2所示。
2.3滤波电路单元
系统要提取的声音频率范围为500～3500Hz。频带宽度3kHz，中心频率为2kHz，故需设计带通滤波器。本单元选用B-B公司生产的UAF42t81来完成带通滤波器的设计。UAF42内部集成了一个反向放大器和两个积分器。该积分器包括1000pF（±5%）的电容。因此较好地解决了有源滤波器设计中获得低损耗电容的问题。与用运放和R，C组成的滤波器相比，UAF42组成的滤波器具有外接元件少，不受运放自身频率特性影响，无需外接电容，而且是单片结构的特性，故受分布电容的影响较小。
3.石墨敲击单元
采用常州创工干燥设备有限公司生产的敲击气锤对石墨电极进行敲打。该气锤冲击力大，噪音小，冲击力和动作时间可控制，方便调试与安装。为有效控制敲击力度，在电磁阀与供气装置之间加一油水分离器，通过控制油水分离器上的气压表来控制进气量，从而控制敲击力度。通过$3C2440编程控制电磁阀的关闭实现气锤电极的敲打，系统设计6路通道采集，敲打顺序为1～6，两次敲打时间间隔3s。3s内要完成对石墨的敲打、传感器采集声音信号、信号处理以及上位机的频谱分析工作。
4.系统程序设计
系统程序设计包括$3C2440程序设计与上位机程序设计。系统程序流程如图4所示。$3C2440程序设计主要包括对气锤的控制，通道的选择，数据的A/D转换。首先$3C2440选取通道，并控制气锤敲击选定通道，而后传感器收集声音信号。采用逐次逼近法对采集到的声音信号进行A/D转换，总定时数N取256，最小采样时间448us。将最后转换得的数字洗好经过RS232串口送入上位机机。上位机程序主要包括对信号的接收，得到频谱图像并进行频谱分析，从而得到石墨电极缺损情况。
5.实验及结果分析
在相同敲击力度下，采集已知无损和内部有空洞及表面有裂纹的石墨电极声音信号，并对其进行频谱分析，得到频谱图。频谱图分别如图5～图7所示。
由图可知，无损石墨电极频谱在1，1.5，1.8kHz处有稳定的波峰，整体无较大波动。内部有空洞的石墨电极频谱在幅度上与无损电极没有差别，但是频谱没有稳定波峰，且比较杂乱，波动较大。表面有裂纹的石墨电极频谱与以上两图对比幅度较低，无稳定波峰且波动较大，发出的声音比较沉闷。此实验验证了本设计的可实现性。
6.结束语
本文基于ARM9处理器$3C2440研制了一种石墨电极缺损音频检测系统，通过实验测试，能快速准确地判断电极缺损情况并进行实时显示，大大提高检测效率，降低了对人耳判别电极好坏的依赖，具有良好的应用前景。
关键词：石墨电极；音频；缺损检测；$3C2440；Matlab
文献标志码：A
文章编号：1674-5124（2016）04-0086-03
0.引言
石墨电极是钢铁、机械、化工、电炉冶炼不可缺少的导电材料，但石墨电极在生产过程中会出现内部缺损问题（如空洞、裂纹、密实度不均匀等）。现在工厂检测石墨电极内部缺损问题的主要途径是检测人员用锤击打电极，通过人耳听敲击产生的声音来判断电极的好坏。在检测过程中，工人劳动强度大且检测效率低，而且容易受检测人员主观因素的影响，使检测结果不能准确地反映产品的内在质量。国外有基于红外测温技术的石墨电极内部缺陷诊断等方法。红外测温技术通常采用断截面进行图像处理判断，模型建立麻烦并且对于操作人员有较高的技术要求。本系统采用多声源、多接收，自动声波检测方式进行6通道缺损检测，可快速检测石墨电极的质量，对操作人员的技术要求不高，并可有效避免传统检测方法中检测人员主观因素的影响。
1.系统原理
本系统通过ARM9处理器S3C2440[2]控制敲击气锤敲击石墨电极，高准确度声音传感器采集声音信号，经过放大滤波电路送入S3C2440进行A/D转换，转换后的数据通过标准的RS-232接口连接上位机，上位机对收到的数据进行频谱分析，系统总体结构框图如图1所示。
2.系统硬件电路设计
2.1传感器选择
为了保证提取声音的准确度，选择得胜TS-2动圈式声音传感器。该传感器指向性为单指向，频率响应80～15000kHz，灵敏度为（-54±3）dB，可满足系统需要。
2.2放大滤波电路单元
本单元放大器选择的是OP37。0P37具有低失调电压和漂移特性，且具有17V/us的转换率，失调电压低至25uv；因而该器件是精密仪器仪表应用的理想之选，普遍应用于麦克风，磁头的前置放大，高速数据信号调理采集系统和宽带宽仪器。本单元设计的放大电路放大倍数为10～50倍可调，加大了放大电路的灵活性，输出连接一个10kΩ电阻对输出电压起到很好的缓冲作用，加入电容器C15避免了高频自激振荡，具体电路如图2所示。
2.3滤波电路单元
系统要提取的声音频率范围为500～3500Hz。频带宽度3kHz，中心频率为2kHz，故需设计带通滤波器。本单元选用B-B公司生产的UAF42t81来完成带通滤波器的设计。UAF42内部集成了一个反向放大器和两个积分器。该积分器包括1000pF（±5%）的电容。因此较好地解决了有源滤波器设计中获得低损耗电容的问题。与用运放和R，C组成的滤波器相比，UAF42组成的滤波器具有外接元件少，不受运放自身频率特性影响，无需外接电容，而且是单片结构的特性，故受分布电容的影响较小。
3.石墨敲击单元
采用常州创工干燥设备有限公司生产的敲击气锤对石墨电极进行敲打。该气锤冲击力大，噪音小，冲击力和动作时间可控制，方便调试与安装。为有效控制敲击力度，在电磁阀与供气装置之间加一油水分离器，通过控制油水分离器上的气压表来控制进气量，从而控制敲击力度。通过$3C2440编程控制电磁阀的关闭实现气锤电极的敲打，系统设计6路通道采集，敲打顺序为1～6，两次敲打时间间隔3s。3s内要完成对石墨的敲打、传感器采集声音信号、信号处理以及上位机的频谱分析工作。
4.系统程序设计
系统程序设计包括$3C2440程序设计与上位机程序设计。系统程序流程如图4所示。$3C2440程序设计主要包括对气锤的控制，通道的选择，数据的A/D转换。首先$3C2440选取通道，并控制气锤敲击选定通道，而后传感器收集声音信号。采用逐次逼近法对采集到的声音信号进行A/D转换，总定时数N取256，最小采样时间448us。将最后转换得的数字洗好经过RS232串口送入上位机机。上位机程序主要包括对信号的接收，得到频谱图像并进行频谱分析，从而得到石墨电极缺损情况。
5.实验及结果分析
在相同敲击力度下，采集已知无损和内部有空洞及表面有裂纹的石墨电极声音信号，并对其进行频谱分析，得到频谱图。频谱图分别如图5～图7所示。
由图可知，无损石墨电极频谱在1，1.5，1.8kHz处有稳定的波峰，整体无较大波动。内部有空洞的石墨电极频谱在幅度上与无损电极没有差别，但是频谱没有稳定波峰，且比较杂乱，波动较大。表面有裂纹的石墨电极频谱与以上两图对比幅度较低，无稳定波峰且波动较大，发出的声音比较沉闷。此实验验证了本设计的可实现性。
6.结束语
本文基于ARM9处理器$3C2440研制了一种石墨电极缺损音频检测系统，通过实验测试，能快速准确地判断电极缺损情况并进行实时显示，大大提高检测效率，降低了对人耳判别电极好坏的依赖，具有良好的应用前景。