一种用于声发射信号的动态可配置带通滤波装置的制作方法

本实用新型涉及一种用于声发射信号的动态可配置带通滤波装置，属于工业传感器技术领域。

背景技术：

在工业现场，有大量的机械零部件在长期使用后，会疲劳裂纹，直至破坏之前，小的变形或微小裂纹的发生都伴随声发射的产生，故通过声发射传感器监测声发射信号，可预知和发现材料或构造物的缺陷或破损。声发射是固定变形或破坏时产生的声音作为弹性波放出的现象，该弹性波可由声发射传感器感知。根据声发射信号的理论模型，影响声发射信号频率的主要因素为裂纹扩展时间、形变体积及载荷和弹性模量的变化率。

声发射频率主要以超声波范围（几十khz到1mhz）的信号为主，但不同的机械缺陷或破损对应的频率范围不同，同时伴随其他低频噪音，以及机器运行、人员活动等噪音。需要针对不同频率带宽的信号设计不同的滤波器，以滤除其他频率范围的噪音。现行的模拟滤波器一般都是根据具体的传递函数h(s)构建模拟电路，一旦确定，其电路参数和特性便无法再修改，无法实现通用，应用不够方便，基本只有简单的sallen-key低通和sallen-key高通滤波器，无法动态的配置带通滤波。

声发射传感器的选择应根据被测声发射信号来确定。首先是了解被测声发射信号的频率范围和幅度范围，包括有可能存在的噪音信号。可以是经验了解，如钢材中焊接缺陷产生的声发射源实验结果认为信号频率范围在25-750khz内，但有条件最好实际测试确定。然后选择相对感兴趣的声发射信号灵敏、对噪音信号不灵敏的声发射传感器进行检测。

论文《可编程动态特性补偿滤波器设计》中提到使用分立运算放大器搭建带通滤波，通过改变模拟滤波器电路的结构与参数以实现对不同传感器动态特性的补偿，解决无法动态配置的缺点，因为使用多个二阶滤波器级联，可调电阻器和可调电容器，导致体积巨大，无法在小面积范围内使用，存在成本高，动态频宽范围窄的问题。市面上也有可调带通滤波器ic，比如max274，该芯片由独立的可级联四个二阶段组成，允许实现8阶滤波器，每个部分都可以实现任何全极点带通或低通滤波器响应，具有低通滤波和带通滤波功能，中心频率点达到150khz。但是对于动态特性要求比较复杂的情况，模拟电路的结构也会比较复杂，而且一种模拟电路结构所能实现的补偿传递函数十分有限。

初步检索后，现有技术中公开了以下内容：实用新型专利cn208190609u提出了一种对于声发射信号的放大装置，通过切换选择开关和四个带通滤波器，实现对多个滤波领域的选择。该专利限定了只有四段频率的带通滤波，滤波的中心频率点相对固定，一经出厂设置不可更改。而现实的声发射故障检测中，可能针对不同故障检测，需要灵活设置检测的中心频率点。现有的可配置动态滤波器ic的频率范围窄，一旦确定后，可配置动态滤波范围小，无法覆盖声发射信号的所有频带，只具备低通滤波，带通滤波，很少有高通滤波；使用分立运放器件，只有sallen-key低通和sallen-key高通滤波，使用可调电容和可调电阻器搭建多阶滤波器，存在无法覆盖声发射信号的所有频带，体积巨大，成本高等问题。因此，迫切的需要一种新的方案解决该技术问题。

技术实现要素：

本实用新型正是针对现有技术中存在的问题，提供一种用于声发射信号的动态可配置带通滤波装置及方法，该技术方案将高精度的运放、电阻、电容器都集成到一起合成带通滤波，在保证性能提前下，拓展了频带范围，降低了成本，缩小了体积，同时动态可配置。

为了实现上述目的，本实用新型的技术方案如下，一用于声发射信号的动态可配置带通滤波装置，其特征在于，所述装置包括声发射传感器、模拟多路复用器、多个运算放大器组成的可配置二阶滤波器、多选一模拟开关、电位器和中央处理器cpu，所述声发射传感器采集声发射信号，连接至模拟多路复用器的输入端，模拟多路复用器将输入的单路模拟信号输出到多个输出接口，其输出端分别连接到多路可配置滤波器的输入端上，多路滤波器的输出端连接至多选一模拟开关器，cpu通过控制总线（iic或spi接口）分别连接到各可配置滤波器的电位器上，cpu经通用输入/输出口（gpio）连接至模拟多路复用器的输入端。

所述声发射传感器主要负责声发射信号的采集；所述模拟多路复用器，将输入的单路模拟信号输出到多个输出接口；所述多选一模拟开关，从多路模拟输入信号中选择一路模拟信号输出；所述中央处理器cpu负责控制模拟多路复用器和电位器。

作为本实用新型的一种改进，所述电位器即可调电阻器，通过控制总线（iic/spi）修改阻值，阻值范围0-200k之间。

作为本实用新型的一种改进，所述二阶滤波器由运算放大器组成，该二阶滤波器是有源带通滤波器，由低通阻容滤波（rc）环节和高通阻容滤波（rc）环节组合而成。设置将高通阻容滤波的下限截至频率小于低通阻容滤波的上限截至频率，要想获得好的滤波特性，一般需要较高的阶数，通过电位器调整阻值可以修改中心频率点，选择需要的中心频率点带通滤波器。

作为本实用新型的一种改进，所述声发射传感器的频率范围：20k-1000k，灵敏度大于56db,比如1045swh，pxr50，pxr系列；所述模拟多路复用器采用单通道8:1多路复用器，双电源：±2v至±6v，建议型号adg658。

一种用于声发射信号的动态可配置带通滤波方法，所述方法包括以下步骤：

1）配置带通滤波器的上限截止频率f1、下限截止频率f2，同时用户在客户端设置声发射信号故障检测的带通滤波中心频率点fc；

2）声发射传感器采集声发射信号，传输至模拟多路复用器；

3）模拟多路复用器通过高通滤波器、低通滤波器和n个带通滤波器，将频带分为（f2-f1）/n份；

4）假设cpu计算得出fc落在（f1-f2）/n中的第m个频带（1≤m≤n），通过多选一模拟开关选择其fc频率对应的第m个带通滤波器；

5）调整带通滤波器对应的电位器，调整q值（品质因数，即二阶带通响应的f0与-3db带宽之比），从而调整带通滤波器的中心频率点至fc，滤除其他噪音，只保留特定带宽的声发射信号，进行采样。由于声发射信号用于故障检测通常在0-1mhz的范围，针对各个带通中心频率点fc分别计算出对应的阻容参数，因为电容值比较难调整，所以根据仿真选择一个合理的电容值，同时使用可调电阻器代替普通电阻，这样就能基本覆盖0-1mhz范围内带通滤波要求。在信号输入端由模拟多路复用器分别输出到多个滤波器，后面输出信号经过多选一模拟开关输出相应的频宽信号。用户可以通过设置分别选择低通、高通或带通滤波器，以及通过可配置电阻调整中心频率，滤除其他噪音，只保留特定频率的声信号，进行采样。

作为本实用新型的一种改进，所述步骤1）中的上限截止频率f1≤1mhz，下限截止频率f2≥25khz，中心频率点范围f2≤fc≤f1。

作为本实用新型的一种改进，所述步骤3）中n的范围是1≤n≤5。

相对于现有技术，本实用新型具有如下优点，1）该技术方案通过可配置二阶滤波器、电位器和多选一模拟开关选择滤波器的带通频点，实现对声发射信号的动态可配置滤波；该方案可以用于声发射信号的可配置带通滤波，将模拟开关、低通、高通、带通滤波电路、多选一模拟开关电路集成到一块电路板中；2）整个方案体积小、集成度高、易于安装，可实现对声发射模拟信号的动态可配置带通滤波，选择特定频率带宽范围的信号进行采样；3）该方案针对声发射信号的故障检测，用户可在客户端选择0-1mhz的范围内的任一中心频率点，进行带通滤波，可滤波范围宽；滤波带宽窄，频带滤波特性更好，可以精确检测需要的频率；4）通过该方案用户可在客户端设置带通滤波参数，调节该声发射带通滤波的中心频率点，用户可以通过设置分别选择低通、高通或带通滤波器，以及通过可配置电阻调整中心频率，滤除其他噪音，只保留特定频率的声信号，进行采样。

附图说明

图1为声发射可配置带通滤波器结构示意图；

图2为调节该声发射传感器带通滤波过程示意图。

图3为图1中的滤波电路和电位器的组合电路示意图。

具体实施方式：

为了加深对本实用新型的理解，下面结合附图对本实施例做详细的说明。

实施例1：参见图1，一种用于声发射信号的动态可配置带通滤波装置，所述装置包括声发射传感器、模拟多路复用器、多个运算放大器组成的可配置二阶滤波器、多选一模拟开关、电位器和中央处理器cpu，所述声发射传感器采集声发射信号，连接至模拟多路复用器的输入端，模拟多路复用器将输入的单路模拟信号输出到多个输出接口，其输出端分别连接到多路可配置滤波器的输入端上，多路滤波器的输出端连接至多选一模拟开关器，cpu通过控制总线（iic或spi接口）分别连接到各可配置滤波器的电位器上，cpu经通用输入/输出口（gpio）连接至模拟多路复用器的输入端。所述声发射传感器主要负责声发射信号的采集；所述模拟多路复用器，将输入的单路模拟信号输出到多个输出接口；所述多选一模拟开关，从多路模拟输入信号中选择一路模拟信号输出；所述中央处理器cpu负责控制模拟多路复用器和电位器，所述电位器即可调电阻器，通过控制总线（iic/spi）修改阻值，阻值范围0-200k之间，所述二阶滤波器由运算放大器组成，该二阶滤波器是有源带通滤波器，由低通阻容滤波（rc）环节和高通阻容滤波（rc）环节组合而成。设置将高通阻容滤波的下限截至频率小于低通阻容滤波的上限截至频率，要想获得好的滤波特性，一般需要较高的阶数，通过电位器调整阻值可以修改中心频率点，选择需要的中心频率点带通滤波器；所述声发射传感器的频率范围：20k-1000k，灵敏度大于56db,比如1045swh，pxr50，pxr系列，所述模拟多路复用器采用单通道8:1多路复用器，双电源：±2v至±6v，建议型号adg658。

实施例2：参见图1、图2，一种用于声发射信号的动态可配置带通滤波方法，所述方法包括以下步骤：

1）配置带通滤波器的上限截止频率f1、下限截止频率f2，同时用户在客户端设置声发射信号故障检测的带通滤波中心频率点fc；所述步骤1）中的上限截止频率f1≤1mhz，下限截止频率f2≥25khz，中心频率点范围f2≤fc≤f1。

2）声发射传感器采集声发射信号，传输至模拟多路复用器；

3）模拟多路复用器通过高通滤波器、低通滤波器和n个带通滤波器，将频带分为（f2-f1）/n份；n的范围是1≤n≤5；

4）假设cpu计算得出fc落在（f1-f2）/n中的第m个频带（1≤m≤n），通过多选一模拟开关选择其fc频率对应的第m个带通滤波器；

5）调整带通滤波器对应的电位器，调整q值（品质因数，即二阶带通响应的f0与-3db带宽之比），从而调整带通滤波器的中心频率点至fc，滤除其他噪音，只保留特定带宽的声发射信号，进行采样。由于声发射信号用于故障检测通常在0-1mhz的范围，针对各个带通中心频率点fc分别计算出对应的阻容参数，因为电容值比较难调整，所以根据仿真选择一个合理的电容值，同时使用可调电阻器代替普通电阻，这样就能基本覆盖0-1mhz范围内带通滤波要求。在信号输入端由模拟多路复用器分别输出到多个滤波器，后面输出信号经过多选一模拟开关输出相应的频宽信号。用户可以通过设置分别选择低通、高通或带通滤波器，以及通过可配置电阻调整中心频率，滤除其他噪音，只保留特定频率的声信号，进行采样。

上述方案将模拟开关、低通、高通、带通滤波电路、多选一模拟开关电路集成到一起，体积小、集成度高、易于安装，可实现对声发射模拟信号的动态可配置带通滤波，选择特定频率带宽范围的信号进行采样；该方案使用多选一模拟开关选择模拟信号，将宽范围的频带分割成多个小范围频带信号；使用可调电位器微调整带通滤波的中心频率点，可扩充特定频带滤波器，可设置带通滤波参数，调节该声发射带通滤波的中心频率点。

需要说明的是上述实施例，并非用来限定本实用新型的保护范围，在上述技术方案的基础上所作出的等同变换或替代均落入本实用新型权利要求所保护的范围。