基于水聽器的灌裝溶液雜質(zhì)在線聲波檢測技術(shù)研究

耿春明，湯小龍

(北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，北京 100191)

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基于水聽器的灌裝溶液雜質(zhì)在線聲波檢測技術(shù)研究

耿春明，湯小龍

(北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，北京 100191)

為了實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)流水線中灌裝溶液雜質(zhì)的在線檢測，提高生產(chǎn)檢測效率，文中著重研究了基于水聽器傳感器的在線聲波檢測技術(shù)。通過分析比較在有無固體異物雜質(zhì)顆粒時(shí)灌裝容器內(nèi)的聲場頻譜分布情況，利用等級(jí)相似性系數(shù)來定性地判定容器內(nèi)溶液的雜質(zhì)顆粒有無情況。采用水聽器作為收集容器內(nèi)聲場數(shù)據(jù)的傳感器，具有體積小、線性工作頻率范圍寬和無水平指向性等特點(diǎn)。主要步驟有水聽器采集聲場數(shù)據(jù)、信號(hào)濾波放大、數(shù)據(jù)采集和FFT數(shù)據(jù)處理等。通過試驗(yàn)得出結(jié)論，容器內(nèi)的固體異物雜質(zhì)顆粒在溶液中的聲場頻譜分布中的特征頻段范圍是15～26.8 kHz。

水聽器；雜質(zhì)聲波檢測技術(shù)；頻譜分布；FFT；等級(jí)相似性

0 引言

酒類、飲料、醫(yī)藥、食品等制造行業(yè)在生產(chǎn)中大量采用了自動(dòng)灌裝生產(chǎn)線，灌裝的最后環(huán)節(jié)的異物顆粒雜質(zhì)在線檢測方法雖然包括電阻法、光散射法、光衍射法、光阻法等自動(dòng)化檢測方法[1]和人工燈檢法等檢測手段[2]，也用了不同種類的電學(xué)和光學(xué)傳感器，但這些方法都各有缺陷。

水聽器作為一種聲壓傳感器，能夠?qū)⑺碌穆曅盘?hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)。Rustam Stolkin等通過研究發(fā)現(xiàn)，不同類型的水下生物、測量系統(tǒng)和機(jī)械結(jié)構(gòu)都會(huì)發(fā)出各自特有的高頻聲音信號(hào)[3]，并研究了如何從帶有復(fù)雜背景噪聲的水聽器信號(hào)中提取特征信號(hào)以完成不同類型的識(shí)別和檢測。由于水聽器能夠檢測到不同相之間的耦合作用以及多相體系與探頭之間的相互作用[4]，本課題就使用水聽器作為聲壓傳感器，著重研究了在線聲波檢測技術(shù)。

1 試驗(yàn)原理、試驗(yàn)裝置和試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)原理

該聲波檢測系統(tǒng)主要由傳感器數(shù)據(jù)采集、信號(hào)濾波、放大、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理5大部分組成，如圖1所示。

圖1 聲波檢測系統(tǒng)工作原理示意圖

試驗(yàn)中采用的水聽器是一種能夠?qū)⑺侣曅盘?hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)的聲壓換能傳感器，外形尺寸僅為Φ10 mm×50 mm，電壓靈敏度為-217 dB，工作頻率為20Hz～160 kHz，線性工作頻率為1～100 kHz。在沒有激振裝置的激勵(lì)情況下，水聽器本身的輸出正弦信號(hào)電壓范圍大約在-5～5 mV之間。這是由于外部50 Hz交流電系統(tǒng)干擾產(chǎn)生的無用信號(hào)，在帶通濾波器中會(huì)被濾除掉。在激振裝置的激勵(lì)作用下，水聽器搜集到容器內(nèi)部聲場產(chǎn)生的信號(hào)幅值在50～100 mV之間，靈敏度相對(duì)較低，相對(duì)于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的輸入信號(hào)電壓量程-10～10 V過于微弱，因此信號(hào)需要放大20 dB至40 dB。在有無異物雜質(zhì)顆粒的情況下，采集容器內(nèi)部聲場數(shù)據(jù)，經(jīng)過FFT處理后，即可得到其頻譜分布圖。

聲場數(shù)據(jù)經(jīng)過傅里葉變換之后，橫坐標(biāo)即為分離出的正弦信號(hào)分信號(hào)相對(duì)應(yīng)的頻率，單位是Hz，縱坐標(biāo)對(duì)應(yīng)的是加權(quán)密度，單位為1，值的大小表示其在原始信號(hào)中的概率密度。若數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采集頻率為Fs，采集點(diǎn)數(shù)為N，則頻譜圖上的頻譜分辨率F如公式(1)所示[5]。

F=Fs/N

(1)

因此，在頻譜圖上橫坐標(biāo)第n點(diǎn)所表示的特征信號(hào)頻率Fn如式(2)所示：

Fn=(n-1)·Fs/N

(2)

傅里葉變換是建立了以時(shí)間為自變量的信號(hào)和以頻率為自變量的頻譜函數(shù)之間的關(guān)系[6]，將原來難以處理的時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換成了易于分析的頻域信號(hào)，并對(duì)這些頻域信號(hào)進(jìn)行處理。在文獻(xiàn)6中用特定的傳感器測得汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)和噪聲信號(hào)，通過分析振動(dòng)信號(hào)的頻譜得知當(dāng)排氣門間隙過大時(shí)，在8～18 kHz范圍之間的高頻成分明顯增加。本研究課題也是建立在分析容器內(nèi)聲場數(shù)據(jù)的頻譜圖的基礎(chǔ)之上的。

1.2 試驗(yàn)裝置

該試驗(yàn)裝置的示意圖如圖2所示，主要由灌裝容器和激振裝置2部分組成。在圖2(d)中，灌裝容器的直徑a=100 mm，高度b=145 mm，激振裝置的立柱高度g=80 mm，擊柱的高度f=70 mm，擊柱的高度可沿著立柱上下滑動(dòng)調(diào)節(jié)；圖2(c)中，c和d分別表示擊柱中心距離灌裝容器中心在水平和豎直方向上的距離，在本文兩者的距離分別是5 mm和100 mm。圖2(a)、圖2(b)和圖2(c)分別是激振裝置的起始位置、激振位置和返回平衡位置。

(a)激振裝置的起始位置 (b)激振位置

(c)返回平衡位置 (d)激振試驗(yàn)裝置

1.3 試驗(yàn)方法

激振裝置立柱上有3層板，上層板、中層板和下層板，擊柱固定在中層板上，中層板和下層板在立柱的兩側(cè)分別連接一拉簧。在起始位置，擊柱被定位銷固定在上層板上，將定位銷拔出的同時(shí)，擊柱在彈簧的拉力作用下，擊柱敲擊容器，之后在彈簧的拉力作用下，擊柱返回至平衡位置，一次激振就結(jié)束。在激振的同時(shí)，容器內(nèi)的水聽器采集到內(nèi)部聲場數(shù)據(jù)并輸出。

在本文中，灌裝容器為玻璃材質(zhì)，擊柱為鋁合金材質(zhì)，在起始位置上，金屬擊柱與底座之間的夾角f=45°。文獻(xiàn)[4]中的試驗(yàn)方法是在攪拌釜中設(shè)計(jì)1個(gè)攪拌器，在設(shè)定攪拌轉(zhuǎn)速和功率之后在攪拌釜內(nèi)產(chǎn)生1個(gè)內(nèi)部聲場以供研究。

2 灌裝容器固有振動(dòng)模態(tài)仿真和聲場數(shù)據(jù)分析

2.1 水聽器靜態(tài)特征分析

在無外界激振裝置的作用下，將水聽器的輸出信號(hào)直接連接示波器并輸出，將該信號(hào)以Fs=100 kHz的采集頻率采集數(shù)據(jù)，采集8 192個(gè)數(shù)據(jù)后進(jìn)行FFT數(shù)據(jù)處理，其時(shí)域波形圖和頻譜圖如圖3所示。由圖可知該信號(hào)頻率為50 Hz，幅值在±3.6 mV之間，這是由于傳感器線纜較長，本身會(huì)受到50 Hz交流電干擾。

(a)輸出信號(hào)波形圖

(b)輸出信號(hào)頻譜圖圖3 水聽器靜態(tài)輸出信號(hào)波形圖及其頻譜圖

由該頻譜圖可知，在n=5時(shí)波形有一個(gè)明顯的峰值，在其他頻率上的波峰幅值基本可以忽略不計(jì)，因此由公式(2)的轉(zhuǎn)換關(guān)系可知該波形信號(hào)的特征信號(hào)頻率為

Fn=(n-1)·Fs/N=(5-1)×100×103/8192=49 Hz

(3)

與實(shí)際生活中的50 Hz交流電系統(tǒng)信號(hào)頻率相合。

2.2 容器固有振動(dòng)頻率模態(tài)仿真分析

固有頻率是機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)的最主要參數(shù)之一。實(shí)際上，機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)的模型是多自由度的，它有多個(gè)固有振動(dòng)頻率，在幅頻特性曲線上會(huì)出現(xiàn)許多“共振峰”。一般來講，系統(tǒng)的這些固有頻率與激振方式、測點(diǎn)布置無關(guān)[7]。

頻譜曲線中，振動(dòng)的振幅及初相位與振動(dòng)的初始條件有關(guān)，而與振動(dòng)的固有周期或固有頻率與初始條件無關(guān)，而與系統(tǒng)的固有特性有關(guān)。物體的固有振動(dòng)頻率與它的硬度、質(zhì)量、外形尺寸有關(guān)。物體的固有振動(dòng)模態(tài)和固有振動(dòng)頻率是一一對(duì)應(yīng)的。一階固有振動(dòng)模態(tài)和一階固有振動(dòng)頻率相對(duì)應(yīng)，二階固有振動(dòng)模態(tài)和二階固有振動(dòng)頻率相對(duì)應(yīng)，依此類推。

現(xiàn)用軟件對(duì)容器進(jìn)行固有振動(dòng)模態(tài)仿真分析，三維建模、載荷施加和網(wǎng)格劃分如圖4所示。

(a)容器固有振動(dòng)模態(tài)仿真載荷施加示意圖

(b)容器固有振動(dòng)模態(tài)仿真網(wǎng)格劃分示意圖

圖中，三維建模按照實(shí)物容器1∶1建模，容器外徑Φ103 mm，高度為145 mm，壁厚為4 mm，容器內(nèi)部溶液的高度為Φ85 mm，試驗(yàn)中以水溶液模擬。夾具形式為容器底部幾何體固定。外部載荷主要有容器底部的均布?jí)毫蛡?cè)壁的非均布?jí)毫?。容器底部均布?jí)毫簭?qiáng)大小如公式4所示，側(cè)壁非均布?jí)毫Φ撞孔畲髩簭?qiáng)為8.3×102Pa，溶液表面的壓強(qiáng)為0 Pa，兩者之間為線性分布。

P=ρgh=1.0×103×9.8×0.085=8.3×102Pa

(4)

軟件仿真中設(shè)置屬性頻率數(shù)為10，使用自動(dòng)解算器，仿真結(jié)果如表1所示。表中列“頻譜波形對(duì)應(yīng)頻率(Hz)”是將表中列“頻率(Hz)”利用公式(2)反向推導(dǎo)得到，該頻率與水聽器激振輸出信號(hào)的頻譜曲線中的頻率相對(duì)應(yīng)。

表1 容器固有振動(dòng)模態(tài)仿真分析結(jié)果

2.3 水聽器激振輸出信號(hào)分析

將試驗(yàn)裝置放置在金屬平板上進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)中以直徑大小不一的玻璃球?yàn)楣腆w異物顆粒，在分別不放置異物顆粒和放置異物顆粒的情況下分別進(jìn)行試驗(yàn)，采集容器內(nèi)聲場數(shù)據(jù)信號(hào)，經(jīng)過濾波放大后采集聲場數(shù)據(jù)，利用FFT數(shù)據(jù)處理得到聲場的頻譜特性曲線。

試驗(yàn)中觀察發(fā)現(xiàn)，在激振裝置的定位銷拔出、擊柱敲擊容器后，容器內(nèi)的聲場信號(hào)持續(xù)100 ms之后便衰減至沒有激振時(shí)的幅值大小，在這100 ms內(nèi)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集到的有效數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)如式(5)所示。

N=100÷1 000×100×103=104

(5)

由于在基于頻域抽取的基-2FFT算法或者基于時(shí)域抽取的基-2FFT算法中都要求所要計(jì)算的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)為2的整數(shù)次冪，因此從數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)中截取8 192個(gè)有效數(shù)據(jù)，即213。

由此得到在本文中，數(shù)據(jù)采集頻率為100 kHz，采集時(shí)間為100 ms，截取的有效數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)為8 192個(gè)。分別采集多組無異物雜質(zhì)顆粒和有異物雜質(zhì)顆粒時(shí)的聲場數(shù)據(jù)并進(jìn)行FFT處理，得到多組頻譜曲線圖，圖5為部分試驗(yàn)結(jié)果。

由圖5可知，無論是在有無固體異物顆粒的情況下，頻譜曲線中第一個(gè)峰值都出現(xiàn)在275 Hz附近，在502 Hz附近都有一個(gè)最大峰值。此外，在頻譜波形中630 Hz附近也有較小的波峰值，這與表1容器固有振動(dòng)模態(tài)仿真分析結(jié)果相符合。此外，在表1列“頻譜波形對(duì)應(yīng)頻率(Hz)”中的頻率都可以在頻譜波形中找到對(duì)應(yīng)的峰值。

(a)第一組無異物雜質(zhì)顆粒的頻譜特性曲線

(b)第一組有異物雜質(zhì)顆粒的頻譜特性曲線

(c)第二組無異物雜質(zhì)顆粒的頻譜特性曲線

(d)第二組有異物雜質(zhì)顆粒的頻譜特性曲線圖5 2組無異物雜質(zhì)顆粒和相對(duì)應(yīng)的有異物雜質(zhì)顆粒的頻譜特性曲線

2.4 Spearman等級(jí)相似性系數(shù)

將已經(jīng)求得的容器內(nèi)無異物雜質(zhì)顆粒和有異物雜質(zhì)顆粒時(shí)的聲場頻譜數(shù)據(jù)分別定義為變量X和變量Y。在對(duì)兩個(gè)變量(X,Y)進(jìn)行相關(guān)性分析時(shí)，若數(shù)據(jù)資料不呈正態(tài)分布、總體分布類型未知或?yàn)橛行蚍诸悢?shù)據(jù)資料時(shí)，應(yīng)該用基于秩次的非參數(shù)統(tǒng)計(jì)方法—Spearman等級(jí)相關(guān)性。當(dāng)X和Y中的相同秩次較多時(shí)，等級(jí)相似性系數(shù)的計(jì)算公式如式(6)所示。

(6)

式中：n為要比較數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)；tx和ty為變量X和變量Y中有相同秩次的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)。

當(dāng)系數(shù)為1時(shí)，變量Y和變量X之間有嚴(yán)格的單調(diào)遞增關(guān)系。當(dāng)系數(shù)為-1時(shí)，變量Y和變量X之間有嚴(yán)格的單調(diào)遞減關(guān)系。

在本文中，先測得灌裝容器中沒有異物雜質(zhì)顆粒時(shí)的頻譜數(shù)據(jù)，作為被比較的標(biāo)準(zhǔn)頻譜數(shù)據(jù)，再分別測得10組無異物雜質(zhì)顆粒和有異物雜質(zhì)顆粒時(shí)的頻譜數(shù)據(jù)，分別與標(biāo)準(zhǔn)頻譜數(shù)據(jù)比較，根據(jù)式(6)計(jì)算等級(jí)相似性系數(shù)r，如表2所示。在該表中，從第1次試驗(yàn)到第10次試驗(yàn)為第一組試驗(yàn)，以第1次測得的沒有異物雜質(zhì)顆粒時(shí)的頻譜數(shù)據(jù)為標(biāo)準(zhǔn)頻譜數(shù)據(jù)，所以該數(shù)據(jù)和自身比較的等級(jí)相似性為1。

表2 有無異物雜質(zhì)顆粒頻譜數(shù)據(jù)等級(jí)相似性系數(shù)表

重新放置固體異物雜質(zhì)顆粒，進(jìn)行第2組實(shí)驗(yàn)。在第1次無異物雜質(zhì)顆粒存在時(shí)，等級(jí)相似性系數(shù)同樣為1。再將該表制成折線圖，如圖6所示。其中前10組數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)第一組試驗(yàn)數(shù)據(jù)，后10組數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)第二組試驗(yàn)。

圖6 有無異物顆粒頻譜數(shù)據(jù)等級(jí)相似系數(shù)比較折線圖

3 結(jié)論

對(duì)比圖5中無異物顆粒和有異物顆粒的聲場頻譜特性曲線和有無固體異物雜質(zhì)顆粒頻譜數(shù)據(jù)折線圖，根據(jù)式(2)的轉(zhuǎn)換關(guān)系可知：

(1)在250～750 Hz的低頻區(qū)，即3～9.1 kHz的特征頻率分布范圍內(nèi)，有無異物顆粒時(shí)，容器內(nèi)聲場的頻率分布基本一致，對(duì)于水聽器接收到的信號(hào)影響不大，這是由于該段頻率范圍內(nèi)的頻率是玻璃容器被金屬擊柱激振時(shí)產(chǎn)生的固有頻率，容器內(nèi)是否有異物顆粒對(duì)該段頻率分布影響不大；

(2)在1 250～2 200 Hz的高頻區(qū)，即15～26.8 kHz的特征頻率分布范圍內(nèi)，有異物顆粒時(shí)，容器內(nèi)水聽器信號(hào)頻譜數(shù)據(jù)波峰值有明顯的變化，2組數(shù)據(jù)等級(jí)相似性系數(shù)都在0.60左右，等級(jí)相似性系數(shù)明顯小于沒有異物雜質(zhì)顆粒的頻譜數(shù)據(jù)。因此，該段頻率是固體異物顆粒雜質(zhì)在容器內(nèi)的特征頻段，通過對(duì)比容器內(nèi)聲場頻譜曲線中的該段頻率分布情況，可以間接判斷容器內(nèi)的異物雜質(zhì)顆粒含量情況；

(3)在其他頻率范圍內(nèi)，有無異物顆粒時(shí)，容器內(nèi)聲場的頻譜曲線基本一致，對(duì)于水聽器接收到的信號(hào)影響不大。

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Research of New Online Acoustic Detection Technology of Filling Solution Impurities Based on Hydrophone

GENG Chun-ming ,TANG Xiao-long

(College of Mechanical Engineering and Automation, Beijing University of Aeronautics and Astronautics,Beijing 100191,China)

In order to achieve the goal of online impurity detection of filling solution in industrial production and improve production efficiency,the paper focused on the new technology of online acoustic detection.Through the analysis of the sound field spectral distribution in the filling container with and without solid particle impurities,whether there were impurities in the filling container could be determined qualitatively by comparing the data similarity.Hydrophone,with small size,wide range of linear operational frequency and non-horizontal directivity,was used in the experiment as a sensor to collect sound field data in the container.The main steps of the experiment were sound field data acquisition,the filtering and amplification of the signal,data acquisition and FFT data processing.Through the experiments,it can be concluded that the characteristic frequency of solid particle impurities in the solution within the container is from 15 kHz to 26.8 kHz.

hydrophone; impurity acoustic detection technology; spectral distribution; FFT; data similarity

2014-03-25 收修改稿日期：2014-11-06

TH39

A

1002-1841(2015)04-0079-05

耿春明(1964—)，副教授，博士后，從事固體質(zhì)量流量測量、非接觸光電測量及機(jī)電一體化等方向的研究工作。 E-mail：gengcm@buaa.edu.cn 湯小龍(1988—)，碩士研究生，主要研究領(lǐng)域?yàn)楣I(yè)檢測和機(jī)電一體化等。E-mail：txiaolongtxl@sina.com