（电力电子与电力传动专业论文）瓶装啤酒密封性在线检测关键技术研究.pdf

山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t a sap a r to fo n l i n ed e t e c t i n ga p p a r a t u so fb e e r c l o s u r ed e t e c t i o nh a sb e e n m o n o p o l i z e db yf o r e i g ne n t e r p r i s e s ，a n di t sp r i c ei st o o e x o r b i t a n t i ti sq u i t e n e c e s s a r yt od e v e l o po u ro w ni n t e l l e c t u a lp r o p e r t yp r o d u c t s ，w h i c hc o u l dn o to n l y s a t i s f yd o m e s t i cc o r p o r a t i o n ，e x p e c i a l l yt h es m a l la n dm i d d l eo n e s ，t oi n p r o v et h e i r q u a l i t y , b u ta l s oe f f e c t i v e l yr e s t r a i nh i g hp r i c e w ed e t e r m i n e dt oa d o p ta c o u s t i cm e t h o do nt h eb a s i so fi n v e s t i g a t i n gr e s e a r c h s t a t u so fc l o s u r ed e t e c t i o nh o m ea n da b r o a d t h e nm a i n l ys t u d i e dt h ec r i t i c a l t e c h n o l o g y t h et a s ko ft h et h e s i si sa sf o l l o w s ： 1 f i r s ta n a l y s ew o r k i n gp r i n c i p l eo ft h ec l o s u r ee x c i t e db ye l e c t r o m a g n e t i cp u l s e t h ec l o s u r eo s c i l l a t e sf r e e l yf o ram o m e n ta n de m i t sac h a r a c t e r i s t i ct o n ew h i c hi s d i f f e r e n tb e c a u s eo fi n n e rs t r u c t u r e t h e ng i v et h ew h o l es c h e m ed e s i g n 2 d e v e l o p e de l e c t r o m a g n e t i c e x c i t a t i o nm e a s u r e m e n tw h i c hm e e t s7 2 ，0 0 0 b o t t l e sa nh o u ro n l i n e i n c l u d i n gt h ed e s i g no fe l e c t r o m a g n e ta n dc o n t r o lc i r c u i t 3 e s t a b l i s ht h e e x p e r i m e n tp l a t f o r mb a s e du p o ni n d e p e n d e n td e v e l o p m e n t e x c i t i n gd i v i c e ，u s i n gm i c r o p h o n e ，s o u n dc a r da n dm a t l a bs o f t w a r et og e n e r a t e ， r e c e i v ea n dp r o c e s sa b u n d a n c eo ft e s t i n gs i g n a l s 4 d os p e c t r u ma n a l y s i sw i t ht h ec o l l e c t e da c o u s t i c a l s i g n a l s ，a n de x t r a c t c h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r st o d i s t i n g u i s hb e t w e e nn a t u r a la n da b n o r m a lc o l s u r eo f b o t t l e db e e r 5 b ym e a n so fb a y e sd i s c r i m i n a t i n gp r i n c i p l e ，g e tt h ed i s t i n g u i s hf u n c t i o no f n a t u r a la n da b n o r m a lc o l s u r eo fb o t t l e db e e rt h r o u g hs a ss o f t w a r e f u r t h e r m o r e ， c h e c k e d u pt h ep r e c i s i o no f t h em o d e l t h ee x p e r i m e n t a t i o nr e s u l t ss h o w e dt h a tt h ed e s i g n e de l e c t r o m a g n e t i ce x c i t a t i o n c o u l da c h i e v e7 2 ，0 0 0b o t t l e sa nh o u r , a n dt h ei n t e n s i t yo fa c o u s t i cs i g n a l sm e tt h e r e q u e s t i na d d i t i o n ，t h ed e t e c t i n gs y s t e mc o u l dd e t e c tn o r m a lc l o s u r ea tt h ea c c u r a c y o f9 4 6 7p e r c e n tw h i l ed e t e c tt h ea b m o r m a la tt h ea c c u r a c yo f8 9 17p e r c e n t a st h e 山东大学硕士学位论文 n u m b e ro ft h es a m p l ei ss m a l l ，w ec a nr e v i s et h ed i s c r i m i n a n tm o d e lb yi n c r e a s i n gt h e a m o u n tt og e tt h eb e s tm o d e l k e y w o r d s ：b e e r ；s e a l ；e l e c t r o m a g n e t i ce x c i t a t i o n ；a c o u s t i c ss i g n a l ；s p e c t r u m a n a l y s i s ；b a y e sd i s c r i m i n a n t 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。 对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方 式标明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 蛐 日 期：二丝掣 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：玉哟导师签名了纽 k 日期：二秽 山东大学硕士学位论文 1 1 课题来源及意义 第一章绪论 我国啤酒饮料企业正朝着规模化、集约化、自动化方向发展。生产线自动化 程度越高，产品质量和产量就越能得到保证。实现生产线自动化的重要条件之一 就是要能够完成产品的在线自动检测。目前，国内大型啤酒饮料生产企业产品生 产线除了新引进的高速生产线配有自动检测设备外，多数生产线还在采用半自动 加人工的方法进行检n t ，企业对灌装生产线在线自动检测装置的需求非常迫 切。目前国外己经开发了一系列的在线自动检测装置【2 】，主要包括：回收箱检 测；空箱检测；空瓶分类；空瓶检测；残碱检测；灌装机封盖机管 理系统；商标检测。 封盖检测隶属灌装机封盖机系统。在灌装封盖机的出口需要检查诸如瓶颈 空气和密封性。若瓶颈空气过多，将导致瓶内压力过大，容易产生爆瓶；另外瓶 盖缺失、密封不严( 漏气) 、歪盖等均属于不合格产品。 当前，国内市场销售的啤酒饮料在线检测产品多为美、德等国的产品。这些 产品由于知识产权保护、昂贵人力资源以及缺乏与之竞争产品的原因，价格昂贵， 无法为中小啤酒企业所接受。同时，这类产品普遍大而全，有很多功能是中小啤 酒生产企业所不需要的，造成很大浪费。最后，这类产品的控制软件还存在着外 语界面，操作繁琐，对工人知识水平要求较高的缺点【3 1 。就市场需求而言，大多 数啤酒生产厂家对在线检测设备的要求主要集中在稳定可靠、降低价格、方便操 作方面。 封盖检测设备作为瓶装啤酒灌装线在线检测设备的一部分，其研制成功不仅 可以满足我国啤酒生产企业尤其是中小企业的现实需求，提高其产品质量；同时 可以填补我国在啤酒灌装在线自动检测设备中封盖检测设备的空白，与国外产品 展开市场竞争，有效抑制同类进口设备价格；再者具有自主知识产权的封盖检测 设备还可以出口创汇。 山东大学硕士学位论文 1 2 封盖检测技术与设备的国内外研究现状 目前国外封盖检测系统设备已有产品投放市场，如德国h e u f t 系统、m i h o 系统，一般将封盖检测功能与其他功能集成于一台检测设备中。单纯的瓶盖缺失 检测用光扫描仪或者金属探测器探测瓶盖是否存在【4 】。当有封盖的啤酒瓶经过检 测设备时，光扫描仪或者金属探测器感应给出电信号，否则没有信号产生。该方 法简单易行，缺点是仅能检测瓶盖缺失，对于歪盖，密封不严等无能为力。 对于一些损坏严重或有突出裂口的封盖，通过光学c c d 相机进行检测【5 j 。 检测系统将所摄的封盖相片进行图像处理并与标准封盖参数进行对比分析，当分 析结果超过某个极限时，系统认定该封盖不合格并指示随后的剔除系统进行剔 除。光学检测的基础依赖于对封盖外形进行图像处理分析，一般可检测封盖缺失 及歪盖、倾斜盖等情况。其检测稳定性易受瓶子公差( 比如：瓶璧厚度、玻璃有 无瑕疵、特别是玻璃颜色) 、不清晰的液位分界线( 泡沫) 、不稳定的瓶子引导、 瓶子表面有滴落水等因素的影响。 对于塑料瓶装饮料的密封性采用超声激励法。灌装好的饮料在生产线上高速 流动时，利用特制的超声设备向饮料中发射强功率超声，利用功率超声的空化作 用使液体瞬间膨胀，当封盖漏气时，则会有饮料液体向瓶外喷射，从而瓶中液位 下降，利用后续液位检测装置将不合格瓶子剔除。该装置占用空间小，对于微小 漏气也可准确判断，但还仅限于塑料瓶装饮料。 对于马口铁材料的封盖采用声学检测。检测模块发出 脉冲“击打”瓶子封 盖，封盖发生振动并产生声学信号。通过对该声学信号进行软件分析可进行缺 失检测，形状检测，封盖的密封程度及顶部含氧量检测等。 1 3 本论文主要研究内容 中国市场啤酒瓶绝大多数为玻璃瓶，封盖为马口铁，本文将其作为研究对象。 所选检测方法为声学检测方法。利用声学检测方法成本低，可实现瓶盖缺失、歪 盖、密封不严、顶部含氧量等多指标测量。主要研究内容如下： 1 、封盖声学检测方法的原理分析； 2 、实验平台构建：激振、拾振装置的软硬件设计与集成； 2 山东大学硕士学位论文 3 、对信号进行功率谱分析，提取特征变量； 4 、建立判别模型，并进行模型检验： 5 、电磁激振装置设计。 3 山东大学硕士学位论文 第二章封盖密封性检测原理分析 本章首先分析了瓶装啤酒封盖振动模型，得出其振动频率与内部压力即封盖 密封性存在一定关系的结论；进而讨论了电磁激振后封盖振动产生声学信号的接 收关键装置传声器以及对声学信号进行分析的基本方法；最后给出瓶装啤酒 封盖密封性检测系统的方案设计。 2 1 封盖振动模型分析 灌装好啤酒的瓶子需要尽可能快地封上盖子，玻璃瓶通常都是用皇冠盖密封 瓶口。皇冠盖属冲压型马口铁盖，一般根据实际需要通常选用厚度0 2 3 m m 、硬 度t 3 或t 4 、镀锡层为1 i l o 2 8 9 m 2 的马1 2 1 铁( s p t e ) 或镀铬铁( t f s ) 。马口 铁材质要符合m r 标准，进口铁要符合日本j i s g 3 3 0 3 标准；既要有一定的强度 和硬度，又要有一定的耐冲击性【6 】。用于密封玻璃瓶的皇冠盖具有2 1 个尖角， 这些尖角在压盖机压盖时，由于挤压而靠拢致使瓶子得以密封【7 1 。此时被固定好 的皇冠盖则可看成圆形膜，因膜一定要把它张紧才能引起振动，对于圆形膜就得 把周界固定，恢复其平衡的力主要是张力。 以下分析此时皇冠盖即圆形膜的振动方程与一般解。 2 1 1 圆膜振动方程与一般解 对十吊见阴圆彤膜，兵振动米户h 檄坐杯分秒ro 如图2 - 1 所不，为禺檄点的 的径向距离，称为极径，秒为极径，与极轴所夹的角，称为极角。极坐标与直角 坐标之间的关系为x = r c o s 0 ，y = r s i n 0 。因普通平面薄膜振动方程为8 】 v 2 7 = 吉鲁 协， 式中c = 后t 为张力，仃为面密度= 竺i g x 2 + 等为二维直角坐标的拉 普拉斯算符。在极坐标下抻普拉斯算符可表示为 4 山东大学硕士学位论文 v 2 ：! 旦f ，旦 + 与生 ，务i 务j 厂2a 口 于是，在极坐标下膜振动方程可表示成 1af ，a 、1a 21a 2 7 7 7 瓦【r 万j + 7 历27 蒂 ( 2 2 ) ( 2 3 ) 图2 - 1 圆彤膜 本文研究的是圆对称情形，即圆膜振动时位移与极角乡无关，即可以认为位 移7 7 仅是径向距离，的函数，而舅= 0 。这样方程( 2 - 3 ) 可简化为 垂+ ! 挈：三磐 ( 2 4 ) a r 2r8 rc zo t z 此方程是二阶偏微分方程，用分离变量方法求解，令刁o ，r ) - r p 沙o ) 。考虑 到讨论的属于简谐振动，因而可令其对于时间f 部分的解为简谐函数，可以简化 运算。选用复变量函数形式，即令丁o ) = p 朋，于是把试探解7 7 0 ，) = 尺( 厂弘州代 入方程( 2 4 ) ，可得关于，的二阶常微分方程 堡+ ! 塑+ k 2 r ：0( 2 5 ) d r rd r 其中，k ：一w 。再实施变量变换，令扫：z ，则( 2 5 ) 式就化成 氅- i - 一l d r + r ：0 ( 2 - 6 ) d z zd z 这一方程是零阶柱贝赛尔方程的标准形式，其有两个特解，一个为j o g ) 称 为零阶柱贝赛尔函数，另一个为0 ( z ) 称为零阶柱诺依曼函数。方程一般解为上 5 山东大学硕士学位论文 述两个函数的线性组合，则 r ( z ) = a 3 。( z ) + b n 。( z ) ( 2 - 7 ) 考虑到柱诺依曼函数n 。g ) 具有一个在零点发散的特性，即当z = 0 时， n 。( o ) 一。对于一般圆形膜情形，在圆心，= 0 处振动总是有限的，并且这一 点是不能回避的( 对于环状膜可以回避圆心位置) ，因此要使( 2 7 ) 的解能描述 圆膜的实际振动规律，必须要令参数b = 0 。由此( 2 7 ) 式可简化为 尺g ) = 彳山g ) ( 2 - 8 ) 而膜的位移就可表示为 刁o ，) = a j 。似弘朋 ( 2 9 ) 2 1 2 圆膜对称自由振动一般规律 膜产生振动主要靠张力，即要使膜产生振动一定得把膜张紧。对于圆形膜就 得把周界固定，则可以定出圆形膜的边界条件为r ( 1 - 0 ，这里口为膜的周界半 径。根据( 2 9 ) 式上述条件可归结为 山汹) = 0 ( 2 1 0 ) 这就是说，圆形膜周界固定的物理条件，数学上就归结为求零解柱贝赛尔函数的 根值。设施= 甜，查找图表可得，满足山0 ) = 0 的值有，2 个，并用心0 = 1 , 2 圳3 ) 表示，而a 。= 2 4 0 5 ，a 2 = 5 5 2 0 ，, u 3 = 8 6 5 4 。这一结果表明，对于圆形膜的振 动k a 的值不是任意的，而只能是取一些特定的数值，用后。a 表示，因为k 。中包 含频率六，这就表示振动频率不是任意的，而只能取一些特定的值。( 2 1 0 ) 式 也可称为周界固定的圆形膜的频率方程。 称为简正频率，据k a = 以的关系可 得 正鸹云, t f a = 象括 ( 2 - z z 刀口y 盯 其中 z = 等括 ( 2 - 1 2 ) 6 山东大学硕士学位论文 为基频。由此式可以看到，圆膜振动的基频与半径a 成反比，与张力丁及面密度 盯也有关。 对于固定的瓶型，啤酒瓶上密封的瓶盖的半径是一定的，不同供应商封盖材 料，有无涂层导致面密度差异，但对于特定的某种瓶盖其面密度也是一定的，可 见，对于某种特定瓶装啤酒封盖振动基频则只与张力有关。而张力取决于瓶内的 压力，由此频率与瓶内压力有一定联系。当瓶内压力过大时，使得张力增大，频 率会高于正常基频；而当有歪盖，漏气等现象发生时，使得张力减小，频率会低 于正常基频。可见，通过分析振动频率大小可以判断封盖合格与否。 另外，通过相关资料及初步实验可知，该频率为声频范围，从而可以通过封 盖振动产生声学信号方法进一步分析。 2 2 声学信号的接收与处理 声音与振动紧密相连，物体的机械振动常常引起声辐射。当物体在空气中振 动时，会激励它周围的空气质点运动。由于空气具有可压缩性，在各质点的相互 作用下，振动物体周围的空气分子就交替地产生压缩与膨胀，这样将本地的振动 向附近的区域一个接一个的传播，声音得以形成【9 】。不同物体，由于表面结构和 内部本质的不同，在外界激励下作自由振动时，产生的声音信号会呈现不同的特 点，这就是物体的声学特性。具体的讲，物体的声学特性是指物体在声波作用下 的反射特性、散射特性、透射特性、吸收特性、衰减系数和传播速度及其本身的 声阻抗与固有频率等【l0 1 。利用声学特性研究物体品质早已在众多领域应用，基 于上一节得出的啤酒封盖振动时瓶内压力与频率的关系，我们可采用“电磁激振” 方法“敲击”封盖表面使之发生振动( 具体实施方法在后面章节详细介绍) ，该振 动在空气中传播形成声音，利用传声器接收该声学反射信号，并通过一系列转换 将声学模拟信号转换为数字信号，进行相应分析。 2 2 1 声学信号接收 啤酒封盖受到“电磁激振”后产生的声学信号需用专用设备接收并转换，传声 器是一种接收声波并将其转换为特定的电信号的换能器，俗称话筒或麦克风。传 声器将声信号转换为电信号后，经过放大以及其他后置处理，可以用来进行声学 7 山东大学硕士学位论文 测量、语音通信、录音、广播和扩音等l j 。 传声器的种类很多，按换能原理可分为电动式( 动圈式、铝带式) 、电容式 ( 直流极化式) 、压电式( 晶体式、陶瓷式) 以及电磁式、碳粒式、半导体式。 按照用途主要可分为测量传声器和录音传声器两大类。测量传声器通常分为实验 室标准传声器和供声学测量用的传声器。前者作为实验室的标准传声器，适用于 绝对校准，后者与测量仪器配套，用于声学测量【1 2 】。理想的标准传声器具有较 高的的灵敏度，宽而平直的频率特性，足够的动态范围，良好的长期稳定性，并 且要求传声器的体积小，满足全指向性的要求，以免干扰被测量的声场。也就是 说，对于测量传声器，需保证测量结果不失真，能够客观、真实地反应被测量。 动圈式传声器主要由线圈、磁钢、外壳组成。当传声器接收声波时，作用在 振膜上，引起振膜振动，带动音圈作相应振动，音圈在磁钢中运动，产生电动势， 声音信号转变成电信号。动圈式传声器使用较简单，无需极化电压，牢固可靠， 性能稳定，价格相对便宜，但它的瞬态响应和高频特性一般不及电容式传声器。 电容式传声器频响宽，灵敏度高，非线性失真小，瞬态响应好。其结构如图 2 2 所示。电容传声器主要由振膜、后极板、极化电源、前置放大器组成l l 3 。 后极板 腔体c 一2 图2 - 2 压强式电容传声器结构图 电容式传声器的极头实际上是一只平板电容器，一个固定电极，一个可动电 极，可动电极就是极薄的振膜。声波作用在振膜上引起振动，从而改变两极板间 电容量的变化，引起极板上电荷量的改变，电荷量随时间变化形成交变电流，经 过电阻尺上在两端产生压降，再经过放大器输出交变信号。由于输出阻抗很高， 不能直接输出，因此需要一个前置放大器进行阻抗变换。将高阻转变成低阻输出。 8 山东大学硕士学位论文 电容式传声器的振动系统可以近似地认为是位于弹性控制区的振动系统。在该控 制区，当外力激励频率远小于振动系统固有频率时，系统振动的位移与外力振幅 成正比，与系统的弹性系数成反比，与激励频率无关。 在声波p = p 。e 埘的作用下，振膜作微振动，假设在该声波作用下振膜产生 的位移为x = x o e 埘，在没有声波存在时电容器两极极间的静态距离为d 。，那么 在电容器两端产生的电压可近似表示为 p ( ，) = 等 协 式中：表示极化电压。 对于简谐振动，有 v ：拿：， (214)o)x z t v = 一= ， k z - d l 。 引入体积速度u ，可求得电容式传声器开路电压大小与振膜体积速度u 之间的 关系为 l e ( o = 器 ( 2 - 1 5 ) 式中：0 9 为振膜的振动角频率；s 为振膜的面积。由式( 2 1 5 ) 可见，当频率一 定时，电容式传声器的开路输出电压与振膜的体积速度成正比。这是电容式传声 器力一电转换的基本关系。 按照振膜受力方式不同，电容式传声器可分成压强式、压差式以及压强一压 差复合式等类型。下面仅以压强式电容式传声器为例介绍其工作原理。 压强式电容传声器从振膜受力方式上讲是压强式的，而从换能形式上讲，则 是电容式的。压强式电容传声器的基本结构形式及简化后类线路( 阻抗型) 如图 2 - 3 所示。因为c 爿。要比c 4 ：小得多，所以在类比线路图中可以将其略去，同时为 了省去变量器，以等效声质量m 彳= m 肼s 2 和等效声容c = s 2 分别代替振 膜的质量m m 和力顺，这样就可以将力学线路图和声学类比线路图耦合在一 起，从而使类比线路图大大简化。这样，根据电路定律就可以容易地分析开路电 压与声阻抗之间的关系，进而讨论压强式电容传声器的灵敏度及频响特性的决定 9 山东大学硕士学位论文 因素。 从类比线路可知 因此，有 图2 - 3 类比线路图 阽哥一 q - 1 6 ) ( 2 1 7 ) 耻怒陌o j m 新 协 l 尺j + i4 一li 可见，在频率不高时，洲爿石 r 一面丢，这时& 瓦v 丽o c 月。说明，在这 d ：! 些：!( 2 1 9 ) 1 0 生 瓦 山东大学硕士学位论文 式( 2 - 1 9 ) 说明，在共振频率附近，可通过对声阻r 月的控制，展宽并拉平 共振峰。使传声器的频响曲线的频率范围展宽：而当频率进一步提高，即c o 国。 或c o m a _ 击，7 苜s a = 嘉矗( 2 - 2 0 ) 说明，此时系统处于质量控制状态，灵敏度s 。与频率的平方成反比，频响曲线 将以每倍频程1 2 挡的斜率下降。 此外，需要注意一点就是：电容式传声器其实需要两组电源，一组为预放大 器电源，另一组为电容极头的极化电压。如果采用驻极体作为传声器的膜片，就 不需要极化电压。目前，驻极体传声已经用于声学测量中，并且在现场测量中有 逐渐替代电容式传声器的趋势【1 5 】。驻极体传声器的核心是驻极体。所谓驻极体 是一种在强电场中极化后不因电场的消失而消失的电介质。这种电介质的极化电 荷可“永久”地存在于它的表面。常见的驻极体材料有聚丙烯、聚四氟乙烯等。驻 极体传声器的结构原理如图2 4 所示。电容式传声器的振膜是镀在驻极体材料表 面的金属镀层，而振膜与后极板之间的电介质是由两种材料组成，即驻极体材料 和空气。驻极体电容传声器的工作原理与电容式传声器相同。 金属镀金层 振膜 电介质 后极板 图2 4 驻极体传声器基本结构不意图 传声器的性能可以用一系列客观参数进行描述，主要有灵敏度、频率响应、 等效噪声级、指向性、动态范围、最高声压级和输出阻抗等【1 1 1 。 ( 1 ) 灵敏度。灵敏度表示传声器的声电转换效率。其定义是在单位声压作 用下的输出电压或电功率。可以有多种不同的表示方法，常见的有开路灵敏度和 有载灵敏度两种。 山东大学硕士学位论文 所谓开路灵敏度是指在单位声压作用输出的电动势。当传声器的输出端处于 开路状态时，若作用在振膜上的声压为p ，测得的电压为v ，则开路灵敏度为 s = v p 。以分贝表示传声器的开路灵敏度时，必须注明其基准值。 有载灵敏度又称灵敏度的功率表示法。它是指在单位声压作用下，在传声器 输出端的额定负载上输出的电功率。通常规定额定负载为6 0 0 q 。 在上述定义中，都涉及声压的测量问题。如果采用的是声场中某点的声压值， 则称为声场灵敏度；如果取实际作用在传声器振膜上的声压值，得出的则是声压 灵敏度。在实际应用中，除非另有说明，通常说明书上给出的大多是声场灵敏度。 此外，采用灵敏度高的传声器拾音，可以对较低声压级信号获得较高的信噪比， 但对于拾取大动态范围大声压级的信号就容易产生失真。 ( 2 ) 频率响应。频率响应是指传声器灵敏度随频率变化的特性。即对于恒 定的不同频率输入信号传声器输出电压的大小。通常采用灵敏度与频率之间的关 系曲线表示，称为传声器的频响曲线。有时也用一定频率范围内的灵敏度不均匀 表示。频率响应的范围是指传声器正常工作的频带宽度，又叫宽带。一只传声器 的频率响应可以设计成平直的，也可根据需要对高、中、低频有适当的提升或衰 减。 ( 3 ) 等效噪声级。由于组成传声器的元件或负载上的分子热运动等原因形 成的，导致尽管传声器的振膜上没有声波作用，传声器仍有一定的电压输出。这 一并非由声压引起的电压称为噪声电压。为了表征传声器可拾取微小声压信号的 能力，引入了等效噪声级。所谓等效噪声级，是以传声器输出的噪声声压所相当 的输入噪声声级表征的。 ( 4 ) 指向性。当声波以不同角度入射到传声器的振膜时，振膜受到的作用 力不同，因此相应的输出也不同。传声器的灵敏度随声波入射方向而变化的特性 称为传声器的指向性。一般来说，传声器的指向性函数可以定义为声波以目角入 射时的灵敏度与声波沿轴向乡= 0 。) 入射时灵敏度的比值。 ( 5 ) 动态范围。传声器的动态范围是最高声级与等效噪声级之差。最高声 级指的是容许声级的最大值，它是传声器动态范围的上限。在这一声级时，传声 器的非线性失真应不超过某一规定值。传声器的灵敏度越低，相应的最高声级就 1 2 山东大学硕士学位论文 越大，反之亦然。动态范围的下限取决于它的等效噪声级。等效噪声级越低，传 声器接收微弱信号的能力就越强。 ( 6 ) 输出阻抗与负载阻抗。输出阻抗又叫源阻抗，用来表明一个信号源对 下级负载( 输入阻抗) 呈现的信号提供能力。传声器的输出阻抗通常用l k h z 信 号测得，它是传声器对1 拖信号的交流内阻，以欧姆( q ) 为单位。一般可分为高 阻抗和低阻抗两种，低阻抗通常为5 0 q 、1 5 0 q 、2 0 0 q 、2 5 0 q 和6 0 0 q ，高阻 抗通常为2 尥、4 施、1 0 施、2 0 施和5 0 地，以适应不同的使用要求。 2 2 2 声学信号处理 目前，频谱分析已经广泛应用于各个领域，如地震探测、信号测量与检测、 气象学、自控系统和宇航工业等【1 6 】。在封盖检测过程中，传声器接收封盖振动 产生的声学信号并转换为电信号后，对电信号进行频谱分析处理，判别封盖是否 合格。 信号的频谱分析就是计算信号的傅立叶变换，来估计出其功率谱密度等，从 而得出信号的一些性质。一般情况下我们通过计算信号的傅立叶变换得出信号的 频谱图，频谱图是用频谱分析法提取信号特征信息的一种表达方式，在进行信号 的频谱分析过程中，常用到的是幅值谱和相位谱。 设x 。汐) 为瓶盖受敲击后发出的连续的声音信号x 。o ) 的傅里叶变换【1 7 】，则： 其反变换为： 。) = f t x 。o ) 】= 卜。o 1 2 矽d t ( 2 - 2 1 ) x a ( ，) = s x 。g f 7 r 。2 矿a f 一般情况下，x 。汐) 为一复变函数，令 则有： x 。) = u 。够) + f 圪( i s ) = i x a 谚) | p a m 留嬲 ( 2 - 2 2 ) ( 2 2 3 ) ( 2 2 4 ) ( 2 2 5 ) 1 3 山东大学硕士学位论文 其中i 肖。谚) | 称为幅值谱，它表示各频率成分的幅值大小在频率轴的分布状 况，我们通常取其平方值作为信号的功率谱。( ) 称为相位谱，它表示信号 中各频率成分的相位在频率轴的相对关系。 从幅值谱中我们可以知道声音信号中主要由哪些频率成分及谐波分量所组 成，以及各谐波的分量幅值特性等，它们蕴含了声音信号与被测封盖破损状况的 某种关系：而相位谱则可以提供与信号特征相关的相位信息。在对封盖进行检测 的时候，只需要判别其是否破损，因此只需要分析声音信号的幅值谱即可，本文 中是通过分析幅值的平方一功率谱来实现的。 式( 2 2 1 ) 描述的是连续的声音信号的连续傅里叶变换，是无法通过计算机 进行计算的。一般地，对于连续的信号和系统，可以通过时域采样后，利用离散 傅里叶变换( d f t ) 进行频谱分析【1 8 】。在利用d f t 对x 。( ，) 进行频谱分析时，首先 对o ) 进行时域采样，得到x o ) = x a o 丁) ；再对x 0 ) 进行d f t ，得到的x ) 则 是x o ) 的傅里叶变换x g ”) 在频率区间【o ，2 p 】上的n 点等间隔采样。这罩的x o ) 和x ( k ) 均为有限长序列。但是，由傅里叶变换理论知道，若信号持续时间有限 长，则频谱无限宽：若信号频谱有限宽，则持续时间无限长。因此，按照采样定 理采样时，上述两种情况下的采样序列x g ) = x a g 丁) 均应无限长，不满足d f t 的条件。实际上对于频谱很宽的信号，为防止时域采样后产生频谱混叠失真，可 用预滤波法滤除幅度很小的高频成分1 9 】，使连续信号的带宽小于折叠频率；对 于持续时间很长的信号，采样点数太多以致无法存储和计算，只好截取有限点进 行d f t 。由上述可见，用d f t 对连续信号进行频谱分析必然是近似的，其近似 程度与信号带宽采样速率和截取长度有关。从实际情况来看，滤除幅度很小的高 频成分和截取幅度很小的部分时间信号是允许的。 设连续信号x ao ) 持续时间为t p ，最高频率为正，对x a o ) 以采样间隔 t 2 丘( 即六= = 2 丘) 采样得曼。( f ) = g 丁) 。设共采样点，并对x 。汐) 作零阶近似( f = n t ，d t = 丁) 得： 膏。b ：r ) = r z x a g 丁 一j 2 砷r ( 2 - 2 6 ) 1 4 山东大学硕士学位论文 对j 。) 在区间【o ，2 p 】上等间隔采样点，采样间隔为f ，显然 f = l , v = 1 胛= 1 t p ，令= k f ，于是可得启。) 的采样： j 。) ：丁n - i 屯o 丁k j 等切，o 七一1 ( 2 2 7 ) 令x 。 ) = 岩。u 肛) ，x g ) = x a o 丁) ，则： x 。 ) ：丁芝x o 一j 等b ：丁木胛b o ) 】 ( 2 2 8 ) 用同样的方法，根据式( 2 2 2 ) 可以得到： x ( 门) ：x 。( 刀丁) ：f n - ix 。 7 可2 n t m = 剧睫k = 0 础弘等妇b 脚眺) 】 ( 2 - 2 9 ) 由式( 2 2 8 ) 可知：连续信号的频谱特性可以通过对连续信号采样并进行 d f t 再乘以采样周期t 的近似方法得到；而时域采样信号可由式( 2 2 9 ) 得出。 对持续时间有限的带限信号，在满足时域采样定理时，上述分析方法不丢失信息， 即可由x 。 ) 恢复x 。汐) 或x 。o ) 。 啤酒瓶上的封盖盖受脉冲敲击发出的声音信号为一短时瞬变信号，通过在时 域范围对其采样后，利用d f t 变换来分析它的频谱特性。而对于d f t 的计算， 一般是通过快速傅里叶变换( f f t ) 实现的，f f t 变换是d f t 变换的一种快速计 算方法，它将大数点d f t 分解为若干各小点数d f t 组合减少运算量；同时 f f t 运算过程还根据旋转因子w n k 的对称性、周期性和特殊值减少复数乘法运算 次数，因此采用f f t 变换计算d f t 比直接计算d f t 的计算量要小的多。 2 3 封盖密封性检测方案 整个封盖密封性检测系统框图如图2 5 ： 当光电开关检测到有啤酒过来时，触发电磁激振装置，啤酒封盖受到电磁激 振产生振动，从而产生声音。该声学信号由麦克风接收并转换为电信号，并经过 1 5 山东大学硕士学位论文 一系列信号放大、滤波、a d 转换等处理，进入信号分析系统，对该信号进行判 别分析，并通过人机接口显示判别结果。当啤酒封盖不合格时，给出剔除信号， 启动剔除系统驱动电路剔除不合格啤酒。 图2 - 5 检测系统框图 在整个系统框图里，判别分析部分按照一定的判别准则对封盖合格与封盖异 常声学信号进行分析判断，从而给出正确剔除信号，是整个系统最为核心的部分。 也即啤酒密封性研究的关键技术。另外，没有声学信号产生则没有分析对象，电 磁激振装置的研制是必要条件。本文针对这两个方面，即关键技术判别准则 和必要条件激振装置两个方面展开讨论。 1 6 山东大学硕士学位论文 第三章封盖密封性检测判别模型研究 本章首先进行了传声器的选型，利用传声器和个人计算机构建了实验平台； 通过m a t l a b 软件获得了频谱图，通过频谱图提取特征参数，采用散点图比较 分析确定最终特征参数；利用s a s 软件建立了判别模型，并对模型进行了检验。 3 1 实验平台构建 整个实验系统组成如图3 - 1 ，包括自行研制的能实现自动“敲击 功能的“激 振 装置、高灵敏度麦克风( 传声器) 、安装在计算机上的声卡以及m a t l a b 软件。“激振”装置由控制电路和电磁铁组成，其中最大频率达7 2 0 0 0 瓶时。 封盖的啤酒瓶放在电磁铁正下方，保持封盖平面与电磁铁平面3 m m 的距离，太 远则几乎无声音产生，太近则不利于现场生产线顺利运转，容易导致啤酒瓶与电 磁铁相撞。电磁激振装置设计将在后面章节讨论。 瓶 3 1 1 传声器选型 图3 - 1 实验系统组成 啤酒封盖被“激振”产生的声学信号是非电量信号，为了将声学信号转换成 电信号，需要用到声音传感器( 麦克风) 。作为声学信号处理的一个关键器件， 1 7 山东大学硕士学位论文 其性能的好坏会影响到整个系统的精度，对它的要求如下： ( 1 ) 灵敏度高。因为可供采集的声学信号很微弱，如果声音传感器的灵敏 度不高，有可能采集不到声音，或者采集到的信号与噪声十分类似，从而影响整 个检测系统性能。 ( 2 ) 稳定性好。不会因使用时间的长短、使用环境的改变而影响工作状态。 ( 3 ) 频响范围满足要求。振动产生的频率应该在选择的传声器频响范围之 内，且在该段频率范围内频响曲线最好是平直的。 ( 4 ) 价格合理。根据不同的要求，不同的预算以及市场定位，选择价格适 当，性价比高的产品也是很必要的。 表3 - 1 中列出了几种传声器型号及相应参数及厂家、价格。 表3 - 1 麦克风型号 型号灵敏度频率响应厂家价格 m p 2 0 l 一2 6 2 d b2 0h z 2 0 kh z 北京声望 5 0 0 0 r m b 4 1 8 9- 2 6 + 2 d b 6 3h z 2 0 kh zb & k 8 0 0 0 r m b 1 4 4 2 52 8 2 d bl oh z 1 6 kh z 杭州爱华 4 0 0 0 r m b s m - 1 6 3 4 + 2 d b2 0h z 2 0 kh z 得胜 3 8 0 r m b c m 2 - 4 2 + 1 d b2 0h z 2 0 kh z j z w1 8 0 r m b s m 一0 9 8- 5 8 + 3 d b1 0 0h z 1 6 kh z硕美科4 0 r m b 表中前三款传声器为专业测量传声器，其灵敏度都非常高，适用于专业声学 测量场合，从表中可看出价格非常昂贵。后三款为录音传声器，价格相对便宜， 但灵敏度相对较低。曾尝试用硕美科的s m - 0 9 8 ，但由于其灵敏度过低，很难接 收到微弱的振动信号，综合考虑选用j z w 的c m 2 ，其灵敏度虽不是太高，但可 以满足实验室要求。 3 1 2 声卡 信号采集是信号分析和处理的前提，通常采用数据采集卡完成。数据采集卡 一般包括多路开关、放大及采样保持、a d 转换、计算机i o 接口等部分，性能 比较完善，但价格比较昂贵。本实验采用计算机上装有的声卡，声卡具有对信号 滤波、放大及采样保持、a d 和d a 转换等功能2 0 1 ，这些功能与数据采集卡相 1 8 山东大学硕士学位论文 当。常用声卡可对音频信号实现双声道1 6 位、高保真的数据采集，最高采样率 可达4 4 1 k h z ，具有较高的采样频率与精度【2 l 】。对于许多科学实验和工程测量来 说，声卡对信号的量化精度和采样率都是足够高的，甚至优于一些低档的数据采 集卡性能。利用声卡进行a d 转换、麦克风输入插孔为信号输入端，可实现对 信号的单通道、双通道采集。因此可用声卡配合相应软件构建信号采集系统。 一般声卡都是由以下几部分组成【2 2 】：声音控制处理芯片，功放芯片，声音 输入输出端口等。声音控制处理芯片是声卡的核心，集成了采样保持、a d 转 换、d a 转换、音效处理等电路，它决定了声卡的性能和档次，基本功能包括对 声波采样和回放的控制、处理m i d i 指令等。功放芯片完成信号的功率放大以推 动喇叭发声工作。声音输入输出端口是音频信号的输入和输出，它主要有外接 端口和内接端口。外接端口有“s p e a k o u t 喇叭输出端口，“l i n e o u t 线性输出 端口，“l i n e i n ”线性输入端口，“m i c i n 麦克风输入端口，还有m i d i 端口， 连接电子乐器以及连接游戏控制器。内接端口是内置的输入输出端口，是c d 音频接口，通过3 - 4 针的音频线直接和光驱连接。 声卡工作流程如图3 - 2 所示。 i 臣赢圃- 模拟声信号 信号前置处理 a d 转换 r i 功放芯片l ： 赢ii 磊 数据输入 缓冲区 数据输出 缓冲区 数 字 信 号 处 理 图3 2 声卡工作流程 模拟信号经过声卡前置处理及a d 转换后变成数字信号，送入输入缓冲区， 然后通过各种数字信号处理的方法对波形输入缓冲区的数据进行处理，完成声音 消噪、音效处理、声音合成等功能，最后把处理好的数据保存到存储设备，这就 是声音信号的录制过程。相应的声音信号回放过程为：把处理好的数据送到输出 缓冲区，再由声卡的d a 转换将数字信号转换为模拟信号，经过功率放大，送 1 9 山东大学硕士学位论文 到喇叭。如果将实验所需要采集的信号仿照声音信号输入，即可实现对信号的采 集和存储 2 3 】。 3 1 3m a t t a b 信号采集与处理工具箱 m a t l a b 是一个数据分析和处理功能十分强大的工程实用软件，它的信号处理 与分析工具箱为动态数据分析提供了十分丰富的函数，利用这些函数可以快捷而 又方便地完成动态数据分析。而它的数据采集工具箱( d a qt o o l b o x ) 为在m a t l a b 中实现数据采集提供十分方便的数据采集函数。在m a t l a b 环境中，利用这些函 数可以快捷地构造出数据采集系统，实现对外部物理世界和生产过程信号的实时 采集【2 4 1 。由该系统采集的物理信号可以作为变量直接存入m a t l a b 的工作空间， 也可以作为数据文件直接写入数据文件。对存入m a t l a b 工作空间的物理信号变 量，利用m a t l a b 中信号处理与分析工具箱的信号分析处理函数，而无需对大量 的常用信号处理算法进行编程，即可方便快捷地完成对信号的动态分析。 m a t l a b 环境下进行实时数据采集与控制的配置方案如图3 3 所示。 图3 - 3m a t l a b 中实时数据采集配置方案 数据采集工具箱【2 5 】包含3 部分内容，其中m f i l e 函数是m a t l a b 中可直接调 山东大学硕士学位论文 用的数据采集命令函数，通过m f i l e 函数传输数据、参数和命令给数据采集引擎， 并可从数据采集引擎中查看数据采集设备对象的状态、参数和抽取数据，所有的 实时数据采集任务都通过这些函数的调用来