王銀玲， 李華聰

(1.西南科技大學(xué) 工程技術(shù)中心，四川 綿陽 621010； 2.西北工業(yè)大學(xué) 動(dòng)力與能源學(xué)院，陜西 西安 710072)

0 引 言

聲發(fā)射檢測目前廣泛應(yīng)用在壓力容器、鍋爐、管道、火箭殼體、核反應(yīng)堆等大型構(gòu)件的損傷檢測中。聲發(fā)射檢測是一種無損檢測技術(shù)，材料在拉伸、損傷等情況下都會(huì)有聲發(fā)射信號(hào)產(chǎn)生，通過接收和分析材料的聲發(fā)射信號(hào)，分析材料內(nèi)部潛在的裂紋和缺陷，評(píng)估材料的機(jī)械性能和安全狀況[1]。

壓電陶瓷是一種具有壓電效應(yīng)的功能陶瓷，在力的作用下，會(huì)引起其內(nèi)部正負(fù)電荷中心相對(duì)位移而發(fā)生極化現(xiàn)象，導(dǎo)致在材料的端表面出現(xiàn)相反束縛電荷。壓電陶瓷表面的電荷密度與其所受的機(jī)械應(yīng)力成正比。壓電陶瓷可將音頻、震動(dòng)、壓力等信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)檢測等領(lǐng)域[2]。

在聲發(fā)射檢測過程中，傳感器距離接收主機(jī)的距離可達(dá)100 m，甚至更遠(yuǎn)，為了屏蔽干擾信號(hào)兩者之間以同軸電纜連接。由于聲發(fā)射傳感器輸出的電信號(hào)為微伏(μV)至毫伏(mV)級(jí)別，如此微弱的信號(hào)要想長距離傳輸，必須在傳感器的輸出端接入前置放大模塊，以對(duì)信號(hào)進(jìn)行前置放大。前置放大模塊的供電方式可分為獨(dú)立電源供電和信號(hào)—電源共線的供電兩種。獨(dú)立供電方式具有結(jié)構(gòu)簡單、高帶寬、低頻放大特性好等優(yōu)點(diǎn)，在近距離的檢測中廣泛使用，但對(duì)于聲發(fā)射這類動(dòng)輒距離傳感器上百米的檢測就不太適用，這樣就增加了布線的成本，也增加了布線的復(fù)雜性。目前對(duì)于這種1 kHz～2 MHz的聲發(fā)射低頻信號(hào)，如何實(shí)現(xiàn)信號(hào)與電源的隔離仍是一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)。

本文基于低頻信號(hào)，設(shè)計(jì)一種信號(hào)—電源共線的供電方案，針對(duì)壓電陶瓷傳感器接口電路進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)低頻信號(hào)無失真的隔離與放大。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

聲發(fā)射傳感器是聲發(fā)射檢測系統(tǒng)的重要組成部分，其利用材料的壓電效應(yīng)將聲發(fā)射波轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。聲發(fā)射傳感器一般由殼體、保護(hù)膜、壓電元件、連接導(dǎo)線及高頻插座組成，如圖1所示。

圖1 聲發(fā)射傳感器結(jié)構(gòu)

根據(jù)聲發(fā)射傳感器的特性來設(shè)計(jì)接口電路，聲發(fā)射傳感器可分為單端和差分兩種，單端式傳感器由于抗干擾能力強(qiáng)、動(dòng)態(tài)效果好而廣泛使用，所以本文設(shè)計(jì)選用單端傳感器，將傳感器的同相端作為信號(hào)輸入，反相端接地。

單端諧振式傳感器的頻率范圍覆蓋1 kHz～2 MHz，所以,前置放大器要滿足1 kHz～2 MHz的帶寬。信號(hào)放大倍數(shù)采用固定增益40 dB，設(shè)計(jì)接口的性能指標(biāo)如表1。

表1 接口設(shè)計(jì)要求

傳感器接口電路主要由放大模塊、電源模塊、濾波模塊和信號(hào)隔離模塊組成，圖2為接口電路結(jié)構(gòu)圖[3～5]。

圖2 接口電路結(jié)構(gòu)

2 接口電路設(shè)計(jì)

為滿足1 kHz～2 MHz放大器帶寬、最大輸出電壓±10 V的設(shè)計(jì)要求，結(jié)合傳感器的輸出為電壓信號(hào)和前置放大器采用軌到軌輸出特點(diǎn)，放大器選用AD8066。AD8066是FET輸入放大器，在-3 dB時(shí)帶寬為145 MHz，工作電壓最高可達(dá)24V。接口電路需要的放大增益要求為40 dB，由AD8066增益與頻率特性可知，對(duì)于Vo=200 mVp-p的信號(hào)，直接通過一級(jí)運(yùn)放不能放大到40 dB，所有需要兩級(jí)運(yùn)放。選擇每級(jí)運(yùn)放增益為20 dB，可以獲得較高的帶寬，而放大器的高頻截止頻率約為2 MHz。

放大器采用單電源供電方式。為了使傳感器輸入信號(hào)與放大后輸出信號(hào)相位同向，放大器采用同相放大模式。放大器采用單電源供電，需要對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行偏置，使其由交流轉(zhuǎn)換為直流。信號(hào)偏置電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 信號(hào)偏置電路

在圖3中，傳感器的正極輸出測量信號(hào)，負(fù)極接地，正負(fù)極間接入100 kΩ的電阻，傳感器的輸出信號(hào)通過C3輸入到放大器AD8066的同向輸入端，C3用來隔斷加在放大器同向輸入端的直流分量。通過R1和R2對(duì)電源電壓VCC進(jìn)行分壓，C1和R1構(gòu)成具有濾除高頻信號(hào)的濾波鏈功能(LPF)，其截至頻率fc與C1和R1的關(guān)系為[6]fc=1/2πR1C1。

由于OP放大器的偏置電流會(huì)對(duì)偏置電壓帶來一定的影響，但是如果將流過R1和R2的偏置電流設(shè)置為OP放大器的輸入偏置電流Ibias的20～50倍，則偏置電流的影響可以忽略不計(jì)。AD8066的輸入偏置電流Ibias為1 pA。如果20～50 pA的電流通過偏置電路，則影響可以忽略不計(jì)；如果電阻R1和R2不發(fā)熱，可適當(dāng)增大阻值。在此取R1=R2=470 kΩ。

為了將信號(hào)放大40 dB，輸出為±10 V的交流信號(hào)，前置放大器采用兩級(jí)增益，每級(jí)20 dB。放大器的增益由反饋電阻決定，而反饋電阻的取值與待放大信號(hào)有關(guān)，同時(shí)考慮到電路的穩(wěn)定性以及噪聲，通常取反饋電阻為幾十千歐比較恰當(dāng)。如果需要放大的信號(hào)為幾十兆歐時(shí)，為了降低電阻熱噪聲，通常取反饋電阻為幾百歐。由于采用同相放大，第一級(jí)放大倍數(shù)G為[7]G=1+R6/R9。

因第一級(jí)放大倍數(shù)為10倍，考慮電阻阻值選取簡單，選取R9=2 kΩ,R6=18 kΩ，滿足設(shè)計(jì)要求。在二級(jí)運(yùn)放信號(hào)同樣放大10倍，信號(hào)通過一級(jí)運(yùn)放的輸出流入二級(jí)運(yùn)放的同向輸入端，選取R4=2 kΩ,R8=18 kΩ。

在圖4中，電容C6用來抑制直流信號(hào)的放大。由于放大的信號(hào)在35～2 MHz范圍內(nèi)，如果考慮到電容C6的影響，則放大器的增益可以表達(dá)為[8]

圖4 放大部分電路

(1)

式中ZC6為電容的阻抗。下面確定C6的取值，由于目標(biāo)電路對(duì)1 kHz～2 MHz@—3 dB，則電容的取值應(yīng)該按照要求來確定。低頻截止頻率fcl1由C6和R9決定，即

fcl1=1/2πC6R9

(2)

如果考慮余量，先設(shè)置前置放大器的通帶頻率為35 Hz～2 MHz，將fcl1=35 Hz，R9=2 kΩ代入式(2)中，可計(jì)算出C6≈2.27 μF，即C6的取值應(yīng)在2.27 μF以上?？紤]到系統(tǒng)的余量，取C6=10 μF，實(shí)際的截至頻率降為8 Hz。

R3和R5由前置放大器的輸入阻抗決定。本文設(shè)計(jì)前置放大器輸入阻抗為150 kΩ ，由設(shè)計(jì)的電路圖可知輸入阻抗等于R3和R5的并聯(lián)，故可得到R3=R5=300 kΩ。

傳至一級(jí)放大器輸入端的信號(hào)頻率的下限值由C3和R3決定，當(dāng)C3或者R3過小時(shí)則低頻信號(hào)將會(huì)截至，如果用fcl2表示截止頻率，則

fcl2=1/2πC3R3

(3)

為了使fc12小于35 Hz，計(jì)算出C3=15.15 μF，為增加余量，取C3≈20 μF，則得到截止頻率為fcl2小于8 Hz。

計(jì)算輸入阻抗的頻率特性，電容C3的輸入阻抗可由下式得到

ZC3=1/2πfC3

(4)

當(dāng)f=35 Hz時(shí)，ZC3=227 Ω，此值比起R3的300 kΩ顯得非常小；當(dāng)f=2 MHz時(shí)，ZC3=0 Ω，所以電容C3滿足設(shè)計(jì)要求。

對(duì)于前置放大器的輸出部分，在第二級(jí)放大器的輸出端連接電容C4，既起到隔除放大后信號(hào)的直流分量，又起到在不同基準(zhǔn)點(diǎn)建立與下一級(jí)放大器的橋梁作用。電阻R7實(shí)現(xiàn)前置放大器與下一級(jí)穩(wěn)定連接，有兩個(gè)作用：使交流信號(hào)經(jīng)過C4達(dá)到充放電的通路和使下一級(jí)放大器正常工作。如果沒有R7，則可能引起后一級(jí)系統(tǒng)對(duì)前置放大器的電流倒灌而損壞放大器。R7取值通常為數(shù)十千歐，如果取值過小，則放大器灌入電阻R7的電流加大，這會(huì)增加放大器的功耗，通常灌電流取數(shù)毫安至數(shù)十毫安，在此取電阻R7=47 kΩ。

電容C4的取值由前置放大器輸出端接入下一級(jí)的連接電阻決定，假設(shè)下一級(jí)連接的是10 kΩ的負(fù)載電阻，則C4可以由下式計(jì)算求取

C4=1/2πfcl1Rl7

(5)

由于Rl7=R1∥R7=10 kΩ∥47 kΩ≈8.2 kΩ，可以得到C4≈0.545 μF，留取余量，取C4=1 μF。同時(shí)由于C4的值與負(fù)載電阻有關(guān)，所以取值可以適當(dāng)放大。

考慮通過信號(hào)線給放大器供電，信號(hào)線供電原理如圖5所示，在本地聲發(fā)射檢測系統(tǒng)的輸入端輸入+28V的直流電源，其通過電感L2連接至同軸電纜，在前置放大器端再經(jīng)過電感L1到達(dá)放大器的電源端，由于電感具有隔斷交流信號(hào)功能，所以對(duì)放大器的輸出信號(hào)沒有影響。而電路中的電容C4和C7具有隔斷直流信號(hào)，通過這個(gè)原理來實(shí)現(xiàn)前置放大器電源線與信號(hào)線共用一根，既節(jié)省成本又簡化放大器的布置[9]。

圖5 系統(tǒng)供電原理

由于前置放大器輸出的信號(hào)為交流信號(hào)，本文設(shè)計(jì)要求在1 kHz～2 MHz，所以需要計(jì)算電感，要求可以將1 kHz～2 MHz的信號(hào)截止，電感L1的阻抗為ZL1=2πfL1。可以看到，電感越大則阻抗越大，同樣頻率越高則阻抗越大。為了設(shè)計(jì)簡單，在此取電感為100 mH，則此時(shí)電感L1的阻抗為ZL1=2πfL1=2π×1 000×100 mH=628 Ω。

通過電感將交流信號(hào)進(jìn)行衰減，避免回流到放大器的電源端，電感的取值影響前置放大器的最低截止頻率。

3 性能測試

對(duì)所設(shè)計(jì)的接口電路采用Multisim進(jìn)行仿真[10],結(jié)果表明：由于系統(tǒng)寄生電容的存在，計(jì)算的理論與仿真有些出入，其中接口電路的低頻截止頻率約為12 Hz，而高頻截止頻率約為12 MHz。通過相頻曲線圖示可以看出，系統(tǒng)在12 Hz時(shí)的相位角為61°，在2 MHz時(shí)的相位角為-20°。

在2 MHz時(shí)輸入與輸出的波形圖，可以明顯看出輸出信號(hào)的相位角發(fā)生偏移。

通過仿真分析可以看出，所設(shè)計(jì)的接口電路在12 Hz～2 MHz的頻率范圍內(nèi)其放大倍數(shù)固定為40 dB的一條平滑直線，而其相位由61°變?yōu)?20°，所以，接口電路在1 kHz～2 MHz的范圍內(nèi)滿足設(shè)計(jì)要求。

對(duì)整個(gè)接口電路進(jìn)行測試，為保證測量的準(zhǔn)確性，信號(hào)輸入端通過信號(hào)發(fā)生器代替聲發(fā)射傳感器，通過電感L2和同軸電纜給系統(tǒng)提供28 V直流電源，示波器輸入端接C7的負(fù)端，構(gòu)成一個(gè)完整的測量通路。信號(hào)發(fā)生器輸入幅值為20 mVp-p的正弦信號(hào)，分別在12 Hz，1 kHz，10 kHz，100 kHz，1 MHz，2 MHz的頻率下測試該前置放大器輸出端，測試結(jié)果證明硬件設(shè)計(jì)的正確性，完全滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié) 論

經(jīng)過仿真以及實(shí)驗(yàn)表明：設(shè)計(jì)的接口電路可以在1 kHz～

2 MHz范圍內(nèi)對(duì)低頻信號(hào)實(shí)現(xiàn)40 dB放大，滿足系統(tǒng)要求。本文方法給出了低頻信號(hào)的放大與信號(hào)—電源復(fù)用的供電方案，為低頻信號(hào)放大與傳輸提供一定的應(yīng)用參考價(jià)值；除此以外，設(shè)計(jì)在對(duì)于聲發(fā)射傳感器與前置放大器的集成，系統(tǒng)小型化的設(shè)計(jì)，具有重要的借鑒意義。