壓電陶瓷諧振傳感器接口電路優(yōu)化設(shè)計*

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、損傷等情況下都會有聲發(fā)射信號產(chǎn)生，通過接收和分析材料的聲發(fā)射信號，分析材料內(nèi)部潛在的裂紋和缺陷，評估材料的機械性能和安全狀況[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，會引起其內(nèi)部正負(fù)電荷中心相對位移而發(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械應(yīng)力成正比。壓電陶瓷可將音頻、震動、壓力等信號轉(zhuǎn)換為電信號，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的距離可達100 m，甚至更遠，為了屏蔽干擾信號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為微伏(μV)至毫伏(mV)級別，如此微弱的信號要想長距離傳輸，必須在傳感器的輸出端接入前置放大模塊，以對信號進行前置放大。前置放大模塊的供電方式可分為獨立電源供電和信號—電源共線的供電兩種。獨立供電方式具有結(jié)構(gòu)簡單、高帶寬、低頻放大特性好等優(yōu)點，在近距離的檢測中廣泛使用，但對于聲發(fā)射這類動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。目前對于這種1 kHz～2 MHz的聲發(fā)射低頻信號，如何實現(xiàn)信號與電源的隔離仍是一個技術(shù)難點。

本文基于低頻信號，設(shè)計一種信號—電源共線的供電方案，針對壓電陶瓷傳感器接口電路進行優(yōu)化設(shè)計，實現(xiàn)對低頻信號無失真的隔離與放大。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計

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。聲發(fā)射傳感器一般由殼體、保護膜、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、動態(tài)效果好而廣泛使用，所以本文設(shè)計選用單端傳感器，將傳感器的同相端作為信號輸入，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。信號放大倍數(shù)采用固定增益40 dB，設(shè)計接口的性能指標(biāo)如表1。

表1 接口設(shè)計要求

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

為滿足1 kHz～2 MHz放大器帶寬、最大輸出電壓±10 V的設(shè)計要求，結(jié)合傳感器的輸出為電壓信號和前置放大器采用軌到軌輸出特點，放大器選用AD8066。AD8066是FET輸入放大器，在-3 dB時帶寬為145 MHz，工作電壓最高可達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，對于Vo=200 mVp-p的信號，直接通過一級運放不能放大到40 dB，所有需要兩級運放。選擇每級運放增益為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與放大后輸出信號相位同向，放大器采用同相放大模式。放大器采用單電源供電，需要對輸入信號進行偏置，使其由交流轉(zhuǎn)換為直流。信號偏置電路設(shè)計如圖3所示。

圖3 信號偏置電路

在圖3中，傳感器的正極輸出測量信號，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對電源電壓VCC進行分壓，C1和R1構(gòu)成具有濾除高頻信號的濾波鏈功能(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對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。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；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。

為了將信號放大40 dB，輸出為±10 V的交流信號，前置放大器采用兩級增益，每級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有關(guān)，同時考慮到電路的穩(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為幾十兆歐時，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，第一級放大倍數(shù)G為[7]G=1+R6/R9。

因第一級放大倍數(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)計要求。在二級運放信號同樣放大10倍，信號通過一級運放的輸出流入二級運放的同向輸入端，選取R4=2 kΩ,R8=18 kΩ。

在圖4中，電容C6用來抑制直流信號的放大。由于放大的信號在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，可計算出C6≈2.27 μF，即C6的取值應(yīng)在2.27 μF以上。考慮到系統(tǒng)的余量，取C6=10 μF，實際的截至頻率降為8 Hz。

R3和R5由前置放大器的輸入阻抗決定。本文設(shè)計前置放大器輸入阻抗為150 kΩ ，由設(shè)計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。

傳至一級放大器輸入端的信號頻率的下限值由C3和R3決定，當(dāng)C3或者R3過小時則低頻信號將會截至，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，ZC3=227 Ω，此值比起R3的300 kΩ顯得非常??；當(dāng)f=2 MHz時，ZC3=0 Ω，所以電容C3滿足設(shè)計要求。

對于前置放大器的輸出部分，在第二級放大器的輸出端連接電容C4，既起到隔除放大后信號的直流分量，又起到在不同基準(zhǔn)點建立與下一級放大器的橋梁作用。電阻R7實現(xiàn)前置放大器與下一級穩(wěn)定連接，有兩個作用：使交流信號經(jīng)過C4達到充放電的通路和使下一級放大器正常工作。如果沒有R7，則可能引起后一級系統(tǒng)對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的連接電阻決定，假設(shè)下一級連接的是10 kΩ的負(fù)載電阻，則C4可以由下式計算求取

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。

考慮通過信號線給放大器供電，信號線供電原理如圖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到達放大器的電源端，由于電感具有隔斷交流信號功能，所以對放大器的輸出信號沒有影響。而電路中的電容C4和C7具有隔斷直流信號，通過這個原理來實現(xiàn)前置放大器電源線與信號線共用一根，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為交流信號，本文設(shè)計要求在1 kHz～2 MHz，所以需要計算電感，要求可以將1 kHz～2 MHz的信號截止，電感L1的阻抗為ZL1=2πfL1?？梢钥吹?，電感越大則阻抗越大，同樣頻率越高則阻抗越大。為了設(shè)計簡單，在此取電感為100 mH，則此時電感L1的阻抗為ZL1=2πfL1=2π×1 000×100 mH=628 Ω。

通過電感將交流信號進行衰減，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

對所設(shè)計的接口電路采用Multisim進行仿真[10],結(jié)果表明：由于系統(tǒng)寄生電容的存在，計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時的相位角為61°，在2 MHz時的相位角為-20°。

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

通過仿真分析可以看出，所設(shè)計的接口電路在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)計要求。

對整個接口電路進行測試，為保證測量的準(zhǔn)確性，信號輸入端通過信號發(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)成一個完整的測量通路。信號發(fā)生器輸入幅值為20 mVp-p的正弦信號，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)計的正確性，完全滿足設(shè)計要求。

4 結(jié) 論

經(jīng)過仿真以及實驗表明：設(shè)計的接口電路可以在1 kHz～

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