压电陶瓷谐振传感器接口电路优化设计*

0 引 言

声发射检测目前广泛应用在压力容器、锅炉、管道、火箭壳体、核反应堆等大型构件的损伤检测中。声发射检测是一种无损检测技术，材料在拉伸、损伤等情况下都会有声发射信号产生，通过接收和分析材料的声发射信号，分析材料内部潜在的裂纹和缺陷，评估材料的机械性能和安全状况[1]。

压电陶瓷是一种具有压电效应的功能陶瓷，在力的作用下，会引起其内部正负电荷中心相对位移而发生极化现象，导致在材料的端表面出现相反束缚电荷。压电陶瓷表面的电荷密度与其所受的机械应力成正比。压电陶瓷可将音频、震动、压力等信号转换为电信号，广泛应用于工业检测等领域[2]。

在声发射检测过程中，传感器距离接收主机的距离可达100 m，甚至更远，为了屏蔽干扰信号两者之间以同轴电缆连接。由于声发射传感器输出的电信号为微伏(μV)至毫伏(mV)级别，如此微弱的信号要想长距离传输，必须在传感器的输出端接入前置放大模块，以对信号进行前置放大。前置放大模块的供电方式可分为独立电源供电和信号—电源共线的供电两种。独立供电方式具有结构简单、高带宽、低频放大特性好等优点，在近距离的检测中广泛使用，但对于声发射这类动辄距离传感器上百米的检测就不太适用，这样就增加了布线的成本，也增加了布线的复杂性。目前对于这种1 kHz～2 MHz的声发射低频信号，如何实现信号与电源的隔离仍是一个技术难点。

本文基于低频信号，设计一种信号—电源共线的供电方案，针对压电陶瓷传感器接口电路进行优化设计，实现对低频信号无失真的隔离与放大。

1 系统方案设计

声发射传感器是声发射检测系统的重要组成部分，其利用材料的压电效应将声发射波转换为电信号。声发射传感器一般由壳体、保护膜、压电元件、连接导线及高频插座组成，如图1所示。

图1 声发射传感器结构

根据声发射传感器的特性来设计接口电路，声发射传感器可分为单端和差分两种，单端式传感器由于抗干扰能力强、动态效果好而广泛使用，所以本文设计选用单端传感器，将传感器的同相端作为信号输入，反相端接地。

单端谐振式传感器的频率范围覆盖1 kHz～2 MHz，所以,前置放大器要满足1 kHz～2 MHz的带宽。信号放大倍数采用固定增益40 dB，设计接口的性能指标如表1。

表1 接口设计要求

传感器接口电路主要由放大模块、电源模块、滤波模块和信号隔离模块组成，图2为接口电路结构图[3～5]。

图2 接口电路结构

2 接口电路设计

为满足1 kHz～2 MHz放大器带宽、最大输出电压±10 V的设计要求，结合传感器的输出为电压信号和前置放大器采用轨到轨输出特点，放大器选用AD8066。AD8066是FET输入放大器，在-3 dB时带宽为145 MHz，工作电压最高可达24V。接口电路需要的放大增益要求为40 dB，由AD8066增益与频率特性可知，对于Vo=200 mVp-p的信号，直接通过一级运放不能放大到40 dB，所有需要两级运放。选择每级运放增益为20 dB，可以获得较高的带宽，而放大器的高频截止频率约为2 MHz。

放大器采用单电源供电方式。为了使传感器输入信号与放大后输出信号相位同向，放大器采用同相放大模式。放大器采用单电源供电，需要对输入信号进行偏置，使其由交流转换为直流。信号偏置电路设计如图3所示。

图3 信号偏置电路

在图3中，传感器的正极输出测量信号，负极接地，正负极间接入100 kΩ的电阻，传感器的输出信号通过C3输入到放大器AD8066的同向输入端，C3用来隔断加在放大器同向输入端的直流分量。通过R1和R2对电源电压VCC进行分压，C1和R1构成具有滤除高频信号的滤波链功能(LPF)，其截至频率fc与C1和R1的关系为[6]fc=1/2πR1C1。

由于OP放大器的偏置电流会对偏置电压带来一定的影响，但是如果将流过R1和R2的偏置电流设置为OP放大器的输入偏置电流Ibias的20～50倍，则偏置电流的影响可以忽略不计。AD8066的输入偏置电流Ibias为1 pA。如果20～50 pA的电流通过偏置电路，则影响可以忽略不计；如果电阻R1和R2不发热，可适当增大阻值。在此取R1=R2=470 kΩ。

为了将信号放大40 dB，输出为±10 V的交流信号，前置放大器采用两级增益，每级20 dB。放大器的增益由反馈电阻决定，而反馈电阻的取值与待放大信号有关，同时考虑到电路的稳定性以及噪声，通常取反馈电阻为几十千欧比较恰当。如果需要放大的信号为几十兆欧时，为了降低电阻热噪声，通常取反馈电阻为几百欧。由于采用同相放大，第一级放大倍数G为[7]G=1+R6/R9。

因第一级放大倍数为10倍，考虑电阻阻值选取简单，选取R9=2 kΩ,R6=18 kΩ，满足设计要求。在二级运放信号同样放大10倍，信号通过一级运放的输出流入二级运放的同向输入端，选取R4=2 kΩ,R8=18 kΩ。

在图4中，电容C6用来抑制直流信号的放大。由于放大的信号在35～2 MHz范围内，如果考虑到电容C6的影响，则放大器的增益可以表达为[8]

图4 放大部分电路

(1)

式中 ZC6为电容的阻抗。下面确定C6的取值，由于目标电路对1 kHz～2 MHz@—3 dB，则电容的取值应该按照要求来确定。低频截止频率fcl1由C6和R9决定，即

fcl1=1/2πC6R9

(2)

如果考虑余量，先设置前置放大器的通带频率为35 Hz～2 MHz，将fcl1=35 Hz，R9=2 kΩ代入式(2)中，可计算出C6≈2.27 μF，即C6的取值应在2.27 μF以上。考虑到系统的余量，取C6=10 μF，实际的截至频率降为8 Hz。

R3和R5由前置放大器的输入阻抗决定。本文设计前置放大器输入阻抗为150 kΩ ，由设计的电路图可知输入阻抗等于R3和R5的并联，故可得到R3=R5=300 kΩ。

传至一级放大器输入端的信号频率的下限值由C3和R3决定，当C3或者R3过小时则低频信号将会截至，如果用fcl2表示截止频率，则

fcl2=1/2πC3R3

(3)

为了使fc12小于35 Hz，计算出C3=15.15 μF，为增加余量，取C3≈20 μF，则得到截止频率为fcl2小于8 Hz。

计算输入阻抗的频率特性，电容C3的输入阻抗可由下式得到

ZC3=1/2πfC3

(4)

当f=35 Hz时，ZC3=227 Ω，此值比起R3的300 kΩ显得非常小；当f=2 MHz时，ZC3=0 Ω，所以电容C3满足设计要求。

对于前置放大器的输出部分，在第二级放大器的输出端连接电容C4，既起到隔除放大后信号的直流分量，又起到在不同基准点建立与下一级放大器的桥梁作用。电阻R7实现前置放大器与下一级稳定连接，有两个作用：使交流信号经过C4达到充放电的通路和使下一级放大器正常工作。如果没有R7，则可能引起后一级系统对前置放大器的电流倒灌而损坏放大器。R7取值通常为数十千欧，如果取值过小，则放大器灌入电阻R7的电流加大，这会增加放大器的功耗，通常灌电流取数毫安至数十毫安，在此取电阻R7=47 kΩ。

电容C4的取值由前置放大器输出端接入下一级的连接电阻决定，假设下一级连接的是10 kΩ的负载电阻，则C4可以由下式计算求取

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。同时由于C4的值与负载电阻有关，所以取值可以适当放大。

考虑通过信号线给放大器供电，信号线供电原理如图5所示，在本地声发射检测系统的输入端输入+28V的直流电源，其通过电感L2连接至同轴电缆，在前置放大器端再经过电感L1到达放大器的电源端，由于电感具有隔断交流信号功能，所以对放大器的输出信号没有影响。而电路中的电容C4和C7具有隔断直流信号，通过这个原理来实现前置放大器电源线与信号线共用一根，既节省成本又简化放大器的布置[9]。

图5 系统供电原理

由于前置放大器输出的信号为交流信号，本文设计要求在1 kHz～2 MHz，所以需要计算电感，要求可以将1 kHz～2 MHz的信号截止，电感L1的阻抗为ZL1=2πfL1。可以看到，电感越大则阻抗越大，同样频率越高则阻抗越大。为了设计简单，在此取电感为100 mH，则此时电感L1的阻抗为ZL1=2πfL1=2π×1 000×100 mH=628 Ω。

通过电感将交流信号进行衰减，避免回流到放大器的电源端，电感的取值影响前置放大器的最低截止频率。

3 性能测试

对所设计的接口电路采用Multisim进行仿真[10],结果表明：由于系统寄生电容的存在，计算的理论与仿真有些出入，其中接口电路的低频截止频率约为12 Hz，而高频截止频率约为12 MHz。通过相频曲线图示可以看出，系统在12 Hz时的相位角为61°，在2 MHz时的相位角为-20°。

在2 MHz时输入与输出的波形图，可以明显看出输出信号的相位角发生偏移。

通过仿真分析可以看出，所设计的接口电路在12 Hz～2 MHz的频率范围内其放大倍数固定为40 dB的一条平滑直线，而其相位由61°变为-20°，所以，接口电路在1 kHz～2 MHz的范围内满足设计要求。

对整个接口电路进行测试，为保证测量的准确性，信号输入端通过信号发生器代替声发射传感器，通过电感L2和同轴电缆给系统提供28 V直流电源，示波器输入端接C7的负端，构成一个完整的测量通路。信号发生器输入幅值为20 mVp-p的正弦信号，分别在12 Hz，1 kHz，10 kHz，100 kHz，1 MHz，2 MHz的频率下测试该前置放大器输出端，测试结果证明硬件设计的正确性，完全满足设计要求。

4 结 论

经过仿真以及实验表明：设计的接口电路可以在1 kHz～

2 MHz范围内对低频信号实现40 dB放大，满足系统要求。本文方法给出了低频信号的放大与信号—电源复用的供电方案，为低频信号放大与传输提供一定的应用参考价值；除此以外，设计在对于声发射传感器与前置放大器的集成，系统小型化的设计，具有重要的借鉴意义。