高阻運放CA3140在壓電式加速度傳感器信號調(diào)理電路中的應(yīng)用

張青春

（淮陰工學(xué)院 電子與電氣工程學(xué)院，淮安 223003）

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，結(jié)構(gòu)的動態(tài)測試和故障診斷已成為人們關(guān)注的焦點。動態(tài)測試的主要任務(wù)包括：激勵被測對象，產(chǎn)生振動信號；借助于各類振動測量傳感器，獲取振動信號；信號調(diào)理電路對傳感器輸出信號進(jìn)行處理；計算機采集和分析動態(tài)信號，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷的診斷和設(shè)備運行狀況的在線監(jiān)測。

圖1為基于虛擬儀器動態(tài)測試系統(tǒng)框圖，由激振源、加速度傳感器、信號調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集器、計算機與LabVIEW圖形化軟件等模塊組成。激振源一般采用激振器或錘激方法，產(chǎn)生激勵信號；加速度傳感器（或振動傳感器）、信號調(diào)理電路，將被測的振動信號轉(zhuǎn)變?yōu)?～5V電壓信號；數(shù)據(jù)采集器將模擬電源信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號送給計算機，通過Labview圖形化軟件，完成信號的采集與分析。

本文根據(jù)工程動態(tài)測試的需要，針對動態(tài)測試中普遍存在的信噪比低、信號質(zhì)量差、干擾嚴(yán)重等實際問題，通過對常用的壓電式加速度傳感器輸出信號的調(diào)理電路進(jìn)行分析與研究，提出了一種經(jīng)濟、可行的解決方案，設(shè)計一種新型、實用信號調(diào)理電路。

圖1 動態(tài)測試系統(tǒng)框圖

1 信號調(diào)理電路的組成與實現(xiàn)[1,2]

信號調(diào)理電路一般由電荷放大器、適調(diào)放大器、低通濾波器、高通濾波器、輸出放大器等部分組成，其原理框圖如圖2所示。

圖2 信號調(diào)理電路框圖

壓電式加速度傳感器輸出的高阻電荷信號首先經(jīng)電荷放大器轉(zhuǎn)變?yōu)榈蛢?nèi)阻電壓信號，再經(jīng)適調(diào)放大器歸一后送入低通濾波器、高通濾波器，經(jīng)輸出放大器放大后達(dá)到0～5V電壓信號，再輸出給數(shù)據(jù)采集器。

1.1 電荷放大器

電荷放大器是整個信號調(diào)理電路的核心部分，這部分的作用是將壓電傳感器的輸出電荷信號Q轉(zhuǎn)換成電壓信號V。它由運算放大器和反饋網(wǎng)絡(luò)組成。

本設(shè)計采用的Intersil公司CA3140高阻運算放大器，其輸入阻抗為1.5T，輸入電容為4pF，增益帶寬為4.5MHz，寬帶等效輸入噪聲電壓為48μV，轉(zhuǎn)換速率為9V/μS，供電電壓為±15V。是一種具有卓越性能的運算放大器，具有廣泛的應(yīng)用范圍，常用于各類放大器、有源濾波器、比較器等電路設(shè)計中。

為了保證精度，反饋電容采用穩(wěn)定性及絕緣電阻高的精密聚苯乙烯電容。為了保證電路的增益，考慮到壓電加速度傳感器的輸出電荷量，反饋電容Cf一般取100pF～10000pF。

電荷放大器電路圖如圖3所示。在高阻放大器的反向輸入端選用0.22μF電容和一個RC并聯(lián)電路串聯(lián)，其作用是消除壓電傳感器的零漂；同時為了保護(hù)運放CA3140 ,在其反相端串接電阻R1；為避免運放CA3140產(chǎn)生自激振蕩,在R1兩端并聯(lián)電容C2 實現(xiàn)相位補償。根據(jù)運算放大器本身性能，選擇正向輸入端的可變電阻R2為10kΩ。

圖3 電荷放大器電路圖

圖4 適調(diào)放大器電路圖

1.2 適調(diào)放大器

為了保證被測量一定時，不同靈敏度的傳感器經(jīng)過測量電路后有相同的輸出，以便波形及數(shù)據(jù)的顯示和處理，在電荷放大器后增加一級適調(diào)放大器。假定傳感器的電荷靈敏度SQ=Q1/g，電荷放大器的增益為KQ=V1/Q1，適調(diào)放大器的增益為K1=VO/V1，則總的傳遞系數(shù)為三者的乘積：

當(dāng)反饋電容Cf一定時,KQ是常數(shù)；傳感器的靈敏度不同時,適當(dāng)調(diào)節(jié)適調(diào)放大器的增益K1，可使總增益K不變。

適調(diào)放大器電路圖如圖4所示。電路中R4=2kΩ，R5=10kΩ，可變電阻 R6=100kΩ（計算時取20 kΩ），試驗所采用加速度傳感器SQ=1PC/m·s-2，1g=9.8m·s-2，代入上式可計算電路增益為：

若選用的加速度傳感器SQ為其它值，只需要調(diào)節(jié)R6，就可以使整個電路的增益K保持不變，適調(diào)放大器能得到同的輸出，達(dá)到歸一化的目的。

1.3 低通濾波器

壓電加速度傳感器是一個弱阻尼的振動系統(tǒng)，它的幅頻特性高頻段有一個很高的共振峰，此峰值嚴(yán)重地引起了高頻噪聲，并對輸入信號產(chǎn)生失真和干擾。為此，采用低通濾波器，以補償傳感器引起的高頻幅頻特性。另外，由于電荷放大器的通頻帶有時遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于實際的需要，而無用的高頻帶將影響低頻信號的測試，因此需要采用低通濾波器，濾除高頻分量。

低通濾波器電路圖如圖5所示。在RC網(wǎng)絡(luò)上加上運算放大器等元器件，組成有源RC低通濾波器。有源RC低通濾波器在通帶內(nèi)不但無衰減，而且有一定的增益。采用快速設(shè)計方法，通過查表確定有源巴特沃斯低通濾波電路參數(shù)。設(shè)低通濾波器的截止頻率為fc，則當(dāng)fc= 40kHz，取C4 = C5 = 0.5nF，R7 = 1.2kΩ，R8 = 2.4kΩ，R9 =R10 = 6.8kΩ； 當(dāng) fc= 60kHz， 取 C4 = C5 = 0.4nF，R7 = 4.7kΩ，R8 = 9.5kΩ，R9 = R10 = 28.4kΩ； 當(dāng) fc= 100kHz， 取 C4 = C5 = 0.1nF，R7 = 11.3kΩ，R8 =22.6kΩ，R9 = R10 = 67.5kΩ。

圖5 低通濾波器電路圖

1.4 高通濾波器及輸出放大器

為了減少直流漂移影響，濾掉電源50Hz的干擾信號，在低通濾波器后加一個高通濾波器。本設(shè)計的高通濾波器由一階RC電路和運算放大器組成。由于信號通過高通濾波電路后將有一定的衰減，同時為了改變整個信號調(diào)理電路的增益，以滿足數(shù)據(jù)采集器輸入信號的要求。因此，在電路中設(shè)計一個輸出放大器。高通濾波及和輸出放大器電路圖如圖6所示。電路具體參數(shù)確定如下：

圖6 高通濾波器及輸出放大器電路圖

1）輸出同相放大器增益A，由電阻R13與R12的比值確定。

2）為了濾掉50Hz的電源干擾信號，設(shè)計高通濾波器的下限頻率為100Hz，取C6 = 100nF，根據(jù)公式：fL= 1/2pRC，可得R11 = 16kΩ。

2 試驗與調(diào)試

2.1 加速度信號測量

試驗中采用的BZ1103壓電式式單軸加速度傳感器，靈敏度為1PC/ms-2，諧振頻率為35kHz。將傳感器安放在砼樓板底面上，用錘擊的方法在傳感器附件進(jìn)行激振產(chǎn)生應(yīng)力波，加速度傳感器感測聲波輸出電荷信號，將其輸出接電荷放大器輸入端，信號調(diào)理電路的輸出端接虛擬示波器信號輸入端。通過如下兩種測試分析，檢驗信號調(diào)理電路整體性能。

1）采用DSO-2090數(shù)據(jù)采集器，在相同的采樣頻率100KHz、相同的2V顯示量程下調(diào)節(jié)不同的放大倍數(shù)得出的兩個波形圖。根據(jù)實測的兩個波形比較，信號調(diào)理電路增益改變，顯示波形幅值隨之變化，且具有良好的穩(wěn)定性、同步性和抗干擾能力。

2）采用DSO-2090數(shù)據(jù)采集器，在相同的采樣頻率100kHz、相同的1V顯示量程下，信號分別通過常規(guī)電荷放大器和設(shè)計的信號調(diào)理電路時輸出波形圖。根據(jù)實測的兩個波形比較，本設(shè)計電路的性能明顯優(yōu)于常規(guī)的電荷放大器，完全能夠滿足工程動態(tài)測試需要。

2.2 測試中干擾信號分析[3]

在調(diào)試過程中遇到的最大問題是對噪聲信號的處理。本設(shè)計選用高輸入阻抗放大器，被測的信號比較微弱，所以信號對外界噪聲干擾特別敏感，電纜的抖動，輸入端的清潔，屏蔽的接地都能對信號產(chǎn)生影響，所以在試驗時應(yīng)注意以下兩點：

1）連接導(dǎo)線的固定：連接的導(dǎo)線雖然是低噪音電纜，但若接頭固定不當(dāng)，也會產(chǎn)生一些噪聲，導(dǎo)線的抖動或彎曲會引起導(dǎo)線間的分布電容和電荷量的變化。因此，試驗時加速度傳感器與信號電荷放大器之間連接導(dǎo)線的接頭必須牢靠，在傳感器近端的導(dǎo)線盡可能平直。

2）接地點的選擇：當(dāng)信號調(diào)理電路與壓電加速度傳感器、數(shù)據(jù)采集器組成測試系統(tǒng)時，往往由于接地點選擇不當(dāng)，各點的地電位不相等，會引入嚴(yán)重的干擾，使測量無法進(jìn)行。因此測量系統(tǒng)最好只有一個接地點。

3 結(jié)論

針對常用的壓電式加速度傳感器測量電路設(shè)計復(fù)雜、價格昂貴、信噪比低的現(xiàn)狀，提出采用集成芯片進(jìn)行測量電路設(shè)計，降低電路設(shè)計成本、提高電路的信噪比、增強電路的穩(wěn)定性和可靠性。

通過對信號調(diào)理電路的有關(guān)理論研究，分析了壓電加速度傳感器的測量電路特點和干擾因素，提出了采用集成運放CA3140實現(xiàn)電荷放大、帶通濾波、輸出放大功能；完成了信號調(diào)理電路的硬件設(shè)計和測試分析。試驗結(jié)果表明：信號調(diào)理電路采用了模塊化、集成化的設(shè)計方法，功能齊全、性價比較高，完全能夠滿足各類壓電式傳感器信號調(diào)理的要求，可用于設(shè)備、結(jié)構(gòu)的動態(tài)監(jiān)測和故障、缺陷診斷，具有較高的推廣應(yīng)用價值。

[1] 李勇, 艾竹君, 劉巧云. 一種新型電荷放大器的設(shè)計方法與電路[J]. 合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2006, 29 (12).

[2] 鄧維禮, 秦嵐, 劉俊, 許斌. 基于Multisim 的準(zhǔn)靜態(tài)電荷放大器仿真分析[J]. 國外電子測量技術(shù), 2009, 28 (4).

[3] 周榮華. 加速度計靈敏度校準(zhǔn)方法的研究[J]. 汽車科技,2005, (4).