壓電傳感器前置信號接收電路設(shè)計(jì)

金 浩，張晉敏，唐華杰，謝 泉，董珍時(shí)

(1.貴州大學(xué)電子信息學(xué)院，貴州大學(xué)新型光電子材料與技術(shù)研究所，貴州貴陽 550025；2.北京道沖泰科科技有限公司，北京 100000)

0 引言

壓電傳感器在橋梁道路狀態(tài)監(jiān)控和電力轉(zhuǎn)動設(shè)備檢測中有著廣泛的應(yīng)用，這種檢測方法不僅檢測結(jié)果精確，而且節(jié)約大量的人力和物質(zhì)成本?，F(xiàn)在運(yùn)用廣泛的是IEPE兩線制壓電傳感器，其特點(diǎn)是將電荷放大器和壓電材料集成到一起，因此具有抗干擾性強(qiáng)、內(nèi)阻低，性能穩(wěn)定、應(yīng)用簡單等優(yōu)點(diǎn)。

目前，對應(yīng)不同壓電傳感器信號的調(diào)理電路非常多，但是對激勵電流源設(shè)計(jì)、有源濾波等信號處理模塊闡述較少，特別是高通有源濾波采用單電源供電無法對負(fù)電壓信號進(jìn)行濾波，曹恒等[1]采用無源濾波的方法處理，但是這種方法帶來的負(fù)面影響較大，濾波頻段會隨著負(fù)載變化而改變。雙電源供電的方式也會使整個(gè)電路的穩(wěn)定性降低。

采用的壓電傳感器偏置電壓為12 V，帶寬響應(yīng)為0.4 Hz～1.3 kHz，總電源采用7.4 V鋰電池，有著很強(qiáng)的現(xiàn)場實(shí)用性和靈活性；通過運(yùn)放設(shè)計(jì)一款電流源，給傳感器提供電源，這樣可以減少電路中芯片數(shù)量從而減少電路的功耗；為了使整體電路更具穩(wěn)定性，采用單電源供電，因此需要對后端的有源濾波電路進(jìn)行單電源處理，有源高通濾波部分采用加入濾波偏置電壓的方法，使得高通部分的運(yùn)放可以采用單電源供電完成濾波；在信號處理部分，為了降低對MCU的性能要求，選用AD8436芯片進(jìn)行RMS均方根計(jì)算處理，在測量振動信號時(shí)，RMS均方根值能夠用于對異常狀態(tài)檢測；最后在實(shí)際運(yùn)用的過程中，通過MCU對多路復(fù)用開關(guān)的濾波通帶進(jìn)行選擇，從而實(shí)現(xiàn)對不同目標(biāo)進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測。該產(chǎn)品對多種異常狀態(tài)檢測有重要的意義。

1 壓電傳感器

壓電傳感器具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)可用于非常寬的頻率范圍，并且在較寬的頻率范圍內(nèi)有良好的線性；(2)加速度信號可以經(jīng)過信號的電子積分得到位移和速度數(shù)據(jù)；(3)在較寬的環(huán)境范圍內(nèi)有較好的精確度。在不同的應(yīng)用場合，測量的重點(diǎn)也不同，主要有峰值、峰峰值、平均值和RMS均方根值。而通過對振動信號的RMS均方根運(yùn)算，能夠說明各個(gè)振級也與振動的能量有關(guān)。

IEPE型兩線制壓電傳感器結(jié)構(gòu)簡單，一般僅需要2～10 mA的激勵源，其信號輸出和激勵電流源輸入是同一根線。AC192輸出偏置電壓為12 V，它是一種單一軸向的壓電加速度測量計(jì)。其加速度測量動態(tài)范圍可以達(dá)到±80 g，根據(jù)其靈敏度可以計(jì)算輸出信號電壓±8 V，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況選擇測量范圍確定電源供電電壓有利于降低整體功耗[2]。

文中所論述的方案是針對一些正常振動狀態(tài)發(fā)生異常情況的狀態(tài)檢測，測量的是振動的RMS均方根值。其加速度范圍要求±2 V，文中針對這些條件設(shè)計(jì)出滿足要求的電路。

2 信號接收電路設(shè)計(jì)

信號接收電路設(shè)計(jì)的總體框架圖如圖1所示。整個(gè)接收電路通過STM32作為主控制芯片負(fù)責(zé)和上位機(jī)通信以及電源的通斷；恒流源采用一種運(yùn)放設(shè)計(jì)的方法，這樣增加了電流源的靈活性；為了增強(qiáng)電路的實(shí)用性，采用MCU去選擇不同頻段的濾波電路，這種方法增強(qiáng)了產(chǎn)品適用性，節(jié)約了成本。

圖1 信號接收電路總體框架圖

2.1 壓電傳感器激勵電流源設(shè)計(jì)

文中利用低功耗差動放大器實(shí)現(xiàn)低成本穩(wěn)定電流源，具體設(shè)計(jì)如圖2所示[3]。設(shè)R3的一端和R5的一端分別為VIN+=VCC和VIN-=0，運(yùn)放AMP1的正反向輸入端U+和U-,R4兩端

為U0和U1

對電流源推導(dǎo)如下：

(1)

(2)

運(yùn)放兩端電壓：

U+=U-

(3)

由式(1)～(3)可知：

VIN+-VIN-=U0-U1

(4)

差分輸入電壓出現(xiàn)在R4兩端，取R4=512 Ω，VREF=2 V(參考源選擇ADR440芯片，溫漂3 ppm,誤差1%，1 ppm=10-6)；可以得到4 mA的激勵電流；運(yùn)放AMP1選擇AD8276芯片，其芯片內(nèi)部自帶4個(gè)高精度的40 kΩ電阻，為電路設(shè)計(jì)帶來了方便。

圖2電路中，電流源的設(shè)計(jì)還加入了運(yùn)放AMP2，可以減少電流源噪聲，也增加該電流源的驅(qū)動負(fù)載能力，其仿真結(jié)果如圖3所示。隨著負(fù)載的變化，電流源恒定在4 mA，而實(shí)際電路板的測試采用鋰電池供電LM2733升壓芯片，對于放大器AMP2的選擇必須考慮到負(fù)載輸出電壓在AMP2的輸入范圍之內(nèi)，由于AC192傳感器偏置電壓是12 V，因此要求恒流源驅(qū)動電壓為16 V．

圖2 傳感器信號調(diào)制電路

圖3 參考源2 V 負(fù)載為200～3 000 Ω時(shí)的恒流源仿真

2.2 濾波器設(shè)計(jì)

為了檢測固定的頻率信號是否在可靠的范圍之內(nèi)，可以通過濾波的方式增加精確性。為了在實(shí)際應(yīng)用中更加方便、經(jīng)濟(jì)，文中設(shè)計(jì)用多路復(fù)用開關(guān)，增加一路濾波選擇。如圖2中的2個(gè)多路復(fù)用開關(guān)TS5A4624，這樣就可以針對不同頻段的場合，通過MCU的I/O口去選擇不同的濾波頻段檢測特定的設(shè)備。

采用巴特沃茲低通和切比雪夫高通進(jìn)行濾波，如圖2中濾波通道中所示的濾波結(jié)構(gòu)，濾波效果完全滿足電路需求而且結(jié)構(gòu)簡單，容易調(diào)整。

在高通濾波中加入了偏置電壓VREF[4],如圖2中帶通濾波電路所示(這里選擇的高通偏置電壓和前面恒流源的參考電壓一致，均為2 V，完全滿足量程要求，而且節(jié)省資源)，目的是使整體電路采用單電源供電。高通濾波使用有源濾波，偏置電壓的加入不僅使濾波能夠使用有源濾波，而且為后面的A/D信號采集提供了方便。

2個(gè)通道的濾波部分通過Cadence仿真得到的結(jié)果如圖4和圖5所示。

圖4 低通通道濾波電路仿真

圖5 帶通通道濾波電路仿真

3 其他電路的設(shè)計(jì)

3.1 差分調(diào)整電路

為了降低電路整體功耗，方便統(tǒng)一后續(xù)器件的供電電壓，在滿足測量范圍要求的情況下，在信號濾波前采用差分運(yùn)算的方法降低信號偏置電壓[5],以和后續(xù)的濾波電路相適合；如圖2所示，設(shè)R8=R12=R2，R9=R10=R1，signal out=(IEPE signal-Vref)(R2/R1),從而得到所需要的理想的電壓范圍。文中運(yùn)放選擇AD8641，它是軌道軌輸出而且供電電壓為10～24 V，采用雙極性工藝，適合差分電路設(shè)計(jì)要求。

3.2 RMS均方根運(yùn)算電路設(shè)計(jì)

如果采用A/D直接采樣，使用MCU運(yùn)算，對處理器的性能要求比較高；而采用AD8436可以精確地計(jì)算出交流信號的有效值，而且在+5 V單電源供電情況下，電流為350 μA，降低了電路整體功耗。

圖6電路中，C7和R2構(gòu)成了在交流信號下放大而直流偏置不變的放大電路,通過R2來調(diào)整實(shí)際信號的靈敏度。U2是三端電容，用于過濾信號的高頻，這樣可以更好地增加整體電路高頻頻段的濾波性能。C5、R1和R4為調(diào)試旁路，在文中所述模塊中，前面的濾波電路已經(jīng)將信號的大小調(diào)理到了0 V以上的合理范圍內(nèi)，所以可以根據(jù)實(shí)際情況選擇接法，這樣的冗余設(shè)計(jì)在實(shí)際的電路設(shè)計(jì)中增加了電路的靈活性，以保證產(chǎn)品的設(shè)計(jì)成功率；采用這樣的設(shè)計(jì)顯著降低MCU的工作量，給處理器的選擇帶來了方便。

圖6 均方根運(yùn)算電路

多路復(fù)用開關(guān)選擇TS5A4264，其導(dǎo)通電阻小于2 Ω，3 dB帶寬為100 MHz，寬范圍的單電源供電。電路測試表明符合要求。

4 結(jié)束語

文中重點(diǎn)介紹了A/D采樣前的加速度傳感器信號處理部分的電路。該電路已和后續(xù)電路全部調(diào)試成功，文中介紹的調(diào)制電路具有功耗低、可靠性好，易于后端A/D采樣處理等優(yōu)點(diǎn)。該振動檢測產(chǎn)品在工業(yè)故障檢測現(xiàn)場已經(jīng)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[1] 曹恒，秦穎頎，王春等.IEPE壓電傳感器前置信號調(diào)理電路 .儀表技術(shù)與傳感器，2012(11)：160-162.

[2] POTTOR D Enhancements to the IEPE1451.2Standard for Smart Transducers.Senceors,1998：42-50.

[3] GUO D.利用低功耗，單位增益差動放大器實(shí)現(xiàn)低成本電流源.Analog Dialogue,2009，45(2)：12.

[4] CARTER B,MARTER B．Op amps for everyone．姚劍清，譯.北京：人民郵電出版社，2011.

[5] 童詩白，華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)．北京：高等教育出版社,2006.

[6] SERRIDGE M,TORBEN.壓電加速度計(jì)和振動前置放大器 .K Larsen & Srn A/S.DK-2600 Glostrup,1986.