低噪聲聲發(fā)射信號(hào)調(diào)理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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（天津大學(xué) 精密儀器與光電子工程學(xué)院，天津 300072）

聲發(fā)射是材料中由局部應(yīng)力集中源的能量迅速釋放而產(chǎn)生瞬時(shí)彈性波的現(xiàn)象。用儀器探測(cè)、記錄和分析聲發(fā)射信號(hào)以及利用聲發(fā)射信號(hào)推斷聲發(fā)射源的技術(shù)稱為聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)。由于該技術(shù)具有效率高、成本低、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)廣泛用于對(duì)材料力學(xué)性能檢測(cè)、大型結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域［1]。近些年，金屬腐蝕的聲發(fā)射在線檢測(cè)技術(shù)研究是國(guó)內(nèi)外聲發(fā)射檢測(cè)領(lǐng)域的熱點(diǎn)［2－3]。根據(jù)研究，金屬腐蝕過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生極其微弱的聲發(fā)射信號(hào)，而在腐蝕不同階段聲發(fā)射信號(hào)的特征也不盡相同，這就為檢測(cè)腐蝕類(lèi)型和程度提供了依據(jù)［4]。尤其對(duì)于應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂檢測(cè)來(lái)說(shuō)，發(fā)現(xiàn)早期的裂紋萌生和擴(kuò)展，對(duì)于金屬結(jié)構(gòu)的安全監(jiān)測(cè)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義［5]。

現(xiàn)代聲發(fā)射儀的結(jié)構(gòu)一般由聲發(fā)射傳感器、信號(hào)調(diào)理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、主控制器、存儲(chǔ)器、通訊模塊和電源模塊等組成［6]。其中信號(hào)調(diào)理系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)檢測(cè)微弱聲發(fā)射信號(hào)的關(guān)鍵，其主要功能就是將聲發(fā)射傳感器輸出的微弱信號(hào)進(jìn)行放大和濾波。將μV級(jí)的信號(hào)放大到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的量程至少需要百倍甚至千倍。要實(shí)現(xiàn)如此高的放大倍數(shù)，對(duì)電路的穩(wěn)定性和噪聲抑制能力均提出了更高的要求。筆者在分析噪聲的基礎(chǔ)上，針對(duì)金屬腐蝕聲發(fā)射信號(hào)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、信噪比高的聲發(fā)射信號(hào)調(diào)理系統(tǒng)。

(三)死刑的執(zhí)行。在刑事司法實(shí)踐中，死刑的執(zhí)行同樣留有余地，可以免除一死。這些余地，不僅是法律對(duì)人生命的尊重，更是給合法不合理案件留有修正的機(jī)會(huì)。死刑的執(zhí)行中，有緩刑、流放等多種替代方式。在彌爾松的《普通法的歷史基礎(chǔ)》中這樣記載：“在18、19世紀(jì)里，只有少部分死刑判決得到執(zhí)行，大部分都被以流放的形式執(zhí)行”。那個(gè)時(shí)候，大部分死刑犯人被流放到美國(guó)、澳大利亞等英國(guó)殖民地，而真正實(shí)行死刑的人并不多，可苔絲就不幸成為其中一位。

1)風(fēng)機(jī)風(fēng)筒內(nèi)氣流流動(dòng)類(lèi)似于管道內(nèi)氣體流動(dòng)，參考管道內(nèi)氣流速度分布特征，斷面Ⅰ—Ⅰ平面內(nèi)風(fēng)流并非均用分布，機(jī)殼附近氣流速度小而靜壓大，而風(fēng)筒中心區(qū)域氣流速度大而靜壓小，而斷面Ⅰ—Ⅰ處?kù)o壓測(cè)點(diǎn)布置在機(jī)殼上，因此測(cè)得斷面Ⅰ—Ⅰ靜壓大于斷面Ⅰ—Ⅰ實(shí)際平均靜壓，造成測(cè)得的風(fēng)機(jī)風(fēng)量大于真實(shí)風(fēng)量。

1 信號(hào)調(diào)理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

聲發(fā)射傳感器一般采用壓電陶瓷作為敏感元件，其在外部應(yīng)力作用下會(huì)產(chǎn)生電荷，因此首先需要采用電荷放大電路將微弱的電荷信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)［7]。該電壓信號(hào)還需要進(jìn)一步放大和濾波以滿足模數(shù)轉(zhuǎn)換的量程范圍和噪聲要求。整個(gè)信號(hào)調(diào)理系統(tǒng)包括電荷放大電路、電壓放大電路和帶通濾波電路。

1.1 電荷放大電路

式中：K為波爾茲曼常數(shù)（1.38×10－23J/K）；T為熱力學(xué)對(duì)溫度；B為帶寬；R為電阻。

圖1 電荷放大電路的實(shí)際等效電路模型

式中：1.3為濾波器修正系數(shù)；A為該噪聲信號(hào)的輸出總增益；VN為頻域的噪聲值。

從表1中可以看出，在電路中起決定作用的噪聲源為電荷放大器所用運(yùn)放的電壓噪聲VN2，故選用輸入電壓噪聲小的運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)電荷放大器是減小整個(gè)系統(tǒng)噪聲的關(guān)鍵。

由于后面濾波器的存在，故可以忽略濾波頻帶以外的噪聲，于是按照式（3）計(jì)算各項(xiàng)輸出噪聲電壓VRMS：

由于輸入電纜電容的增大和反饋電容的減小會(huì)在輸出端引起較大的噪聲電壓，而運(yùn)算放大器的零漂則會(huì)因反饋電阻的減小和放大器輸入電阻的減小而增大。因此經(jīng)綜合考慮選取R＝22 kΩ，C＝100 p F，以在保證高電荷靈敏度的同時(shí)使信號(hào)的失真度控制在可接受的范圍內(nèi)。

1.2 電壓放大電路

由于聲發(fā)射信號(hào)非常微弱，故經(jīng)過(guò)電荷放大器的Q/U轉(zhuǎn)換后還需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大。當(dāng)放大倍數(shù)為60 dB、帶寬達(dá)1 MHz時(shí)即可滿足金屬腐蝕聲發(fā)射檢測(cè)的要求［8]。在放大電路的實(shí)現(xiàn)上，考慮到反相放大電路輸入阻抗低，不能滿足低噪聲的要求，故采用同相放大電路，如圖2所示。

圖2 同相放大電路

考慮到對(duì)增益、帶寬的要求，需要高速放大器，故采用AD829，其單位增益帶寬積可達(dá)130 MHz，共模抑制比為120 dB，完全滿足信號(hào)帶寬和同相放大電路對(duì)運(yùn)放共模抑制比的要求。補(bǔ)償電容C6可以使運(yùn)放在低放大倍數(shù)條件下穩(wěn)定工作，R2和R1的比值決定了放大電路的放大倍數(shù)，C2做相位補(bǔ)償，C1限制信號(hào)的低頻通路，使放大電路表現(xiàn)為高通特性，濾除低頻信號(hào)，以抑制音頻干擾。

1.3 帶通濾波器設(shè)計(jì)

為進(jìn)一步抑制音頻和高頻電磁噪聲的干擾，還必須在放大電路之后增加帶通濾波電路。由于壓控電壓源型（Sallen－key）濾波器對(duì)運(yùn)放理想程度依賴性最低，故基于Sallen－key濾波器模型［9]，設(shè)計(jì)了一個(gè)由四階低通串聯(lián)二階高通組成的巴特沃斯型帶通濾波電路［10]，如圖3所示。其－3 dB帶寬為100～500 kHz。

圖3 Sallen－key帶通濾波器設(shè)計(jì)

2 電路噪聲分析

對(duì)于裂紋萌生、金屬點(diǎn)蝕等檢測(cè)，能夠檢測(cè)到越微弱的聲發(fā)射信號(hào)越有利于及時(shí)發(fā)現(xiàn)被檢測(cè)對(duì)象早期的缺陷。因此對(duì)電路噪聲進(jìn)行分析，進(jìn)而有針對(duì)性的進(jìn)行抑制，是實(shí)現(xiàn)低噪聲聲發(fā)射信號(hào)調(diào)理系統(tǒng)的關(guān)鍵。

電路中噪聲源主要由運(yùn)放的電壓噪聲、電源噪聲和電阻熱噪聲組成［11]。其中電阻熱噪聲可根據(jù)式（2）計(jì)算。

工序加工能耗包括工序加工過(guò)程中的切削過(guò)程能耗、空切過(guò)程能耗、工件裝夾過(guò)程能耗和磨頓換刀過(guò)程能耗[11]。因此，調(diào)度過(guò)程中的工序加工能耗

傳感器與電荷放大電路的等效電路模型，如圖1所示。

國(guó)家“十三五”規(guī)劃綱要提出，注重高校創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)：“實(shí)行學(xué)術(shù)人才和應(yīng)用人才分類(lèi)、通識(shí)教育和專(zhuān)業(yè)教育相結(jié)合的培養(yǎng)制度，強(qiáng)化實(shí)踐教學(xué)，著力培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)意創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力”；“加快學(xué)習(xí)型社會(huì)建設(shè)”[1]。這些規(guī)劃綱要的發(fā)展理念和建設(shè)目標(biāo)，對(duì)高校通識(shí)教育發(fā)展方向有普遍的指導(dǎo)意義，通識(shí)教育成為各高校人才培養(yǎng)模式變革研究的熱點(diǎn)。

圖中，VN1和VN2分別代表運(yùn)放U1和U2的電壓噪聲，VN＿R1代表電阻R1的熱噪聲。R6為聲發(fā)射傳感器的內(nèi)阻，C4為聲發(fā)射傳感器的等效電容，由試驗(yàn)測(cè)得。

圖4 前端放大電路的噪聲模型

由于電路中前端的電荷放大電路和同相比例放大電路的信號(hào)增益很大，是主要噪聲源，故主要分析這部分電路的噪聲。其等效噪聲模型如圖4所示。

式中：K為運(yùn)算放大器N的開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)；ω為傳感器供電角頻率。

圖1中Q，Cs以及漏電阻Rs并聯(lián)構(gòu)成了聲發(fā)射傳感器的等效電路模型，Cc是電纜電容，Ri和Ci分別為所選的運(yùn)算放大器的輸入阻抗和輸入電容。考慮到C電荷的泄放和加入直流負(fù)反饋以穩(wěn)定工作點(diǎn)，在C兩端并聯(lián)電阻R。則電路輸出為：

經(jīng)計(jì)算得系統(tǒng)主要噪聲值如表1所示。

表1 系統(tǒng)噪聲主要噪聲源及其均方值

(5)穩(wěn)定運(yùn)行8 h后，對(duì)液硫外輸泵(P-303)出口的液硫和氣相分別取樣，分析液硫中硫化氫含量、酸度以及氣相中硫化氫含量;若液硫中硫化氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)仍大于15×10-6，提高流量調(diào)節(jié)閥FV-31201、FV-31301開(kāi)度，將流量增至850 m3/h。

3.開(kāi)拓創(chuàng)新，增強(qiáng)企業(yè)發(fā)展的適應(yīng)性。數(shù)字化時(shí)代最大的特點(diǎn)是快，其將快速消費(fèi)文化發(fā)揮得淋漓盡致。在此情形下，就要求企業(yè)更加具有創(chuàng)新意識(shí)，謹(jǐn)記“大眾創(chuàng)業(yè)，萬(wàn)眾創(chuàng)新”理念，在國(guó)家政策的指引下積極投身于企業(yè)創(chuàng)新發(fā)展，增強(qiáng)企業(yè)對(duì)現(xiàn)代市場(chǎng)發(fā)展的適應(yīng)性，促進(jìn)企業(yè)快速發(fā)展。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 系統(tǒng)底噪測(cè)試與分析

為測(cè)試系統(tǒng)底噪，必須消除環(huán)境聲學(xué)噪聲通過(guò)傳感器耦合進(jìn)電路的影響，故采用一個(gè)與傳感器等效電容大小相近的1 000 p F聚苯乙烯電容代替?zhèn)鞲衅鳌＝?jīng)測(cè)試，噪聲峰峰值約為40.0 mV，如圖5所示。

圖5 噪聲測(cè)試結(jié)果

而利用噪聲模型計(jì)算得系統(tǒng)理論噪聲為：

2.圍繞提升專(zhuān)業(yè)能力素質(zhì)構(gòu)建專(zhuān)業(yè)支撐課程。支撐課程是對(duì)學(xué)員專(zhuān)業(yè)能力素質(zhì)起基礎(chǔ)和支撐作用的課程，對(duì)打牢學(xué)員的學(xué)科專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)、掌握扎實(shí)的專(zhuān)業(yè)理論知識(shí)，提高對(duì)部隊(duì)裝備和訓(xùn)練變換的適應(yīng)能力有著重要作用。對(duì)于這類(lèi)課程的定位，要充分考慮部隊(duì)任職崗位及未來(lái)崗位變化對(duì)學(xué)員專(zhuān)業(yè)能力的要求。既要注重讓學(xué)員掌握寬厚的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)，又兼顧讓學(xué)員掌握專(zhuān)業(yè)技術(shù)學(xué)習(xí)和訓(xùn)練的基本方法，形成知識(shí)遷移和自主學(xué)習(xí)的能力，為學(xué)員的后續(xù)發(fā)展進(jìn)行知識(shí)儲(chǔ)備。

式中：A為信號(hào)增益，包括電荷放大增益和放大電路增益。

從理論計(jì)算結(jié)果看，電路實(shí)際噪聲與理論一致。由于電路放大倍數(shù)為1 000，故該系統(tǒng)實(shí)際底噪VNrms＝40 000μV/6.6/1 000≈6.6μV。能夠滿足金屬腐蝕聲發(fā)射信號(hào)采集的要求。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證電荷放大電路中運(yùn)放噪聲對(duì)系統(tǒng)噪聲的影響，將電荷放大電路中的AD745換成了輸入噪聲較大的AD820，經(jīng)計(jì)算理論噪聲值為114.5 mV，測(cè)試得噪聲峰峰值為119.2 mV，比采用AD745時(shí)噪聲增大了3倍?？梢?jiàn)電荷放大器中運(yùn)算放大器的輸入電壓噪聲是影響整個(gè)系統(tǒng)噪聲的主要因素。

3.2 金屬腐蝕聲發(fā)射檢測(cè)試驗(yàn)

為驗(yàn)證系統(tǒng)的腐蝕聲發(fā)射信號(hào)檢測(cè)能力，設(shè)計(jì)了如圖6所示的試驗(yàn)系統(tǒng)，在Q235鋼板上封裝了濃度為3.5%的NaCl溶液，在鋼板的另一面安裝美國(guó)物理聲學(xué)公司的wsα型寬頻聲發(fā)射傳感器接收腐蝕產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)。采用帶有AD采集卡的PC104進(jìn)行信號(hào)采集。系統(tǒng)采樣率為1 MSPS，采樣精度12位，量程±5 V。經(jīng)過(guò)6 h試驗(yàn)，接收到大量聲發(fā)射信號(hào)，其典型波形如圖7所示。與文獻(xiàn)［12]中所述的因點(diǎn)蝕產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)相符。接收到的所有聲發(fā)射信號(hào)幅值與時(shí)間分布如圖8所示。從圖8中可以看出，隨著試驗(yàn)時(shí)間增加，單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)數(shù)量以及幅值呈現(xiàn)減少趨勢(shì)。該現(xiàn)象表明隨著腐蝕時(shí)間增加，腐蝕產(chǎn)物逐漸堆積，影響了腐蝕進(jìn)一步的產(chǎn)生，同樣與文獻(xiàn)［12]結(jié)論相符。由此可見(jiàn)，系統(tǒng)能夠穩(wěn)定長(zhǎng)時(shí)間捕獲微弱的腐蝕聲發(fā)射信號(hào)。

圖6 金屬腐蝕聲發(fā)射檢測(cè)試驗(yàn)系統(tǒng)

圖7 典型聲發(fā)射信號(hào)波形及其頻譜圖

圖8 聲發(fā)射信號(hào)幅值隨時(shí)間的分布圖

4 結(jié)語(yǔ)

采用電荷放大電路、電壓放大電路和帶通濾波器三級(jí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一種低噪聲聲發(fā)射信號(hào)調(diào)理系統(tǒng)。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，其系統(tǒng)噪聲指標(biāo)約為6.6μV，可用于金屬腐蝕聲發(fā)射檢測(cè)。理論分析與試驗(yàn)表明，電荷放大電路中運(yùn)算放大器的輸入電壓噪聲是影響電路噪聲的主要原因，選用低噪聲高輸入阻抗運(yùn)放可以明顯降低系統(tǒng)噪聲。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定，可用于實(shí)現(xiàn)嵌入式聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)。

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