聲發(fā)射檢測(cè)儀前置放大器設(shè)計(jì)*

孫 濤，韓東軒，羅守品，歐陽(yáng)運(yùn)濤

(西南科技大學(xué)，四川 綿陽(yáng) 621010)

聲發(fā)射檢測(cè)儀前置放大器設(shè)計(jì)*

孫 濤，韓東軒，羅守品，歐陽(yáng)運(yùn)濤

(西南科技大學(xué)，四川 綿陽(yáng) 621010)

現(xiàn)有前置放大器的帶寬為100～300 kHz，在測(cè)量過(guò)程中將一些有用的低頻信號(hào)濾除了。為此本文設(shè)計(jì)了一套低頻聲發(fā)射前置放大器，給出電路原理圖，并對(duì)電路進(jìn)行了分析與驗(yàn)證。結(jié)果表明設(shè)計(jì)的前置放大器低頻截止頻率可達(dá)到30 kHz，改善了聲發(fā)射檢測(cè)儀的探測(cè)性能，滿足設(shè)計(jì)要求。

聲發(fā)射；前置放大器；幻象電源

0 引言

材料受變形和斷裂時(shí)所產(chǎn)生瞬態(tài)彈性波的現(xiàn)象稱為聲發(fā)射(Acoustic Emission, AE) ，有時(shí)也稱為應(yīng)力波發(fā)射。由材料發(fā)射出的聲音信號(hào)包含著反映材料內(nèi)部缺陷、性質(zhì)以及狀態(tài)變化的信息。聲發(fā)射檢測(cè)就是接收這些信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行分析處理，從而推斷出材料內(nèi)部的變化。聲發(fā)射檢測(cè)要在某一頻率范圍內(nèi)進(jìn)行，這一范圍稱為聲發(fā)射檢測(cè)“頻率窗口”。

飛機(jī)在服役過(guò)程中由于外界環(huán)境(如氣溫、濕度、紫外線輻射、酸雨等)作用、表面處理和涂層缺陷、多余物堵塞排水孔等都可能引起局部腐蝕，產(chǎn)生的腐蝕會(huì)影響材料的組織結(jié)構(gòu)性能，并產(chǎn)生疲勞裂紋。在第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)各類缺陷并對(duì)缺陷進(jìn)行檢測(cè)和危害程度評(píng)估，對(duì)于保障飛機(jī)的安全飛行具有十分重要的意義。目前聲發(fā)射檢測(cè)儀的前置放大器帶寬為100～300 kHz，這會(huì)將一些有用的低頻特性濾除掉，因此設(shè)計(jì)一種低頻特性的前置放大器顯得尤為重要。本文設(shè)計(jì)了一款低頻聲發(fā)射前置放大器，其頻率在40 kHz～200 kHz，增益為40 dB。

1 前置放大器設(shè)計(jì)方案

前置放大器主要由放大部分、電源部分和信號(hào)隔離部分組成。放大部分負(fù)責(zé)小信號(hào)的放大，其設(shè)計(jì)的好壞直接影響放大器的工作特性；電源部分負(fù)責(zé)前置放大器的供電，電源的品質(zhì)也極大影響前置放大器的品質(zhì)；由于目前前置放大器的信號(hào)線與電源線共用一根同軸電纜，信號(hào)隔離部分負(fù)責(zé)將輸出的信號(hào)和電源隔離開(kāi)來(lái)[1-2]。

1.1 放大部分設(shè)計(jì)

采用美國(guó)物理聲學(xué)公司的PCI-1型原聲發(fā)射檢測(cè)儀，其附帶的前置放大器為28 V直流供電，供電電流為0.2 A；頻率在100～300 kHz，傳感器接口采用單端和差分兩種輸入模式，增益20 dB、40 dB和60 dB可調(diào)。由于傳感器在差分模式下存在靈敏度低、反應(yīng)遲緩等問(wèn)題，因此在使用中采用單端模式，即傳感器同相端輸入，反相端接地。因使用過(guò)程中放大器增益采用40 dB，所以本設(shè)計(jì)將前置放大器的增益設(shè)計(jì)為固定40 dB增益。

由于傳感器信號(hào)為毫伏級(jí)，要將信號(hào)放大40 dB，且頻率在30 kHz～200 kHz，顯然采用單運(yùn)放不能實(shí)現(xiàn)，為此采用二級(jí)運(yùn)放。首先選擇一款合適的電壓反饋型高速運(yùn)放，要求其采用正負(fù)電源供電，具有高的帶寬，滿足在100 kHz放大100倍而不失真的要求。通過(guò)比較篩選，采用TI的運(yùn)放芯片NE5532，其工作電壓為±5 V～±15 V，在-3 dB時(shí)的帶寬達(dá)到10 MHz，壓擺率為240 V/μs。為了提高放大器的增益帶寬積，設(shè)計(jì)為一級(jí)和二級(jí)分別放大10倍，最終將信號(hào)放大100倍。由于放大電路存在一定的損耗，以及電阻阻值的不精確性，使得放大倍數(shù)不能精確到40 dB，可以將后一級(jí)電阻R7換為可調(diào)電阻，實(shí)現(xiàn)放大倍數(shù)的微調(diào)，放大電路原理圖如圖1所示。[3-4]

圖3 MC34063負(fù)電源產(chǎn)生電路

對(duì)其采用Multisim進(jìn)行仿真，其在37 dB的截止頻率達(dá)到578 kHz，完全滿足設(shè)計(jì)要求。圖2為放大器的波特曲線圖，由圖可以看出其效果相當(dāng)完美。

圖2 放大器的波特圖

1.2 電源部分設(shè)計(jì)

由于放大器NE5532[5]采用±15 V電源供電，所以需要提供一個(gè)負(fù)電源。負(fù)電源可以通過(guò)變壓器得到，也可以通過(guò)DC-DC電路得到。通過(guò)變壓器簡(jiǎn)單，但是體積巨大，不適合小型化，所以通常采用DC芯片得到，本設(shè)計(jì)選擇常用的DC芯片MC34063[6]。MC34063具有溫度自動(dòng)補(bǔ)償功能的基準(zhǔn)電壓發(fā)生器、比較器、占空比可控的振蕩器，可用于升壓變換器、降壓變換器、反向器，僅需要少量的外部元器件。

圖3為采用MC34063芯片構(gòu)成的開(kāi)關(guān)反壓電路。電阻R5控制系統(tǒng)的電流，C5用來(lái)設(shè)置DC芯片的開(kāi)關(guān)頻率，電容越小開(kāi)關(guān)頻率越高。當(dāng)芯片內(nèi)部開(kāi)關(guān)管T1導(dǎo)通時(shí)，電流經(jīng)MC34063的1腳、2腳和電感L2流到地，電感L2存儲(chǔ)能量。當(dāng)T1斷開(kāi)時(shí)，由于流經(jīng)電感的電流不能突變，因此，續(xù)流二極管D1導(dǎo)通。此時(shí)，L2經(jīng)D1向負(fù)載輸出負(fù)電壓。這樣，只要芯片的工作頻率相對(duì)負(fù)載的時(shí)間常數(shù)足夠高，負(fù)載上便可獲得連續(xù)直流電壓。比較器的反相輸入端(引腳5)通過(guò)外接分壓電阻R6、R7監(jiān)視輸出電壓，其輸出電壓Uo=1.25(1+R7/R6)，由公式可知輸出電壓僅與R6、R7數(shù)值有關(guān)，因1.25 V為基準(zhǔn)電壓恒定不變，若R6、R7阻值穩(wěn)定則Uo亦穩(wěn)定。

1.3 信號(hào)隔離部分設(shè)計(jì)

前置放大器的供電可以采用外接電源形式供電，還可以通過(guò)幻象電源供電。外接電源供電具有信號(hào)低頻特性好的優(yōu)點(diǎn)，也是早期前置放大器的供電方案。但是，此類供電也有不足，就是每個(gè)前置放大器上需要單獨(dú)的外接電源供電，在通道較多、測(cè)量距離較長(zhǎng)情況下接線移動(dòng)非常不便。而幻象電源供電原理如圖4所示，信號(hào)與電源共用一根同軸電纜，C7和C8隔離直流信號(hào)，而L1和L6隔離交流信號(hào)。C7和C8除了采用極性電容外，也可以采用無(wú)極性電容，例如102或者104等[7]。

圖4 幻象電源供電原理

電感L1和L6用來(lái)隔除系統(tǒng)的信號(hào)，在L1和L6的末端需要分別接入一個(gè)100 μF左右的電容，與電感構(gòu)成濾波電路，濾掉系統(tǒng)交流分量。其中L1端所加的電容C9如圖3所示，而與L6相連的電容由于在數(shù)據(jù)采集板上，所以沒(méi)有標(biāo)出。L1和L6的取值直接影響著放大器的工作特性，當(dāng)其取值1 mH時(shí)信號(hào)的低頻截止頻率大約20 kHz，增大L1和L6的電感可以降低信號(hào)的低頻截至頻率，本設(shè)計(jì)取L1和L6為1 mH，滿足系統(tǒng)要求。

2 系統(tǒng)性能測(cè)試及結(jié)論

設(shè)計(jì)的前置放大器實(shí)物如圖5所示，左端為信號(hào)的輸入端，右端為經(jīng)過(guò)放大的信號(hào)輸出端。對(duì)整個(gè)前置放大器進(jìn)行測(cè)試，為了保證測(cè)量的準(zhǔn)確性，信號(hào)輸入端通過(guò)信號(hào)發(fā)生器代替聲發(fā)射傳感器，測(cè)試右端設(shè)計(jì)如圖4右端所示的電路，其中L6末端接+28 V直流電源，示波器輸入端接C8的負(fù)端，構(gòu)成一個(gè)完整的測(cè)量通路。

圖5 前置放大器實(shí)物

圖6 示波器輸出波形

通過(guò)電感L6和同軸電纜給系統(tǒng)提供28 V直流電源，當(dāng)信號(hào)發(fā)生器輸入幅值為20 mVpp的正弦信號(hào)時(shí)，分別在40 kHz、100 kHz、200 kHz、300 kHz的頻率下測(cè)試該前置放大器輸出端，示波器的輸出波形如圖6(a)～(d)。實(shí)驗(yàn)證明了硬件設(shè)計(jì)的正確性，完全滿足當(dāng)初的設(shè)計(jì)要求。

[1] 李國(guó)志．聲檢測(cè)儀的前置放大器設(shè)計(jì)[J]．光學(xué)機(jī)械，1988(4):76-79.

[2] 李明明,李宏,王晨波,等.基于FPGA與單片機(jī)的音頻頻譜分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].微型機(jī)與應(yīng)用,2013,32(1):34-36

[3] 稻葉保．模擬技術(shù)應(yīng)用技巧101例[M]．關(guān)靜，胡圣堯，譯．北京：科學(xué)出版社，2006.

[4] 川田章弘．OP放大電路活用技巧[M]．崔東應(yīng)，譯．北京：科學(xué)出版社，2012.

[5] 德州儀器公司.NE5532x, SA5532x Dual Low-Noise Operational Amplifiers[EB/OL].(2015-01-01) [2015-04-15] http://www.ti.com.cn/cn/lit/ds/ symlink/ ne5532.pdf.

[6] STMicroelectronics group of companies. MC34063- ABD-TR_md. [EB/OL].(2013-09-01) [2015-04-15]http://www.st.com//stonline/md/dm00074996/MC34063ABD-TR_md.zip&fileType=pdf&fileName=MC34063ABD-TR.

[7] 遠(yuǎn)坂俊昭．測(cè)量電子電路設(shè)計(jì)-模擬篇[M]．彭軍，譯．北京：科學(xué)出版社，2006.

Acoustic emission detector preamplifier design

Sun Tao, Han Dongxuan, Luo Shoupin, Ouyang Yuntao

(Southwest University of Science and Technology, Mianyang 621010, China)

The available bandwidth of existing preamplifier is 100～300 kHz. In the measurement process, some useful low-frequency signal is filtered out. This article designed a low-frequency acoustic emission preamplifier, gave circuit schematics, analyzed and verified the circuit. The results show that the preamplifier low-frequency cutoff frequency is up to 30 kHz, and improves the detection performance of acoustic emission detector. It can meet the design requirements.

acoustic emission; preamplifier; phantom power

四川省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(201510619034);西南科技大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目(CX15-081)

TP274

A

1674-7720(2016)01-0033-03

孫 濤，韓東軒，羅守品，等.聲發(fā)射檢測(cè)儀前置放大器設(shè)計(jì)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2016，35(1)：33-35.

2015-09-13)

孫濤(1979-)，男，碩士，講師，主要研究方向：智能儀表測(cè)量、嵌入式應(yīng)用。

韓東軒(1995-)，男，本科在讀，主要研究方向：嵌入式設(shè)計(jì)。

羅守品(1994-)，男，本科在讀，主要研究方向：嵌入式設(shè)計(jì)。