120噸雙軸伺服壓機(jī)載荷前置放大器設(shè)計(jì)與應(yīng)用

齊文博，劉力強(qiáng)，劉培洵，郭彥雙

（中國(guó)地震局地質(zhì)研究所 北京100029）

120噸雙軸伺服壓機(jī)載荷前置放大器設(shè)計(jì)與應(yīng)用

齊文博，劉力強(qiáng)，劉培洵，郭彥雙

（中國(guó)地震局地質(zhì)研究所 北京100029）

針對(duì)巖石變形研究所使用的雙軸伺服壓機(jī)的環(huán)境電磁干擾大的特點(diǎn)，所設(shè)計(jì)的低噪聲載荷前置放大器配備了開(kāi)關(guān)電源濾波電路；放大器具有系統(tǒng)零點(diǎn)補(bǔ)償電路，可有效補(bǔ)償雙軸伺服壓機(jī)系統(tǒng)由于環(huán)境溫度變化、壓機(jī)系統(tǒng)零漂等因素所帶來(lái)的檢測(cè)壓力的零點(diǎn)不穩(wěn)定現(xiàn)象。新設(shè)計(jì)的載荷前置放大器可穩(wěn)定且線性地放大載荷傳感器輸出的微弱信號(hào)；其應(yīng)用于120噸雙軸伺服壓機(jī)的伺服控制中時(shí)，可實(shí)時(shí)地跟蹤伺服控制壓力，穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)120噸雙軸伺服壓機(jī)的載荷閉環(huán)檢測(cè)與控制。

載荷傳感器；前置放大；開(kāi)關(guān)電源濾波；零點(diǎn)補(bǔ)償；載荷閉環(huán)檢測(cè)控制

構(gòu)造變形與物理場(chǎng)實(shí)驗(yàn)研究[1-3]常采用雙軸臥式壓機(jī)對(duì)巖石樣品進(jìn)行壓力加載，從而研究巖石變形或者粘滑[4]時(shí)的物理特性變化。雙軸臥式壓機(jī)采用全橋應(yīng)變片式的載荷傳感器來(lái)檢測(cè)壓力加載過(guò)1程中的載荷變化量，壓機(jī)可加載至的最高載荷為120噸。構(gòu)造變形與物理場(chǎng)實(shí)驗(yàn)過(guò)程常常會(huì)處在較為復(fù)雜的電磁環(huán)境中，如周圍環(huán)境的電磁輻射噪聲和壓機(jī)本身的繼電器開(kāi)關(guān)脈沖輻射噪聲等，這些輻射噪聲會(huì)耦合在微弱的載荷信號(hào)中使得放大后的壓力信號(hào)信噪比大大降低?；诖?，本文設(shè)計(jì)了一款抗干擾低噪聲、高穩(wěn)定度與高載荷檢測(cè)能力的壓機(jī)載荷前置放大器，以便較好地服務(wù)于構(gòu)造變形與物理場(chǎng)實(shí)驗(yàn)研究。

1 120噸雙軸壓機(jī)載荷傳感器檢測(cè)原理

120噸雙軸伺服壓機(jī)如圖1所示，其采用計(jì)算機(jī)控制液壓伺服檢測(cè)與控制系統(tǒng)。

計(jì)算機(jī)通過(guò)檢測(cè)加載壓力的變化和油缸位移的變化來(lái)控制載荷加載量或者位移加載量，以實(shí)現(xiàn)巖石樣品變形時(shí)的載荷變化與保持或者位移變化與保持。伺服控制系統(tǒng)的載荷采樣率為100Hz，載荷控制加載速率最小為10 kg/s，且載荷變化范圍為0-120噸，這要求載荷前置放大器需要較高的信噪比和較寬的檢測(cè)電平變化范圍，無(wú)疑加大了載荷前置放大器的設(shè)計(jì)難度。120噸雙軸壓機(jī)使用的載荷傳感器采用全橋應(yīng)變片結(jié)構(gòu)，每個(gè)橋臂上的應(yīng)變片阻值為350 Ω，這種結(jié)構(gòu)的壓力傳感器可以補(bǔ)償溫漂帶來(lái)的測(cè)量誤差[5-6]。四個(gè)應(yīng)變片均粘貼在雙軸壓機(jī)的油缸推進(jìn)臂上，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖1 120噸雙軸臥式壓機(jī)

圖2 壓機(jī)載荷傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

當(dāng)應(yīng)變片粘貼在油缸推進(jìn)臂上后隨著受載變形時(shí)，它的電阻值將發(fā)生變化，且阻值的變化率滿足公式（1）。

公式（1）中R為應(yīng)變片的初始電阻，DR為應(yīng)變片電阻的變化量，K為應(yīng)變片的靈敏系數(shù)。當(dāng)應(yīng)變橋處于平衡狀態(tài)時(shí)，其滿足公式（2）。若雙軸壓機(jī)的油缸推進(jìn)臂受加載載荷影響而產(chǎn)生形變時(shí)，將導(dǎo)致應(yīng)變橋臂中兩個(gè)應(yīng)變片受拉，其余兩個(gè)應(yīng)變片受壓，此時(shí)應(yīng)變橋處于不平衡狀態(tài)，滿足公式（3）。

公式（3）中 R1=R2=R3=R4=350Ω，DR1、DR2、DR3、DR4為各個(gè)應(yīng)變片的阻值變化量，E為應(yīng)變橋的供橋電壓。通常公式（3）中輸出的U0很微弱，幅度為幾mV~幾十mV，且供橋電壓E的穩(wěn)定性和噪聲水平將直接影響U0的信號(hào)質(zhì)量；若E的噪聲較大，則U0中將疊加大量的電源噪聲，這會(huì)大大降低放大后信號(hào)的信噪比。綜上可知，雙軸壓機(jī)的載荷傳感器需要一個(gè)低噪聲、高穩(wěn)定度的直流供橋電源和較大放大倍數(shù)的放大器。

2 總體設(shè)計(jì)

考慮到放大器的整體檢測(cè)精度要求，設(shè)計(jì)采用低噪聲直流供電系統(tǒng)對(duì)整個(gè)電路進(jìn)行供電。為了縮小供電系統(tǒng)體積和提高供電接口的通用性，設(shè)計(jì)采用5V輸入的DCDC模塊產(chǎn)生模擬器件所需的正負(fù)電源軌。全橋應(yīng)變式載荷傳感器所需的高精度直流供橋電源由降噪后的正電源軌經(jīng)高精度降壓基準(zhǔn)芯片產(chǎn)生。載荷傳感器輸出的微弱信號(hào)經(jīng)過(guò)儀表放大器的放大后送入到ADC采樣芯片中去處理。前置放大器的總體設(shè)計(jì)示意見(jiàn)圖3。

圖3 前置放大器總體結(jié)構(gòu)圖

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 模擬供電電源設(shè)計(jì)

DCDC直流模塊包含大量的瞬時(shí)尖峰脈沖和電源紋波，這些會(huì)很容易耦合到其它模擬器件中，導(dǎo)致放大后的有用信號(hào)被噪聲湮沒(méi)，因此DCDC直流模塊需要降噪處理。LDO降壓芯片具有良好的輸出電壓線性度和較高的電源抑制比PSRR，這里采用DCDC模塊后接兩級(jí)LDO芯片平滑部分電源紋波[7-8]，第一級(jí)用LM7812、LM7912將DCDC模塊輸出的正負(fù)15 V電壓降低到正負(fù)12 V，第二級(jí)用低壓差、高PSRR的LDO芯片LT1963A、LT3015進(jìn)一步將電源電壓降低正負(fù)10V左右。此處輸出的正負(fù)10V電源仍包含有較高的電源紋波，可采用LC低通濾波器[9]濾除從而得到模擬芯片所需干凈的正負(fù)電源軌。DCDC直流模塊輸出電源中的瞬時(shí)尖峰脈沖可用多級(jí)磁珠濾除。圖4為模擬供電電路圖，圖中部分濾波電容未顯示。

3.2 高精度供橋電源設(shè)計(jì)

如章節(jié)1所述，全橋載荷傳感器需要一個(gè)高精度、高穩(wěn)定度的供橋電源，以保證全橋載荷傳感器輸出的微弱信號(hào)盡量不受電源噪聲和電源電壓波動(dòng)帶來(lái)的影響。設(shè)計(jì)將模擬供電電源輸出的正10 V電源作為高精度供橋電源的輸入，選用低溫漂系數(shù)的電壓基準(zhǔn)芯片ADR02輸出10 mA，5 V的高精度供橋電壓，并用MOSFET-N管擴(kuò)流。這種電路結(jié)構(gòu)不僅可以大大降低橋壓的紋波，而且可以提高供橋電源電流輸出能力，最大輸出電流為MOSFET管的值。高精度供橋電源設(shè)計(jì)圖見(jiàn)圖5，圖中電源解耦部分未顯示。

圖4 模擬供電電路圖

圖5 高精度供橋電源電路圖

3.3 信號(hào)放大與后級(jí)濾波

全橋載荷傳感器輸出的信號(hào)非常微弱，通常為幾mV~幾十mV，若要將信號(hào)放大到5 V范圍內(nèi)，則放大倍數(shù)為幾百倍；普通運(yùn)算放大器在放大倍數(shù)超過(guò)20倍后大都會(huì)自激[10-11]，且普通運(yùn)算放大器通常放大單端信號(hào)，無(wú)法無(wú)失真地放大全橋傳感器輸出的差分信號(hào)。差分儀表放大器具有高共模抑制比、高輸入阻抗、低噪聲、低線性誤差和低失調(diào)漂移高增益等特點(diǎn)，可以完美放大輸入的微弱差分信號(hào)。儀表放大器的選取可依據(jù)公式（4）。

公式（4）中，Slew為儀表放大器的壓擺率，F(xiàn)為要放大的信號(hào)的頻率上限，Vop為儀表放大器輸出的信號(hào)單峰值，實(shí)際使用時(shí)一般取兩倍所需的壓擺率。滿足公式（4）的儀表放大器可線性無(wú)失真地放大被測(cè)信號(hào)?？紤]雙軸壓機(jī)工作所處的電磁環(huán)境較為復(fù)雜，電路需要對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行射頻干擾濾波。采用共模電感和射頻濾波器可有效降低周圍環(huán)境的射頻噪聲[12]。射頻濾波器參數(shù)選取參照公式（5）。

圖6 信號(hào)放大與零點(diǎn)電平調(diào)整設(shè)計(jì)圖

4 硬件測(cè)試與實(shí)驗(yàn)應(yīng)用

4.1 硬件測(cè)試

圖7（a）為載荷前置放大器的實(shí)物圖，外殼采用全金屬包裹以屏蔽電磁輻射。為了對(duì)載荷前置放大器進(jìn)行測(cè)試，本文設(shè)計(jì)了由兩個(gè)10K精密可調(diào)電阻組成的一個(gè)全橋電阻橋模擬全橋載荷傳感器，信號(hào)發(fā)生器33250A的輸出信號(hào)作為全橋電阻橋的供橋電壓。當(dāng)全橋電阻橋處于不平衡狀態(tài)時(shí)，載荷前置放大器對(duì)其輸出的mV級(jí)信號(hào)進(jìn)行放大，整個(gè)測(cè)試平臺(tái)示意圖如圖7（b）所示。

圖7 硬件實(shí)物與測(cè)試平臺(tái)圖

當(dāng)載荷前置放大器放大倍數(shù)為420倍時(shí)，32250A信號(hào)發(fā)生器對(duì)不平衡電阻橋施加10Vpp，10 Hz~1 kHz的正弦波橋壓信號(hào)（頻率步進(jìn)量10 Hz），可得如圖8所示的載荷前置放大器帶寬響應(yīng)曲線。由圖8知，當(dāng)激勵(lì)信號(hào)頻率為10 Hz時(shí)，載荷前置放大器仍能無(wú)失真地放大mv級(jí)信號(hào)，且放大后信號(hào)峰值為0.73 V；圖8中載荷前置放大器對(duì)110 Hz~1 kHz的微弱信號(hào)進(jìn)行放大時(shí)，其輸出信號(hào)幅度波動(dòng)很?。划?dāng)頻率超過(guò)1 kHz時(shí)，電壓響應(yīng)曲線開(kāi)始下降，滿足3.3節(jié)的設(shè)計(jì)目標(biāo)，且放大器在低頻時(shí)的頻率響應(yīng)平坦度良好。圖9為測(cè)試的典型頻率的放大信號(hào)，結(jié)果表明，載荷前置放大器在低頻時(shí)均能無(wú)失真地放大輸入端的毫伏級(jí)信號(hào)。

圖8 載荷放大器低頻響應(yīng)圖

圖9 載荷放大器放大后信號(hào)

4.2 實(shí)驗(yàn)應(yīng)用

圖1所示的120噸雙軸壓機(jī)的兩個(gè)加載臂分別標(biāo)記為X方向和Y方向，兩個(gè)載荷前置放大器分別檢測(cè)這兩個(gè)方向加載臂的載荷變形量。X和Y方向的載荷變形量反饋到伺服控制計(jì)算機(jī)加以處理后來(lái)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)方向的液壓伺服閥進(jìn)而控制加載臂的進(jìn)退量。本文采用巖石樣品的粘滑實(shí)驗(yàn)[4]來(lái)檢測(cè)載荷前置放大器的運(yùn)行性能。雙軸壓機(jī)的X方向載荷保持為7.5噸，Y方向采用載荷控制方式加載壓力并加載至1450 s處，加載速率為10 kg/s；之后，Y方向卸載壓力，卸載速度為50 kg/s。整個(gè)實(shí)驗(yàn)加載和卸載載荷過(guò)程見(jiàn)圖10。

圖10中，兩個(gè)方向的載荷前置放大器的輸出信號(hào)均能完整無(wú)誤地跟蹤當(dāng)前時(shí)刻載荷伺服控制目標(biāo)值。X方向在載荷目標(biāo)值保持時(shí)，其放大器輸出信號(hào)基本無(wú)變化，即載荷前置放大器長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定性良好；Y方向的載荷變化曲線既可以實(shí)時(shí)跟蹤Y方向的伺服載荷控制目標(biāo)量，又可以無(wú)誤地展示巖石粘滑時(shí)的載荷突變情況，即載荷前置放大器的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)和瞬態(tài)響應(yīng)靈敏度都可以滿足巖石粘滑實(shí)驗(yàn)的要求。

圖10 雙軸壓機(jī)載荷加載與卸載過(guò)程

5 結(jié) 論

1）該載荷前放大器采用DCDC模塊和LDO芯片相結(jié)合的方式進(jìn)行電源濾波降噪，且具有前端射頻濾波功能，既確保了放大器的信噪比，又使其不受周圍環(huán)境電磁干擾的影響。

2）該載荷前置放大器采用儀表放大結(jié)構(gòu)，可線性地放大全橋式載荷傳感器輸出的微弱信號(hào)，且其在低頻范圍內(nèi)的電壓響應(yīng)平坦度良好，滿足實(shí)際使用要求。

3）該載荷前置放大器應(yīng)用于高噸位伺服雙軸壓機(jī)的伺服閉環(huán)控制時(shí)，可線性地檢測(cè)與跟蹤當(dāng)前載荷的伺服目標(biāo)值，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定性良好，可滿足120噸雙軸伺服壓機(jī)的載荷閉環(huán)檢測(cè)與控制要求。

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The design and application of load preamplifier used in 120 ton biaxial servo press

QI Wen-bo，LIU Li-qiang， LIU Pei-xun，GUO Yan-shuang
（Institute of Geology， China Earthquake Administration， Beijing 100029， China）

According to the characteristics of large environmental electromagnetic interference of biaxial servo press used in study of rock deformation，the designed super low noise preamplifier is equipped with the switching power filter circuit.The amplifier has zero compensation circuit of system，which can effectively compensate the instability of zero point of pressure caused by the change of environment temperature and zero drift of the press system.The newly designed load preamplifier can stably and linearly amplify the weak signals output from the load sensor；while the preamplifier can track the servo control pressure real-timely，and closed loop detection and control of load in 120 ton biaxial servo press can be realized stably，when the preamplifier is applied to the servo control of 120 ton biaxial servo press.

Load sensor； preamplifier； switching power filter； zero compensation； closed loop detection and control of load

TN721.1

A

1674－6236（2017）12-0060-05

2016-07-02稿件編號(hào)：201607011

中國(guó)地震局地質(zhì)研究所中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)專項(xiàng)（IGCEA1612）

齊文博（1985—），男，河南新野人，碩士，工程師。研究方向：電子技術(shù)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用和構(gòu)造變形與物理場(chǎng)實(shí)驗(yàn)研究。