用于壓電料位計(jì)的微弱信號檢測電路設(shè)計(jì)

劉 溢，張曉菲，孫富韜，盧 超

（北京航天計(jì)量測試技術(shù)研究所，北京 100076）

1 引 言

壓電料位計(jì)是利用壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)物料監(jiān)測的一類料位計(jì)，具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、無磨損、自清潔、無需標(biāo)定、即插即用等諸多優(yōu)點(diǎn)。 但其輸出為微弱電荷信號，通常為nC 級，容易受外界干擾；當(dāng)料位松動時，容易產(chǎn)生“虛假”料位信號；對后端檢測電路的性能要求高，需要正負(fù)電源供電，電路復(fù)雜。 基于此，設(shè)計(jì)了一種用于壓電料位計(jì)的微弱信號檢測電路，能夠?qū)崿F(xiàn)單極性電源供電處理交流信號；消除因料位松動造成的輸出抖動等虛假報警，實(shí)現(xiàn)料位的準(zhǔn)確監(jiān)測；具備靈敏度調(diào)節(jié)功能，可以根據(jù)不同物料的阻尼特性，有針對性地設(shè)置動作閾值；可以根據(jù)用戶需要，設(shè)置輸出電平極性，提高了料位計(jì)的靈活性和適應(yīng)性。

2． 微弱信號檢測電路設(shè)計(jì)

2．1 總體方案設(shè)計(jì)

壓電料位計(jì)由以壓電換能器為核心的傳感器和后端驅(qū)動檢測電路構(gòu)成。 其工作原理為：在壓電換能器驅(qū)動下，料位計(jì)振動桿發(fā)生共振；當(dāng)有物料覆蓋振動桿探頭時，對其產(chǎn)生阻尼，使其振幅減弱，料位計(jì)輸出電荷信號隨之減?。粰z測電路監(jiān)測此變化，并與閾值比較，轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)開關(guān)信號輸出，完成料位檢測。

微弱信號檢測電路主要由防積分飽和電荷放大器、帶通濾波器、精密檢波電路、兩級比較電路和邏輯控制電路五個部分構(gòu)成，如圖1 所示。 電荷放大器將料位計(jì)輸出的微弱電荷信號轉(zhuǎn)換為電壓信號輸出，同時實(shí)現(xiàn)阻抗匹配；帶通濾波器濾除掉多余的現(xiàn)場干擾，輸出光滑的正弦波信號；精密檢波電路完成小信號半波整流和濾波，將輸入的正弦波轉(zhuǎn)換為直流電平輸出；兩級比較電路根據(jù)設(shè)置的閾值，完成直流電平至開關(guān)量轉(zhuǎn)換，并實(shí)現(xiàn)靈敏度調(diào)節(jié)和防虛假報警功能；最后，由邏輯控制部分實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)信號輸出和現(xiàn)場指示，同時，可以根據(jù)用戶需要實(shí)現(xiàn)高低電平極性轉(zhuǎn)換。

圖1 總體方案框圖Fig．1 Overall scheme block diagram

2．2 防積分飽和電荷放大器設(shè)計(jì)

防積分飽和電荷放大器如圖2 所示。 本文中所有電路均采用單極性電源供電，為處理交流信號，將運(yùn)放參考端連接參考電壓V，滿足V＝1／2V，以下不再贅述。 電荷放大器的輸出電壓V為

圖2 防積分飽和電荷放大器Fig．2 Anti?saturation charge amplifier

式中：Q——料位計(jì)輸出電荷；A——運(yùn)放開環(huán)增益；C——反饋電容；ω——信號角頻率；R——反饋電阻；C——傳感器等效電容、線纜分布電容和運(yùn)放輸入電容等效值；R——傳感器漏電阻和運(yùn)放輸入電阻等效值。

由于A 很大，公式（1）可以簡化為

由此可見，前置電荷放大器輸出電壓正比于輸入電荷，放大倍數(shù)取決于反饋電容和電阻，而與分布電容、輸入阻抗等無關(guān)。 其中，電容起決定作用，電阻減小低頻放大倍數(shù)，當(dāng)被測信號頻率較高時，有

則公式（2）可進(jìn)一步化簡為

為防止電荷放大器因積分飽和導(dǎo)致輸出信號失真，設(shè)計(jì)一種放電復(fù)位電路，在輸入信號過零點(diǎn)時強(qiáng)制對積分器（電容C）放電復(fù)位，其電路組成如圖2 虛線以上部分所示，主要由N 溝道增強(qiáng)型場效應(yīng)管Q、P 溝道增強(qiáng)型場效應(yīng)管Q、耦合電容C及對應(yīng)的控制信號V構(gòu)成。 其中，V直接取自傳感器的驅(qū)動信號，與傳感器輸出信號Q 同相位、同頻率。

積分信號波形圖如圖3 所示，防積分飽和原理為：當(dāng)Q 由負(fù)變正過零時，如圖3 中A 點(diǎn)所示，V由低電平變高電平，并通過電容C耦合至場效應(yīng)管Q、Q的柵極；此時，Q的柵源電壓為正，且高于開啟電壓，Q導(dǎo)通，將電容C短路，泄放掉多余的電荷，使得V強(qiáng)制“過零”。 此后Q 進(jìn)入正半周，V相應(yīng)進(jìn)入負(fù)半周，則Q漏源電壓V等于V－V，為負(fù)，Q斷開，電路恢復(fù)為積分狀態(tài)。

圖3 積分信號波形圖Fig．3 Waveform of integral signal

同理，當(dāng)Q 由正變負(fù)過零時，如圖3 中B 點(diǎn)所示，V由高電平變低電平，Q的柵源電壓為負(fù)，且低于開啟電壓，Q導(dǎo)通，將電容C短路，泄放掉多余電荷；此后V進(jìn)入正半周，Q漏源電壓V為正，Q斷開，電路正常積分。 如此往復(fù)，確保積分電路正常工作。

2．3 無限增益多路反饋帶通濾波器設(shè)計(jì)

由于V信號較小，且含有較多雜波，尤其是在料位計(jì)起振初始階段，為提高信號質(zhì)量，加快信號收斂速度，設(shè)計(jì)無限增益多路反饋二階帶通濾波器對其進(jìn)行濾波和放大處理，如圖4 所示。 取反饋電容C＝C＝C，可得傳遞函數(shù)為

圖4 無限增益多路反饋帶通濾波器Fig．4 Infinite gain multi?channel feedback bandpass filter

式中：V——濾波器輸出電壓；R、R、R——電阻值。

中心頻率f為

中心頻率處增益H（jf）為

電路帶寬B 為

取C ＝2.2 nF，R＝R＝56 kΩ，R＝187 kΩ，則f＝1 000 Hz，等于傳感器固有頻率；H（jf） ＝－1．67，B ＝774 Hz。

為驗(yàn)證濾波特性，設(shè)置輸入信號V為100 mV（峰峰值），1 kHz 正弦波，并在其上疊加白噪聲，模擬現(xiàn)場干擾，帶寬設(shè)置為100 kHz，通過Multisim 仿真，如圖5 所示。 可以看出，經(jīng)過二階帶通濾波后，輸出信號V為光滑正弦波，幅值167 mV（峰峰值），相對于V放大1.67 倍，產(chǎn)生180°相移，與理論設(shè)計(jì)一致。

圖5 濾波器仿真波形圖Fig．5 Simulation waveform of filter

2．4 精密檢波電路設(shè)計(jì)

料位計(jì)輸出信號經(jīng)過電荷放大和濾波后，轉(zhuǎn)換為正弦波電壓信號輸出，為了檢測其幅值變化，需要對其整流，轉(zhuǎn)換為直流信號。 傳統(tǒng)方式采用無源二極管全波整流，由于二極管自身壓降原因，輸出與輸入幅值相差兩支二極管的開啟電壓2U，當(dāng)輸入信號較小時，波形嚴(yán)重失真，甚至不能導(dǎo)通。

因此，設(shè)計(jì)的精密檢波電路由精密半波整流電路和濾波電路構(gòu)成，如圖6 所示，利用運(yùn)放深度負(fù)反饋消除二極管開啟電壓對微弱信號的影響。精密半波整流過程如下：

圖6 精密檢波電路Fig．6 Precision detection circuit

（1）當(dāng)V＞V時，運(yùn)放輸出小于0，導(dǎo)致二極管D導(dǎo)通，D截止，從而構(gòu)成反相放大器，其輸出為

（2）當(dāng)V＜V時，運(yùn)放輸出大于0，導(dǎo)致二極管D截止，D導(dǎo)通，V＝V。 即

由公式（10）可知，V在一定情況下，增加放大倍數(shù)R／R，可以增大V的變化量，以提高靈敏度，減小后級比較電路誤動作的風(fēng)險。 控制R／R的增加程度，使得無物料時，V正半波經(jīng)過整流、反相放大后由于運(yùn)放輸出限幅，導(dǎo)致V負(fù)半波限幅至GND；而有物料時，由于V本身很小，放大倍數(shù)對V影響相對不大。 結(jié)合V變化范圍綜合優(yōu)化測試，取R／R＝4．6。

V經(jīng)過精密半波整流后，通過電阻R對電容C進(jìn)行充放電濾波，轉(zhuǎn)換為平滑的直流電平。 通過Multisim 仿真，設(shè)置輸入V為1.160 V（峰峰值），1 kHz正弦波，偏置V，通過示波器觀察V、V波形如圖7（a）所示，為方便觀察，V沿Y 軸偏移－V。 波形圖顯示，仿真結(jié)果與理論設(shè)計(jì)一致，經(jīng)過整流、濾波后，V轉(zhuǎn)換為平滑的直流電平，幅值為0.69 V。

當(dāng)物料覆蓋料位計(jì)探頭時，振幅減弱，V輸出減小。 設(shè)置V的幅值為0.310 V（峰峰值），再次進(jìn)行仿真，如圖7（b）所示，V為1.82 V，相對于無物料，變化量為1.13 V，足夠后端比較電路識別。

圖7 精密檢波電路仿真波形圖Fig．7 Simulation waveform of precision detection circuit

2．5 兩級比較電路設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)兩級比較電路以完成精密檢波后的直流電平變化判斷，如圖8 所示。 其中，開關(guān)S配合可調(diào)電阻器R實(shí)現(xiàn)靈敏度調(diào)節(jié)功能，根據(jù)現(xiàn)場物料的阻尼情況，控制比較電壓大小。 電阻R、R構(gòu)成滯回比較電路，防止門限電壓附近發(fā)生抖動。 第一級比較完成后，經(jīng)過RC 濾波，進(jìn)行第二級比較。此處，RC 充電回路為D、R、C，RC 放電回路為C、R、D，設(shè)置不同的電阻值，即可控制電容充、放電時間，實(shí)現(xiàn)料位計(jì)動作時間和恢復(fù)時間的不同控制。 通過兩級比較，配合靈敏度調(diào)節(jié)、滯回特性設(shè)置和充放電時間控制，可以有效消除物料松動帶來的輸出抖動等虛假報警信號，實(shí)現(xiàn)料位的可靠監(jiān)測。

圖8 兩級比較電路Fig．8 Two?stage comparison circuit

2．6 邏輯控制設(shè)計(jì)

邏輯控制電路包括邏輯切換模塊、指示燈模塊和隔離輸出模塊，如圖9 所示。 其中，三個場效應(yīng)管均為N 溝道增強(qiáng)型場效應(yīng)管；邏輯切換模塊實(shí)現(xiàn)V輸出電平極性翻轉(zhuǎn)，方便用戶根據(jù)報警邏輯進(jìn)行選擇；指示燈模塊實(shí)現(xiàn)就地指示；隔離輸出模塊通過光耦實(shí)現(xiàn)電氣隔離，提高抗干擾能力，輸出形式為集電極開路輸出。 其工作過程如下：

圖9 邏輯控制電路Fig．9 Logic control circuit

（1）開關(guān)S斷開，V為高時，Q導(dǎo)通，V為低，Q截止，V為高，V為高（外接上拉電阻）；Q導(dǎo)通，D被短路，指示燈滅。 反之，V為低時，V為低，指示燈亮。

（2）開關(guān)S閉合，將V與V短接，則與S斷開相比，V實(shí)現(xiàn)了極性翻轉(zhuǎn)，因此，后續(xù)輸出和指示燈均實(shí)現(xiàn)極性翻轉(zhuǎn)。

3 試驗(yàn)測試

3．1 功能正常性測試

選取壓電料位計(jì)進(jìn)行試驗(yàn)測試，將料位計(jì)輸出連接至檢測電路輸入端V，通電測試，通過示波器觀察V、V、V波形，如圖10 所示。 電荷放大器輸出V為不光滑正弦波，幅值為0.690 V（峰峰值），且在“過零”處有明顯“滯停”現(xiàn)象，是防積分飽和電路強(qiáng)制放電復(fù)位的結(jié)果；V經(jīng)過二階帶通濾波器濾除雜波信號后，轉(zhuǎn)換為光滑正弦波V輸出，幅值為1.160 V（峰峰值），放大1.68 倍，相位不變；精密檢波電路對小信號正弦波V進(jìn)行精密整流、RC 濾波，轉(zhuǎn)換為平滑的直流電平V輸出，幅值為0.710 V。 實(shí)際測試波形及數(shù)據(jù)與理論計(jì)算和仿真分析吻合，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，功能正常。

圖10 功能測試波形圖Fig．10 Waveform of function test

3．2 料位報警測試

無物料時，料位計(jì)探頭振幅大，輸出電荷Q 大，相應(yīng)的V變小，V為低電平，V輸出低電平，指示燈亮；反之，有物料時，V變大，V為高電平，V輸出高電平，指示燈滅，各輸出點(diǎn)狀態(tài)變化如表1 所示。 對料位計(jì)探頭施加一定阻尼模擬有物料狀態(tài)，通過示波器觀察V、V和V波形，如圖11所示。 V幅值為0.185 V（峰峰值），V幅值為0.310 V（峰峰值），放大1. 68 倍；V幅值為1.800 V；對比圖10，相較于無阻尼時，V幅值變化量為1.090 V，以上數(shù)據(jù)與理論設(shè)計(jì)和仿真分析均保持一致。 同時，無阻尼時，V輸出低電平，指示燈亮；有阻尼時，V輸出高電平，指示燈滅，實(shí)現(xiàn)了料位監(jiān)測報警。

表1 各輸出點(diǎn)狀態(tài)表（S1B斷開）Tab．1 Status of each output point （S1B off）

圖11 施加阻尼后波形圖Fig．11 Waveform after damping is applied

4 結(jié)束語

設(shè)計(jì)了一種用于壓電料位計(jì)的微弱信號檢測電路，通過理論計(jì)算、仿真分析和試驗(yàn)測試對比，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性和正確性。 本方法僅需單極性電源供電即可處理交流信號，簡化了電路，能夠根據(jù)現(xiàn)場工況調(diào)節(jié)靈敏度大小，根據(jù)用戶需要設(shè)置輸出信號極性，避免物料松動造成的虛假報警，實(shí)現(xiàn)物料的可靠監(jiān)測，具備工業(yè)應(yīng)用價值和前景。