声发射检测仪前置放大器设计
2016-02-29
作者:孙涛,韩东轩,罗守品,欧阳运涛
来源:2016年微型机与应用第1期
摘要:现有前置放大器的带宽为100~300 kHz,在测量过程中将一些有用的低频信号滤除了。为此本文设计了一套低频声发射前置放大器,给出电路原理图,并对电路进行了分析与验证。结果表明设计的前置放大器低频截止频率可达到30 kHz,改善了声发射检测仪的探测性能,满足设计要求。
关键词:声发射;前置放大器;幻象电源
0引言
材料受变形和断裂时所产生瞬态弹性波的现象称为声发射(Acoustic Emission, AE) ,有时也称为应力波发射。由材料发射出的声音信号包含着反映材料内部缺陷、性质以及状态变化的信息。声发射检测就是接收这些信号,对其进行分析处理,从而推断出材料内部的变化。声发射检测要在某一频率范围内进行,这一范围称为声发射检测“频率窗口”。
飞机在服役过程中由于外界环境(如气温、湿度、紫外线辐射、酸雨等)作用、表面处理和涂层缺陷、多余物堵塞排水孔等都可能引起局部腐蚀,产生的腐蚀会影响材料的组织结构性能,并产生疲劳裂纹。在第一时间发现各类缺陷并对缺陷进行检测和危害程度评估,对于保障飞机的安全飞行具有十分重要的意义。目前声发射检测仪的前置放大器带宽为100~300 kHz,这会将一些有用的低频特性滤除掉,因此设计一种低频特性的前置放大器显得尤为重要。本文设计了一款低频声发射前置放大器,其频率在40 kHz~200 kHz,增益为40 dB。
1前置放大器设计方案
前置放大器主要由放大部分、电源部分和信号隔离部分组成。放大部分负责小信号的放大,其设计的好坏直接影响放大器的工作特性;电源部分负责前置放大器的供电,电源的品质也极大影响前置放大器的品质;由于目前前置放大器的信号线与电源线共用一根同轴电缆,信号隔离部分负责将输出的信号和电源隔离开来[12]。
11放大部分设计
采用美国物理声学公司的PCI-1型原声发射检测仪,其附带的前置放大器为28 V直流供电,供电电流为02 A;频率在100~300 kHz,传感器接口采用单端和差分两种输入模式,增益20 dB、40 dB和60 dB可调。由于传感器在差分模式下存在灵敏度低、反应迟缓等问题,因此在使用中采用单端模式,即传感器同相端输入,反相端接地。因使用过程中放大器增益采用40 dB,所以本设计将前置放大器的增益设计为固定40 dB增益。
由于传感器信号为毫伏级,要将信号放大40 dB,且频率在30 kHz~200 kHz,显然采用单运放不能实现,为此采用二级运放。首先选择一款合适的电压反馈型高速运放,要求其采用正负电源供电,具有高的带宽,满足在100 kHz放大100倍而不失真的要求。通过比较筛选,采用TI的运放芯片NE5532,其工作电压为±5 V~±15 V,在-3 dB时的带宽达到10 MHz,压摆率为240 V/μs。为了提高放大器的增益带宽积,设计为一级和二级分别放大10倍,最终将信号放大100倍。由于放大电路存在一定的损耗,以及电阻阻值的不精确性,使得放大倍数不能精确到40 dB,可以将后一级电阻R7换为可调电阻,实现放大倍数的微调,放大电路原理图如图1所示。[34]
图3MC34063负电源产生电路对其采用Multisim进行仿真,其在37 dB的截止频率达到578 kHz,完全满足设计要求。图2为放大器的波特曲线图,由图可以看出其效果相当完美。
12电源部分设计
由于放大器NE5532[5]采用±15 V电源供电,所以需要提供一个负电源。负电源可以通过变压器得到,也可以通过DCDC电路得到。通过变压器简单,但是体积巨大,不适合小型化,所以通常采用DC芯片得到,本设计选择常用的DC芯片MC34063[6]。MC34063具有温度自动补偿功能的基准电压发生器、比较器、占空比可控的振荡器,可用于升压变换器、降压变换器、反向器,仅需要少量的外部元器件。
图3为采用MC34063芯片构成的开关反压电路。电阻R5控制系统的电流,C5用来设置DC芯片的开关频率,电容越小开关频率越高。当芯片内部开关管T1导通时,电流经MC34063的1脚、2脚和电感L2流到地,电感L2存储能量。当T1断开时,由于流经电感的电流不能突变,因此,续流二极管D1导通。此时,L2经D1向负载输出负电压。这样,只要芯片的工作频率相对负载的时间常数足够高,负载上便可获得连续直流电压。比较器的反相输入端(引脚5)通过外接分压电阻R6、R7监视输出电压,其输出电压Uo=125(1+R7/R6),由公式可知输出电压仅与R6、R7数值有关,因125 V为基准电压恒定不变,若R6、R7阻值稳定则Uo亦稳定。
13信号隔离部分设计
前置放大器的供电可以采用外接电源形式供电,还可以通过幻象电源供电。外接电源供电具有信号低频特性好的优点,也是早期前置放大器的供电方案。但是,此类供电也有不足,就是每个前置放大器上需要单独的外接电源供电,在通道较多、测量距离较长情况下接线移动非常不便。而幻象电源供电原理如图4所示,信号与电源共用一根同轴电缆,C7和C8隔离直流信号,而L1和L6隔离交流信号。C7和C8除了采用极性电容外,也可以采用无极性电容,例如102或者104等[7]。
电感L1和L6用来隔除系统的信号,在L1和L6的末端需要分别接入一个100 μF左右的电容,与电感构成滤波电路,滤掉系统交流分量。其中L1端所加的电容C9如图3所示,而与L6相连的电容由于在数据采集板上,所以没有标出。L1和L6的取值直接影响着放大器的工作特性,当其取值1 mH时信号的低频截止频率大约20 kHz,增大L1和L6的电感可以降低信号的低频截至频率,本设计取L1和L6为1 mH,满足系统要求。
2系统性能测试及结论
设计的前置放大器实物如图5所示,左端为信号的输入端,右端为经过放大的信号输出端。对整个前置放大器进行测试,为了保证测量的准确性,信号输入端通过信号发生器代替声发射传感器,测试右端设计如图4右端所示的电路,其中L6末端接+28 V直流电源,示波器输入端接C8的负端,构成一个完整的测量通路。
图6示波器输出波形通过电感L6和同轴电缆给系统提供28 V直流电源,当信号发生器输入幅值为20 mVpp的正弦信号时,分别在40 kHz、100 kHz、200 kHz、300 kHz的频率下测试该前置放大器输出端,示波器的输出波形如图6(a)~(d)。实验证明了硬件设计的正确性,完全满足当初的设计要求。
参考文献
[1] 李国志.声检测仪的前置放大器设计[J].光学机械,1988(4):76-79.
[2] 李明明,李宏,王晨波,等.基于FPGA与单片机的音频频谱分析系统设计[J].微型机与应用,2013,32(1):34-36
[3] 稻叶保.模拟技术应用技巧101例[M].关静,胡圣尧,译.北京:科学出版社,2006.
[4] 川田章弘.OP放大电路活用技巧[M].崔东应,译.北京:科学出版社,2012.
[5] 德州仪器公司.NE5532x, SA5532x Dual LowNoise Operational Amplifiers[EB/OL](2015-01-01) [2015-04-15] http://wwwticomcn/cn/lit/ds/ symlink/ ne5532pdf.
[6] STMicroelectronics group of companies. MC34063- ABD-TR_md. [EB/OL].(2013-09-01) [2015-04-15]http://wwwstcom//stonline/md/dm00074996/MC34063ABD-TR_md.zip&fileType=pdf&fileName=MC34063ABD-TR.
[7] 远坂俊昭.测量电子电路设计-模拟篇[M].彭军,译.北京:科学出版社,2006.