聲發(fā)射檢測儀前置放大器設計*

孫 濤，韓東軒，羅守品，歐陽運濤

(西南科技大學，四川 綿陽 621010)

聲發(fā)射檢測儀前置放大器設計*

孫 濤，韓東軒，羅守品，歐陽運濤

(西南科技大學，四川 綿陽 621010)

現(xiàn)有前置放大器的帶寬為100～300 kHz，在測量過程中將一些有用的低頻信號濾除了。為此本文設計了一套低頻聲發(fā)射前置放大器，給出電路原理圖，并對電路進行了分析與驗證。結果表明設計的前置放大器低頻截止頻率可達到30 kHz，改善了聲發(fā)射檢測儀的探測性能，滿足設計要求。

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) ，有時也稱為應力波發(fā)射。由材料發(fā)射出的聲音信號包含著反映材料內(nèi)部缺陷、性質(zhì)以及狀態(tài)變化的信息。聲發(fā)射檢測就是接收這些信號，對其進行分析處理，從而推斷出材料內(nèi)部的變化。聲發(fā)射檢測要在某一頻率范圍內(nèi)進行，這一范圍稱為聲發(fā)射檢測“頻率窗口”。

飛機在服役過程中由于外界環(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)生的腐蝕會影響材料的組織結構性能，并產(chǎn)生疲勞裂紋。在第一時間發(fā)現(xiàn)各類缺陷并對缺陷進行檢測和危害程度評估，對于保障飛機的安全飛行具有十分重要的意義。目前聲發(fā)射檢測儀的前置放大器帶寬為100～300 kHz，這會將一些有用的低頻特性濾除掉，因此設計一種低頻特性的前置放大器顯得尤為重要。本文設計了一款低頻聲發(fā)射前置放大器，其頻率在40 kHz～200 kHz，增益為40 dB。

1 前置放大器設計方案

前置放大器主要由放大部分、電源部分和信號隔離部分組成。放大部分負責小信號的放大，其設計的好壞直接影響放大器的工作特性；電源部分負責前置放大器的供電，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線與電源線共用一根同軸電纜，信號隔離部分負責將輸出的信號和電源隔離開來[1-2]。

1.1 放大部分設計

采用美國物理聲學公司的PCI-1型原聲發(fā)射檢測儀，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、反應遲緩等問題，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。因使用過程中放大器增益采用40 dB，所以本設計將前置放大器的增益設計為固定40 dB增益。

由于傳感器信號為毫伏級，要將信號放大40 dB，且頻率在30 kHz～200 kHz，顯然采用單運放不能實現(xiàn)，為此采用二級運放。首先選擇一款合適的電壓反饋型高速運放，要求其采用正負電源供電，具有高的帶寬，滿足在100 kHz放大100倍而不失真的要求。通過比較篩選，采用TI的運放芯片NE5532，其工作電壓為±5 V～±15 V，在-3 dB時的帶寬達到10 MHz，壓擺率為240 V/μs。為了提高放大器的增益帶寬積，設計為一級和二級分別放大10倍，最終將信號放大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，可以將后一級電阻R7換為可調(diào)電阻，實現(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負電源產(chǎn)生電路

對其采用Multisim進行仿真，其在37 dB的截止頻率達到578 kHz，完全滿足設計要求。圖2為放大器的波特曲線圖，由圖可以看出其效果相當完美。

圖2 放大器的波特圖

1.2 電源部分設計

由于放大器NE5532[5]采用±15 V電源供電，所以需要提供一個負電源。負電源可以通過變壓器得到，也可以通過DC-DC電路得到。通過變壓器簡單，但是體積巨大，不適合小型化，所以通常采用DC芯片得到，本設計選擇常用的DC芯片MC34063[6]。MC34063具有溫度自動補償功能的基準電壓發(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芯片構成的開關反壓電路。電阻R5控制系統(tǒng)的電流，C5用來設置DC芯片的開關頻率，電容越小開關頻率越高。當芯片內(nèi)部開關管T1導通時，電流經(jīng)MC34063的1腳、2腳和電感L2流到地，電感L2存儲能量。當T1斷開時，由于流經(jīng)電感的電流不能突變，因此，續(xù)流二極管D1導通。此時，L2經(jīng)D1向負載輸出負電壓。這樣，只要芯片的工作頻率相對負載的時間常數(shù)足夠高，負載上便可獲得連續(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，因1.25 V為基準電壓恒定不變，若R6、R7阻值穩(wěn)定則Uo亦穩(wěn)定。

1.3 信號隔離部分設計

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

圖4 幻象電源供電原理

電感L1和L6用來隔除系統(tǒng)的信號，在L1和L6的末端需要分別接入一個100 μF左右的電容，與電感構成濾波電路，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，所以沒有標出。L1和L6的取值直接影響著放大器的工作特性，當其取值1 mH時信號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的低頻截至頻率，本設計取L1和L6為1 mH，滿足系統(tǒng)要求。

2 系統(tǒng)性能測試及結論

設計的前置放大器實物如圖5所示，左端為信號的輸入端，右端為經(jīng)過放大的信號輸出端。對整個前置放大器進行測試，為了保證測量的準確性，信號輸入端通過信號發(fā)生器代替聲發(fā)射傳感器，測試右端設計如圖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的負端，構成一個完整的測量通路。

圖5 前置放大器實物

圖6 示波器輸出波形

通過電感L6和同軸電纜給系統(tǒng)提供28 V直流電源，當信號發(fā)生器輸入幅值為20 mVpp的正弦信號時，分別在40 kHz、100 kHz、200 kHz、300 kHz的頻率下測試該前置放大器輸出端，示波器的輸出波形如圖6(a)～(d)。實驗證明了硬件設計的正確性，完全滿足當初的設計要求。

[1] 李國志．聲檢測儀的前置放大器設計[J]．光學機械，1988(4):76-79.

[2] 李明明,李宏,王晨波,等.基于FPGA與單片機的音頻頻譜分析系統(tǒng)設計[J].微型機與應用,2013,32(1):34-36

[3] 稻葉保．模擬技術應用技巧101例[M]．關靜，胡圣堯，譯．北京：科學出版社，2006.

[4] 川田章弘．OP放大電路活用技巧[M]．崔東應，譯．北京：科學出版社，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] 遠坂俊昭．測量電子電路設計-模擬篇[M]．彭軍，譯．北京：科學出版社，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

四川省大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目(201510619034);西南科技大學大學生創(chuàng)新項目(CX15-081)

TP274

A

1674-7720(2016)01-0033-03

孫 濤，韓東軒，羅守品，等.聲發(fā)射檢測儀前置放大器設計[J].微型機與應用，2016，35(1)：33-35.

2015-09-13)

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

韓東軒(1995-)，男，本科在讀，主要研究方向：嵌入式設計。

羅守品(1994-)，男，本科在讀，主要研究方向：嵌入式設計。