電渦流傳感器前置放大器的設(shè)計(jì)

周國(guó)揚(yáng) 江國(guó)棟

(1.江蘇蘇美達(dá)五金工具有限公司，南京 210061；2.南京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院能源與電氣工程學(xué)院，南京 210046)

電渦流傳感器前置放大器的設(shè)計(jì)

周國(guó)揚(yáng)1江國(guó)棟2

(1.江蘇蘇美達(dá)五金工具有限公司，南京 210061；2.南京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院能源與電氣工程學(xué)院，南京 210046)

電渦流傳感器檢測(cè)導(dǎo)電材料時(shí)會(huì)產(chǎn)生微弱的電流信號(hào)，要實(shí)現(xiàn)測(cè)量的高靈敏度和穩(wěn)定性，前置放大器抑制噪聲、漂移是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。首先，建立放大器噪聲模型找出主要噪聲源，用帶通濾波網(wǎng)絡(luò)抑制寬帶噪聲；其次，選用直流負(fù)反饋放大器抑制增益漂移，超級(jí)伺服電路抑制直流電平漂移；最后，通過(guò)PCB板插孔銅鍍層測(cè)厚儀的前置放大器進(jìn)行電路理論分析、仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果表明：前置放大器能將微弱信號(hào)從噪聲中分離出來(lái)，放大后信號(hào)電平足以進(jìn)行后續(xù)的信號(hào)處理和顯示，并滿足信號(hào)電平分辨率在1μm以下的要求。

前置放大器 電渦流傳感器 微弱信號(hào) 漂移

電渦流檢測(cè)技術(shù)是以電磁感應(yīng)原理為基礎(chǔ)建立的一種無(wú)損檢測(cè)方法[1～3]。不同導(dǎo)電材料制作的工件在交變磁場(chǎng)作用下會(huì)產(chǎn)生不同振幅和相位的渦流值，從而可以檢測(cè)出工件的缺陷，或測(cè)量出工件鍍層和涂膜的厚度。電渦流傳感器拾取感應(yīng)電壓很小，信號(hào)常常淹沒(méi)在噪聲中，而無(wú)法直接提取和處理。前置放大器用來(lái)抑制噪聲并放大和提取感應(yīng)信號(hào)，文獻(xiàn)[4]介紹了前置放大器采用平衡電橋加差分放大器AD830的方案；文獻(xiàn)[5，6]采用儀表放大器AD620對(duì)感應(yīng)信號(hào)進(jìn)行放大，二者均采用差分電路抑制共模噪聲，而未通過(guò)控制帶寬來(lái)抑制寬帶噪聲，即使后續(xù)用軟件小波去噪提高了信噪比，但是改善信噪比的效果相當(dāng)有限，同時(shí)未采用措施抑制放大器漂移，會(huì)造成增益誤差和直流電平偏移，很難保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

為了解決上述問(wèn)題，前置放大器應(yīng)具有抑制噪聲和漂移的功能，把感興趣的微弱信號(hào)從干擾噪聲中分離出來(lái)，并將信號(hào)放大到足夠進(jìn)行后續(xù)信號(hào)處理和顯示。其中涉及前置放大器，為了獲得更好的性能，采用兩級(jí)運(yùn)放級(jí)聯(lián)的直流放大電路，避免了交流耦合所用電容器等儲(chǔ)能元件存在恢復(fù)時(shí)間的問(wèn)題，從而影響放大器性能；將放大器配置成深度負(fù)反饋以抑制增益漂移；采用超級(jí)伺服電路抑制放大電路直流電平漂移；應(yīng)用帶通濾波網(wǎng)絡(luò)提高放大電路的選擇性，用窄帶濾波方式抑制寬帶噪聲，突出有用信號(hào)。在理論分析和仿真試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過(guò)印刷線路板(Printed Circuit Board，PCB)插孔銅鍍層測(cè)厚儀電渦流傳感器的前置放大器進(jìn)行進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 電渦流傳感器原理

電渦流檢測(cè)是基于電磁感應(yīng)原理的一種無(wú)損檢測(cè)方法[7，8]，它適用于各種導(dǎo)電試件的檢測(cè)。電渦流傳感器傳感檢測(cè)方法有阻抗方式和發(fā)射-接收方式兩種。發(fā)射-接收方式的接收線圈由兩個(gè)反向繞制的匹配線圈串聯(lián)組成(又稱差分線圈)，對(duì)接收線圈溫漂和外部共模干擾有抑制作用，因此，發(fā)射-接收方式傳感器性能優(yōu)于阻抗方式。PCB板插孔銅鍍層測(cè)厚儀電渦流傳感器選用發(fā)射-接收方式，電渦流傳感器發(fā)射-接收方式的原理如圖1所示。

圖1 發(fā)射-接收方式工作原理示意圖

當(dāng)給發(fā)射線圈施加一個(gè)交變電流為i1的激勵(lì)信號(hào)時(shí)，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，在發(fā)射線圈周圍會(huì)產(chǎn)生一個(gè)交變磁場(chǎng)B1，這個(gè)場(chǎng)稱為一次場(chǎng)。如果把發(fā)射線圈靠近被測(cè)導(dǎo)體試件，B1會(huì)在導(dǎo)體試件內(nèi)感應(yīng)出一個(gè)渦流信號(hào)i2；同樣i2也會(huì)在周圍產(chǎn)生一個(gè)交變磁場(chǎng)B2，這個(gè)場(chǎng)稱為二次場(chǎng)。根據(jù)楞次定律，B2會(huì)阻礙一次場(chǎng)B1的變化并使B1減弱，兩個(gè)磁場(chǎng)在空間形成一個(gè)疊加磁場(chǎng)，被測(cè)試件愈厚，衰減量愈大。B2在接收線圈產(chǎn)生感應(yīng)電壓，由于接收線圈垂直安裝，靠近被測(cè)試件感應(yīng)最強(qiáng)，引起兩個(gè)線圈感應(yīng)電壓不平衡，從而得到一個(gè)電渦流接收信號(hào)。接收線圈得到毫伏級(jí)微弱信號(hào)，圖2為實(shí)際電渦流傳感器的接收信號(hào)，可以看出，信號(hào)淹沒(méi)在噪聲中難以分辨，無(wú)法進(jìn)行后續(xù)信號(hào)處理。

圖2 電渦流傳感器的接收信號(hào)

2 前置放大器設(shè)計(jì)

2.1設(shè)計(jì)要求

根據(jù)圖2所示的電渦流傳感器接收信號(hào)的特征，要從噪聲中提取信號(hào)，渦流檢測(cè)用的前置放大器應(yīng)具有以下基本特點(diǎn)：

a. 靈敏度必須足以給出適用于處理和顯示的信號(hào)電平；

b. 信噪比必須足夠大，以使感興趣的最小信號(hào)能與噪聲清楚地區(qū)別開來(lái)；

c. 放大器電路的選擇性必須能突出有用信號(hào)，并濾除干擾噪聲信號(hào)；

d. 放大電路有相當(dāng)高的穩(wěn)定性，無(wú)需經(jīng)常調(diào)整電路參數(shù)；

e. 響應(yīng)速度足夠快，以便在掃描檢查時(shí)，能顯示全部有用信號(hào)；

f. 設(shè)計(jì)需滿足各種環(huán)境條件，如溫度、振動(dòng)等。

對(duì)于PCB板插孔銅鍍層測(cè)厚儀，應(yīng)用電渦流檢測(cè)技術(shù)對(duì)PCB通孔的銅鍍層厚度進(jìn)行測(cè)量。銅鍍層導(dǎo)體的檢測(cè)頻率約為300kHz，屬于高頻微弱信號(hào)檢測(cè)的技術(shù)范疇[9～12]。

2.2方案和電路

前置放大器的設(shè)計(jì)方案如圖3所示。電渦流傳感器產(chǎn)生的接收信號(hào)源i1(t)經(jīng)帶通濾波網(wǎng)絡(luò)窄帶濾波后，其帶寬大幅度縮小，從而有效抑制信號(hào)中的噪聲，使放大器有足夠高的信噪比；去噪后的接收信號(hào)i1(t)經(jīng)反相、同相兩級(jí)直流放大，其電壓增益K1K2，輸出信號(hào)u2(t)有足夠高的輸出電平，保證了檢測(cè)所需的高靈敏度；運(yùn)算放大器電路自身存在直流漂移，經(jīng)高增益直流放大后會(huì)產(chǎn)生高的直流電平偏移，嚴(yán)重影響測(cè)量精度，故引入由放大器和積分電路構(gòu)建的超級(jí)伺服電路來(lái)抑制直流電平偏移[13]，以上技術(shù)措施保證前置放大器具有設(shè)計(jì)要求的基本特點(diǎn)。前置放大器設(shè)計(jì)包括：放大器的噪聲分析、帶通濾波網(wǎng)絡(luò)、高增益負(fù)反饋直流放大器和超級(jí)伺服電路的電路設(shè)計(jì)。

圖3 前置放大器設(shè)計(jì)方案

2.2.1放大器的噪聲分析

前置放大器為了獲得更好的性能，采用兩級(jí)直流放大器級(jí)聯(lián)。一般來(lái)說(shuō)，第1級(jí)采用最高的增益。這樣第1級(jí)的噪聲源將占主要部分，后面幾級(jí)引起的誤差就可以忽略不計(jì)。很多情況下，第1級(jí)運(yùn)放用低噪聲高頻寬帶運(yùn)放，后面幾級(jí)則采用低成本的運(yùn)放，從而獲得高性價(jià)比的系統(tǒng)。

放大器噪聲源[9～12]如圖4所示，圖中信號(hào)源內(nèi)阻Rs的熱噪聲為et，Rf的熱噪聲為ef；en和in分別為放大器的輸入噪聲電壓密度和噪聲電流密度。設(shè)et、en和in互不相關(guān)，K=Rf/Rs，輸出噪聲電壓密度eno的計(jì)算式為：

(1)

圖4 放大器噪聲源

由式(1)可知，減小Rs就可以減小et和inRs。將eno折合到輸入，輸入噪聲密度eni=eno/(K+1)，計(jì)算eni與et、en和inRs的比值，如果比值大于3，該項(xiàng)噪聲源可以忽略不計(jì)，從中可以找出主要噪聲源。

電渦流傳感器接收信號(hào)源屬于低阻，考慮到阻抗匹配條件，可滿足Rs<<1kΩ；放大電路一般選用低噪聲運(yùn)算放大器，按照ADI公司的標(biāo)準(zhǔn)：

通過(guò)引入帶通濾波網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)窄帶濾波，大幅減小了放大器的帶寬。en噪聲由1/f和寬帶噪聲組成，en可轉(zhuǎn)換為輸入噪聲均方根值Eni和峰峰值，它與帶寬BW相關(guān)，二者的關(guān)系如下：

(2)

由式(2)可知，帶寬越窄，Eni越小，窄帶濾波可有效抑制噪聲電平，從而達(dá)到減小放大器輸出總噪聲的目的；同時(shí)，濾波器中心頻率為300kHz，電路帶通頻段比1/f噪聲的拐點(diǎn)頻率大10倍以上，en的1/f噪聲便可以忽略不計(jì)，只考慮放大器的寬帶噪聲，選用低en值低噪聲運(yùn)放器件即可。

2.2.2帶通濾波網(wǎng)絡(luò)

帶通濾波網(wǎng)絡(luò)由L1C1串聯(lián)諧振回路組成，作為反相放大器的輸入電路，使放大器具有帶通濾波器功能，對(duì)輸入信號(hào)噪聲進(jìn)行窄帶濾波以抑制噪聲，前置放大器的前端電路如圖5所示。

圖5 前置放大器的前端電路

由圖5可知，放大器增益K1的計(jì)算式為：

K1=-R3/[(jωL1+1/jωC1+RL)//R1//R2]

(3)

諧振回路選用電容C1=1000pF，電感的電感量L1=282μH，品質(zhì)因數(shù)Q=30，電感電阻RL=17.7Ω。當(dāng)諧振回路諧振時(shí)，K1取得最大值，即：

K1=-R3/(RL//R1//R2)=-70

諧振回路3dB帶寬BW=f0/Q=10kHz。分析計(jì)算結(jié)果表明，選頻網(wǎng)絡(luò)諧振時(shí)產(chǎn)生低阻抗效應(yīng)使前級(jí)放大器具有高的電壓增益；同時(shí)，對(duì)信號(hào)中的噪聲進(jìn)行窄帶濾波，大幅提高了信號(hào)的信噪比。

2.2.3直流放大器

前置放大器由兩級(jí)低噪聲負(fù)反饋直流放大器級(jí)聯(lián)組成(圖5)，前級(jí)U1為反相放大器，后級(jí)U2為同相放大器。選用直流放大器可以省略放大器級(jí)間的耦合電容器，避免了耦合電容器存在恢復(fù)時(shí)間的問(wèn)題而影響放大器的性能。采用負(fù)反饋方式可使放大器增益漂移減至最小，因?yàn)樨?fù)反饋使增益成為無(wú)源元件變換系數(shù)的主要函數(shù)，而不是與溫度有很大關(guān)系的晶體管β系數(shù)或場(chǎng)效應(yīng)管跨道gm相關(guān)，運(yùn)算放大器采用深度負(fù)反饋通常十分穩(wěn)定。諧振時(shí)放大器增益K的計(jì)算式為：

K=K1K2=-R3/(RL//R1//R2)×(1+R5/R4)

(4)

(5)

根據(jù)已知的en、K和BW值，計(jì)算得到Eno=560μV。根據(jù)高斯正態(tài)分布曲線，按照±3σ標(biāo)準(zhǔn)差估算，得到噪聲峰峰值Epp=6Eno=3.36mV。由Epp值表明，信號(hào)中的噪聲分量較大，需通過(guò)后續(xù)的相敏檢波電路進(jìn)一步降噪檢波。

2.2.4超級(jí)伺服電路

OP64運(yùn)放的輸入偏移電壓Vos=1mV，在放大電路高增益K=700條件下，輸出信號(hào)會(huì)產(chǎn)生最大0.7V的直流偏移，這對(duì)精密測(cè)量電路來(lái)說(shuō)是不可接受的。通過(guò)配置積分器U3電路和低通濾波器R6C2，圍繞高頻放大器U1和U2構(gòu)建一個(gè)伺服電路系統(tǒng)來(lái)補(bǔ)償直流偏移電壓。根據(jù)線性控制系統(tǒng)理論，U1、U2和U3構(gòu)建了抗干擾單輸入單輸出(SISO)閉環(huán)控制系統(tǒng)[14，15]，系統(tǒng)輸出不受系統(tǒng)干擾Vos的影響，即對(duì)于輸入Vos(s)≠0，穩(wěn)態(tài)輸出U2(s)=0。系統(tǒng)需均衡信號(hào)帶寬與伺服放大器響應(yīng)時(shí)間，滿足伺服電路不對(duì)放大器的增益和相移產(chǎn)生影響，確保信號(hào)的完整性。伺服電路的控制系統(tǒng)框圖如圖6所示。

圖6 伺服電路的控制系統(tǒng)框圖

由圖6可得抗干擾控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為：

(6)

圖6所示的反饋控制器H(s)中包含有一個(gè)積分器(1/sτ1)，反映傳遞函數(shù)的分子在原點(diǎn)處有一個(gè)零點(diǎn)，這說(shuō)明當(dāng)s→0時(shí)期望輸出U2(s)=0，即Vos(s)≠0時(shí)輸出直流偏移為零，對(duì)直流電平偏移加以充分的抑制。

將τ1=R7C3=3.5×10-3，τ2=R6C2=2.7×10-5，代入式(6)得到的特征方程為：

s2+3.5×104s+7.4×109=0

(7)

求解方程(7)，得到主根s1,2=-1.85×104±8.4×104j，方程根軌跡都在s左半平面。根據(jù)解方程穩(wěn)定判據(jù)準(zhǔn)則，判定系統(tǒng)是穩(wěn)定的。此處的積分器U3選用低失調(diào)(Vos=10μV)、低溫漂(TCVos=0.1μV/℃)精密放大器OP77，滿足系統(tǒng)更好地抑制直流電平溫漂的要求；低通濾波器R6C2限制伺服電路帶寬，最小化控制噪聲引入到信號(hào)放大器的輸入端。

3 仿真與試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)筆者介紹的涉及前置放大器系統(tǒng)的幅相頻率特性進(jìn)行仿真試驗(yàn)，測(cè)量系統(tǒng)的帶寬和相位特性，檢驗(yàn)系統(tǒng)帶寬與伺服放大器響應(yīng)時(shí)間的均衡性；同時(shí)，通過(guò)電渦流傳感器檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)試件，用示波器測(cè)量前置放大器的輸出信號(hào)，并對(duì)波形質(zhì)量進(jìn)行分析。用以上仿真與電路試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證電路設(shè)計(jì)方案的正確性。

3.1超級(jí)伺服頻域仿真

由式(6)和已知伺服系統(tǒng)的環(huán)路參數(shù)，利用Matlab仿真生成的系統(tǒng)頻率響應(yīng)曲線如圖7所示。可以看出，當(dāng)頻率為1Hz時(shí)放大器增益約為-33dB，從工程上來(lái)說(shuō)，放大器直流增益可視為零，這說(shuō)明當(dāng)Vos=1mV時(shí)直流輸出電平為零，放大器直流偏移被充分抑制；當(dāng)頻率為300kHz時(shí)，在帶寬10kHz條件下，放大器增益約為57dB且穩(wěn)定，此時(shí)相移為0°，伺服電路對(duì)放大器的增益和相位未造成影響。由此驗(yàn)證系統(tǒng)很好地解決了放大器帶寬與伺服放大器響應(yīng)時(shí)間的均衡問(wèn)題。

圖7 頻率響應(yīng)曲線

3.2試驗(yàn)電路測(cè)試

采用電渦流傳感器測(cè)量德國(guó)Fischer公司的標(biāo)準(zhǔn)試件，測(cè)量鍍層最薄(3.5μm)和最厚(69.5μm)兩種極端條件，前置放大器的輸出波形如圖8所示。由圖分析得到，試件最厚時(shí)接收信號(hào)幅值約700mV(電壓峰峰值)，試件最薄時(shí)接收信號(hào)幅值約75mV(電壓峰峰值)，試件鍍層越厚，渦流二次場(chǎng)越強(qiáng)，接收線圈感應(yīng)電壓就大，前置放大器輸出也越大；反之，放大器輸出就變小。測(cè)量數(shù)據(jù)表明：輸出信號(hào)幅值達(dá)到足以后續(xù)處理和顯示的電平要求，放大器輸入端噪聲電平得到了充分抑制，信號(hào)從噪聲中分離出來(lái)。示波器在DC狀態(tài)下測(cè)得波形，波形上下對(duì)稱，無(wú)直流電平偏移現(xiàn)象發(fā)生，保證了測(cè)量的準(zhǔn)確性。

a. 69.5μm試件 b. 3.5μm試件圖8 前置放大器輸出波形

4 結(jié)束語(yǔ)

筆者給出了電渦流傳感器前置放大器的設(shè)計(jì)方案。在電路設(shè)計(jì)過(guò)程中，首先，進(jìn)行放大器噪聲分析并找出主要噪聲源，根據(jù)主要噪聲源是寬帶噪聲這一特點(diǎn)，引入帶通濾波網(wǎng)絡(luò)用窄帶方式抑制寬帶噪聲；其次，放大器采用直流深度負(fù)反饋方式來(lái)抑制增益漂移，構(gòu)建了抗干擾SISO系統(tǒng)組成超級(jí)伺服電路，從而抑制直流電平漂移；最后，對(duì)設(shè)計(jì)方案通過(guò)理論分析、仿真及電路試驗(yàn)等技術(shù)方法進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明，相比現(xiàn)用的一些設(shè)計(jì)方案，此前置放大器輸出信號(hào)具有高信噪比，能將有用的微弱信號(hào)從噪聲中分離出來(lái)，放大后信號(hào)電平足以進(jìn)行后續(xù)的信號(hào)處理和顯示，并滿足信號(hào)電平分辨率在1μm以下的要求。關(guān)于前置放大器的設(shè)計(jì)和微信弱信號(hào)檢測(cè)的方法具有重要的推廣意義。

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DesignofPre-amplifierforEddyCurrentSensors

ZHOU Guo-yang1, JIANG Guo-dong2

(1.JiangsuSUMECHardware&ToolsCo.,Ltd.,Nanjing210061,China; 2.CollegeofEnergyandElectricalEngineering,NanjingInstituteofIndustryandTechnology,Nanjing210046,China)

Applying eddy-current sensor to detect conductive materials can generate weak current signals. Suppressing both noise and shift becomes into the key factor in pre-amplifier design so as to achieve high sensitivity and high stability in the measurement. In which, having amplifier’s noise model built to find out main source of the noise and the band-pass filter employed to suppress broadband noise; then having amplifier with direct-current negative feedback selected to suppress the gain shifting and the super servo circuit adopted to suppress the direct-current level shifting; finally, having the pre-amplifier applied in PCB copper coating’s thickness measurement device employed for theoretical analysis, simulation and experiment. Experimental results show that, the pre-amplifier can separate weak signals from noise; and the amplified signal can satisfy subsequent requirement of the signal process and display where resolution ratio of the signal is smaller than 1um.

pre-amplifier, eddy-current sensor, weak signal, shifting

TH89

A

1000-3932(2016)11-1176-06

2016-08-15(修改稿)