声发射检测仪前置放大器设计

发布日期：2017-03-13 16:57　　　浏览次数：次

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40kHz～200kHz，增益为40dB。
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[1-2]。
1．1 放大部分设计

采用美国物理声学公司的PCI一1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0．2 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40dB，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，在一3 dB时的带宽达到i0 MHz，压摆率为240 V／μ-s。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40dB，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。[3-4]。

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。

1．2 电源部分设计

由于放大器NE5532‘叫采用±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DC—DC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。“。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一1．25(1+R7／R6)，由公式可知输出电压仅与R6、R7数值有关，因1．25 V为基准电压恒定不变．若R6、R7阻值稳定则Uo亦稳定。
1．3 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的末端需要分别接人一个100μF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06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。

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i01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 Low—Noise Opera—tional Amplifiers[EB／OI。]．(201 5—01—01)[2015—04—15]http：／／www．ti．com．cn／cn／lit／ds／symlink／ne5532．pdf．

[6]STMicroelectronics group of companies．MC34063一ABD—TR—md．[EB／OI。]．(2013—09—01)[2015—04—15]http 1||www．st．eom／／stonline／md／dm00074996／MC34063ABD--TR—md．zip&fileType=pdf＆．fileName=MC34063ABD—TR．

[7]远坂俊昭．测量电子电路设计一模拟篇[M]．彭军，译．北京：科学出版社，2006．

作者简介：

孙涛(1979一)，男，硕士，讲师，主要研究方向：智能仪表测量、嵌入式应用。

韩东轩(1995一)，男，本科在读，主要研究方向：嵌入式设计。

罗守品(1994一)，男，本科在读，主要研究方向：嵌入式设计。

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