声发射检测仪前置放大器设计

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［12］。

11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。［34］

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。

12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［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=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 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］ 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.