高抗干擾數(shù)字自動(dòng)控制增益的聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

　　0引言

　　材料結(jié)構(gòu)受外力或內(nèi)力作用產(chǎn)生位錯(cuò)-滑移-微裂紋形成-裂紋擴(kuò)展-斷裂，以彈性波的形式釋放出應(yīng)變能的現(xiàn)象稱(chēng)為聲發(fā)射。聲發(fā)射一般是頻率為20 kHz～20 MHz左右的微弱聲波。聲發(fā)射信號(hào)來(lái)自缺陷本身，同樣大小和性質(zhì)的缺陷，由于所處的位置和所受應(yīng)力狀態(tài)的不同，其聲發(fā)射也有差別，故可用聲發(fā)射來(lái)檢測(cè)缺陷的程度或監(jiān)測(cè)運(yùn)轉(zhuǎn)的機(jī)器，例如橋梁結(jié)構(gòu)安全以及大型發(fā)電設(shè)備內(nèi)部局部放電檢測(cè)。了解來(lái)自缺陷的聲發(fā)射信號(hào)，建立聲發(fā)射信號(hào)特征模型，就可以長(zhǎng)期對(duì)缺陷的安全性進(jìn)行監(jiān)測(cè)，這是聲發(fā)射技術(shù)優(yōu)于其他方法的一個(gè)重要特點(diǎn)。聲發(fā)射傳感器不同于加速度傳感器，它靠壓電晶片自身的諧振變形把被測(cè)物體受應(yīng)力波作用時(shí)表面振動(dòng)聲波大小轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電壓信號(hào)輸出。 由于聲波在不同媒質(zhì)交界面上的反射和散射以及同一媒質(zhì)傳播都會(huì)引起聲能的衰減，實(shí)際壓電晶片接收到的聲信號(hào)已經(jīng)非常微弱，現(xiàn)場(chǎng)干擾信號(hào)可能把實(shí)際聲信號(hào)湮沒(méi)。因此，這種由壓電材料感知的微弱毫伏級(jí)電壓信號(hào)必須經(jīng)濾波放大后傳輸，才能減弱干擾信號(hào)對(duì)它的影響，并提高信噪比。因壓電晶體帶負(fù)載能力差，因此在保證精度的條件下必須提高輸入信號(hào)的放大倍數(shù)。以上要求前置放大電路不僅要有較大的輸入阻抗、高的共模抑制比、低噪聲系數(shù)性能，并滿(mǎn)足檢測(cè)高頻響特性，具有線(xiàn)性大動(dòng)態(tài)范圍，最好能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)增益，以避免小信號(hào)時(shí)放大倍數(shù)不夠，而信號(hào)較大時(shí)放大嚴(yán)重飽和。 室外金屬壓力容器及工程設(shè)施在役監(jiān)測(cè)通常采用聲發(fā)射技術(shù)。不同的工況下，彈性波強(qiáng)度變化較大，聲發(fā)射前置放大器必須能自動(dòng)控制增益。由于交流電源供給困難，而且易受到強(qiáng)電磁場(chǎng)干擾，最好采用蓄電池供電。然而，市場(chǎng)上現(xiàn)有的聲發(fā)射前置放大器沒(méi)有增益自動(dòng)調(diào)節(jié)功能，而且均為交流供電，不適合強(qiáng)電磁場(chǎng)環(huán)境。因此，本文開(kāi)發(fā)了一個(gè)具有數(shù)字自動(dòng)控制增益的聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。聲發(fā)射前置放大器采用蓄電池供電，避免交流電源內(nèi)含的干擾。該系統(tǒng)具有強(qiáng)抗干擾和電源管理功能，適應(yīng)高磁場(chǎng)高電壓的惡劣環(huán)境，自動(dòng)定時(shí)采樣，能長(zhǎng)期無(wú)人值守，在現(xiàn)場(chǎng)取得滿(mǎn)意的效果。 1數(shù)字自動(dòng)控制增益的聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　系統(tǒng)由聲發(fā)射傳感器、前置放大器、光電轉(zhuǎn)換電路及光纖、高速數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算機(jī)軟件組成，見(jiàn)圖1。

        
 
　　聲傳感器檢測(cè)頻帶的選擇是提高聲傳感器檢測(cè)靈敏度的關(guān)鍵因素之一，傳感器采用美國(guó)物理聲學(xué)公司W(wǎng)D寬頻響應(yīng)差動(dòng)結(jié)構(gòu)聲發(fā)射傳感器，其頻響范圍為100 kHz～2 MHz，工作溫度在-65℃～177℃?？紤]到該金屬壓力容器所處的惡劣強(qiáng)電磁場(chǎng)環(huán)境，聲發(fā)射傳感器和前置放大器被雙重屏蔽，安放于金屬壓力容器上，高速數(shù)據(jù)采集卡及計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)離金屬壓力容器近100 m。放大的聲發(fā)射模擬電信號(hào)將被轉(zhuǎn)換成調(diào)制的光信號(hào)，通過(guò)光纖傳送到計(jì)算機(jī)外一個(gè)光電轉(zhuǎn)換器，變回模擬電信號(hào)再進(jìn)入計(jì)算機(jī)采樣卡成為數(shù)字信號(hào)。計(jì)算機(jī)發(fā)出的自動(dòng)控制增益控制信號(hào)也通過(guò)光纖傳回到前置放大器，實(shí)現(xiàn)增益的自動(dòng)控制。這樣，極大地減少?gòu)?qiáng)電磁干擾，確保檢測(cè)信號(hào)的可靠性。為了節(jié)省電池能量，系統(tǒng)增加了電源管理功能，使系統(tǒng)能夠自動(dòng)進(jìn)入休眠狀態(tài)或定時(shí)采樣狀態(tài)。 經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，壓電傳感器輸出2 mV～10 mV之間的信號(hào)。光電二極管MF359的線(xiàn)性最佳工作區(qū)為5 mA～65 mA，由于單電源供電，中點(diǎn)可設(shè)在35 mA處。電壓轉(zhuǎn)換電流電路的輸入電平應(yīng)當(dāng)在0.165 V～2.145 V，其中點(diǎn)電平是1.155 V。因此，放大后的傳感器電壓信號(hào)應(yīng)在±1 V之間變化?？偟淖畲蠓糯笤鲆媸?00倍。顯然，一級(jí)放大器不能勝任這種高頻信號(hào)的放大。通常，連接電纜的分布電容影響壓電傳感器靈敏度，電壓放大器測(cè)量系統(tǒng)對(duì)電纜長(zhǎng)度變化很敏感，更換電纜時(shí)需要重新標(biāo)定。這里，壓電傳感器緊挨著前置放大器，電纜長(zhǎng)度非常短且位置不變，連接電纜的分布電容受到控制，電壓放大器能夠勝任電荷放大器的工作。系統(tǒng)電路原理如圖2所示。

        
 
　　AD8067組成高阻抗差動(dòng)輸入電路，拾取壓電傳感器毫伏級(jí)電壓信號(hào)，其信號(hào)增益AV為10。通過(guò)差動(dòng)放大，降低由傳感器及其電纜引進(jìn)的共模電噪聲；AD8067除了放大作用外，它把壓電傳感器的高輸出阻抗轉(zhuǎn)換為低輸出阻抗，即阻抗匹配和轉(zhuǎn)換作用。AD8369是數(shù)字可變?cè)鲆娣糯笃?，保持高頻特性不變狀況下，最大的信號(hào)增益可達(dá)到100。高頻變壓器T4-6T能夠匹配輸出阻抗，并將差動(dòng)輸出轉(zhuǎn)為單端輸出，它的工作頻率范圍在20 kHz～250 blHz，其插入損耗在0.3 dB左右。AD8029是一個(gè)高頻低功耗電壓電流轉(zhuǎn)換器，其靜態(tài)電流只有1.6 mA，它將AD8369輸出電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)，驅(qū)動(dòng)光電二極管MF359，使模擬電流信號(hào)變換成調(diào)制的光信號(hào)，通過(guò)光纖傳到計(jì)算機(jī)端的光電轉(zhuǎn)換器TTI-TIA525，光信號(hào)又變成模擬電壓信號(hào)送到采樣卡。MAX6301和MC14013組成電源管理電路，類(lèi)似一個(gè)電源開(kāi)關(guān)，在計(jì)算機(jī)控制下啟動(dòng)電源供給前置放大器。MAX6301最大靜態(tài)電流為4 μA，MC14013最大靜態(tài)電流為60μA，對(duì)蓄電池消耗極微。當(dāng)計(jì)算機(jī)采樣發(fā)現(xiàn)壓電傳感器信號(hào)較小時(shí)，AD8369自動(dòng)地被設(shè)置較大的增益；當(dāng)壓電傳感器信號(hào)較大時(shí)，AD8369自動(dòng)地被設(shè)置較小的增益。圖3為數(shù)字控制信號(hào)光纖傳輸電路框圖。

        
 
　　2關(guān)鍵芯片選擇與分析

　　對(duì)第1級(jí)放大器的基本要求是：高輸入阻抗，高增益帶寬及單電源供電。大部分差動(dòng)放大集成電路芯片無(wú)法同時(shí)滿(mǎn)足這些條件。經(jīng)多方比較，AD8067被挑選作為第1級(jí)放大器，它是一款高速低噪聲FET輸入、滿(mǎn)幅度輸出放大器，其輸入阻抗為1 000 GΩ；當(dāng)增益為10 dB時(shí)，帶寬為54 MHz；轉(zhuǎn)換速率為640V／μs；高的共模抑制比(-106 dB)；經(jīng)過(guò)激光精調(diào)的AD8067直流偏值電壓最大不超過(guò)1 mV；其供給電流只有6.5 mA；非常適合于單電源、大動(dòng)態(tài)低失真場(chǎng)合。電阻R12、R15和電容C17、C18組成濾波器，濾掉不需要的頻率信號(hào)。

　　AD8369是一種單電源供電、以dB為單位的線(xiàn)性數(shù)字VGA(可變?cè)鲆娣糯笃?，具有45 dB的增益調(diào)節(jié)范圍，3 dB步長(zhǎng)，工作頻率從低頻到600 MHz，在380 MHz范圍內(nèi)±20 MHz帶寬增益波動(dòng)(平坦度)小于0.15 dB。輸入阻抗為200 Ω時(shí)，動(dòng)態(tài)輸入阻抗匹配可獲得2.2 dB的低噪聲系數(shù)。在VOUT=1VP-P，fin=70 MHz，負(fù)載為1 kΩ時(shí)，雙音3階互調(diào)失真為-69 dBc。AD8369的增益控制是通過(guò)一個(gè)數(shù)字接口(串行或并行)實(shí)現(xiàn)的，以減低電路設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度。

　　AD8369的內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)如圖4所示，由一個(gè)7階R-2R梯形電阻衰減網(wǎng)絡(luò)、固定增益放大器、3 dB開(kāi)關(guān)衰減器、互補(bǔ)電流源輸出網(wǎng)絡(luò)、偏置電路、增益步進(jìn)控制電路和數(shù)字接口等部分組成。AD8369工作時(shí)，數(shù)字接口(并口或SPI串口)接收的4位二進(jìn)制增益控制代碼，其高3位用于控制跨導(dǎo)單元和梯形電阻衰減網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)步長(zhǎng)6 dB、最大42 dB的增益調(diào)節(jié)，最低位用來(lái)控制3 dB開(kāi)關(guān)衰減器，并配合前面的電阻衰減網(wǎng)絡(luò)，最終實(shí)現(xiàn)在45 dB增益調(diào)節(jié)范圍內(nèi)，3 dB步長(zhǎng)的數(shù)字增益調(diào)節(jié)功能。AD8369的輸出電路采用兩對(duì)互補(bǔ)電流源的全差分形式，差分輸出阻抗200 Ω。

         
 
　　AD8369的電壓增益可以用下式計(jì)算：
       

　　式中：RL為外接負(fù)載電阻，單位是Ω；n為增益控制代碼，最小是0，最大是15。

　　顯然，RL與AD8369的輸出電阻的并聯(lián)值共同決定AD8369的最大增益和輸出信號(hào)的幅值，但RL的大小并不影響該芯片的增益調(diào)節(jié)步長(zhǎng)。表1顯示了AD8369的引腳及其功能；表2給出不同負(fù)載下增益與增益編碼的關(guān)系。

       
　　AD8369的增益調(diào)節(jié)步長(zhǎng)、線(xiàn)性動(dòng)態(tài)范圍、頻響特性、增益調(diào)節(jié)的響應(yīng)速度及噪聲系數(shù)等參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)非常關(guān)鍵。當(dāng)增益控制代碼不變時(shí)，負(fù)載RL增大，則芯片的增益提高；當(dāng)負(fù)載電阻一定時(shí)，在整個(gè)45 dB增益調(diào)節(jié)范圍內(nèi)，AD8369的增益與增益控制代碼之間都能保持良好的、以3 dB為單位步進(jìn)的線(xiàn)性關(guān)系。在從低頻到400 MHz工作頻率范圍內(nèi)，AD8369都具有較平坦的幅頻特性。當(dāng)負(fù)載電阻由1 kΩ變?yōu)?00 Ω時(shí)，在同一電源電壓和工作頻率條件下，噪聲系數(shù)大約可降低1.5 dB；當(dāng)電源電壓由3 V增大到5 V時(shí)，在同一負(fù)載和工作頻率條件下，噪聲系數(shù)略有上升；而當(dāng)電源電壓和負(fù)載都不變時(shí)，噪聲系數(shù)隨工作頻率的提高而增加；但當(dāng)AD8369的工作頻率低于300 MHz時(shí)，其噪聲系數(shù)可保證小于7 dB。

　　MF359是一種端部出射的發(fā)光二極管，專(zhuān)用于62.5μm／125μm傳輸光纖。其功率波長(zhǎng)為780 nm，電信號(hào)頻寬為55 MHz，數(shù)字孔徑為0.275，雙透鏡結(jié)構(gòu)能將光功率最佳地耦合進(jìn)光纖。TTI-TIA525是一個(gè)連接方便的高速光纖光電轉(zhuǎn)換器，具有125 MHz頻寬，少于3 pA／Hz1/2RMS噪聲水平；跨導(dǎo)范圍在14 ku；檢測(cè)波長(zhǎng)范圍為400 nm～1 000 nm，數(shù)字孔徑為0.29；線(xiàn)性輸出功率大于12 mW，輸出負(fù)載在50 Ω時(shí)，輸出電壓峰峰值為2 V，輸出偏置電壓為±1 V。其輸出電壓直接地接NIDAQ6155采樣卡。PCI總線(xiàn)NIDAQ6155多功能采樣卡有4個(gè)12位分辨率模擬輸入通道，每通道采樣率為10×106次采樣／s，模擬電壓輸入范圍±200 mV～±42 V，每通道帶有去假頻濾波器；2個(gè)12位分辨率模擬輸出通道，每通道輸出速率為4×106次采樣／s；8個(gè)數(shù)字輸出接口，5 V TTL／CMOS電平；2個(gè)24位計(jì)數(shù)器。1個(gè)數(shù)字I／O用于控制電源啟動(dòng)；4個(gè)數(shù)字輸出接口用于控制AD8369的增益。

　　3實(shí)驗(yàn)與結(jié)論

　　為了驗(yàn)證所研制的高抗干擾數(shù)字自動(dòng)控制增益的聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的頻響特性，采用美國(guó)材料與測(cè)試協(xié)會(huì)推薦的方法，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)鉛心折斷信號(hào)采集校正試驗(yàn)，即把WD聲發(fā)射傳感器用耦合劑吸合在材質(zhì)與壓力金屬容器相同鋼板上，相距聲發(fā)射傳感器大約30 mm的地方折斷直徑為0.5 mm，長(zhǎng)度為3 mm的2H鉛筆心，斷鉛信號(hào)被聲發(fā)射傳感器拾取并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出到高抗干擾數(shù)字自動(dòng)控制增益的聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，最后由光纖送到4通道的PCI-DAQ6155數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行信號(hào)數(shù)據(jù)采集，采集到的數(shù)據(jù)最后由計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)一步分析和顯示。

　　圖5展現(xiàn)了前置放大器的輸入信號(hào)與TTI-TIA525的輸出信號(hào)的波形。曲線(xiàn)①是AD8369增益編碼為1000時(shí)的TTI-TIA525的輸出信號(hào)；曲線(xiàn)②是AD8067的輸入信號(hào)。波形顯示這個(gè)前置放大器能夠極小失真地放大聲發(fā)射信號(hào)。

　　現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)表明：該系統(tǒng)具有信號(hào)輸出電壓幅值高、頻率響應(yīng)范圍寬、靈敏度高、抗干擾極強(qiáng)、使用方便等特點(diǎn)，能夠用于工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)是6條光纖成本較高，下一步將利用低成本、低功耗微電腦MSP430F來(lái)控制數(shù)字增益可調(diào)放大器AD8369。把MSP430F融合于前置放大器內(nèi)，使6條光纖減少為2條，一條傳遞傳感器信號(hào)進(jìn)計(jì)算機(jī)，另一條傳遞計(jì)算機(jī)控制信號(hào)到微電腦MSP430F，讓MSP430F設(shè)置AD8369的增益代碼及電源管理，這將較大地減小系統(tǒng)成本。