高抗干扰数字自动控制增益的声发射监测系统

　　0引言

　　材料结构受外力或内力作用产生位错-滑移-微裂纹形成-裂纹扩展-断裂，以弹性波的形式释放出应变能的现象称为声发射。声发射一般是频率为20 kHz～20 MHz左右的微弱声波。声发射信号来自缺陷本身，同样大小和性质的缺陷，由于所处的位置和所受应力状态的不同，其声发射也有差别，故可用声发射来检测缺陷的程度或监测运转的机器，例如桥梁结构安全以及大型发电设备内部局部放电检测。了解来自缺陷的声发射信号，建立声发射信号特征模型，就可以长期对缺陷的安全性进行监测，这是声发射技术优于其他方法的一个重要特点。声发射传感器不同于加速度传感器，它靠压电晶片自身的谐振变形把被测物体受应力波作用时表面振动声波大小转化为相应的电压信号输出。 由于声波在不同媒质交界面上的反射和散射以及同一媒质传播都会引起声能的衰减，实际压电晶片接收到的声信号已经非常微弱，现场干扰信号可能把实际声信号湮没。因此，这种由压电材料感知的微弱毫伏级电压信号必须经滤波放大后传输，才能减弱干扰信号对它的影响，并提高信噪比。因压电晶体带负载能力差，因此在保证精度的条件下必须提高输入信号的放大倍数。以上要求前置放大电路不仅要有较大的输入阻抗、高的共模抑制比、低噪声系数性能，并满足检测高频响特性，具有线性大动态范围，最好能够自动调节增益，以避免小信号时放大倍数不够，而信号较大时放大严重饱和。 室外金属压力容器及工程设施在役监测通常采用声发射技术。不同的工况下，弹性波强度变化较大，声发射前置放大器必须能自动控制增益。由于交流电源供给困难，而且易受到强电磁场干扰，最好采用蓄电池供电。然而，市场上现有的声发射前置放大器没有增益自动调节功能，而且均为交流供电，不适合强电磁场环境。因此，本文开发了一个具有数字自动控制增益的声发射监测系统。声发射前置放大器采用蓄电池供电，避免交流电源内含的干扰。该系统具有强抗干扰和电源管理功能，适应高磁场高电压的恶劣环境，自动定时采样，能长期无人值守，在现场取得满意的效果。 1数字自动控制增益的声发射监测系统结构

　　系统由声发射传感器、前置放大器、光电转换电路及光纤、高速数据采集卡和计算机软件组成，见图1。

        
 
　　声传感器检测频带的选择是提高声传感器检测灵敏度的关键因素之一，传感器采用美国物理声学公司WD宽频响应差动结构声发射传感器，其频响范围为100 kHz～2 MHz，工作温度在-65℃～177℃。考虑到该金属压力容器所处的恶劣强电磁场环境，声发射传感器和前置放大器被双重屏蔽，安放于金属压力容器上，高速数据采集卡及计算机远离金属压力容器近100 m。放大的声发射模拟电信号将被转换成调制的光信号，通过光纤传送到计算机外一个光电转换器，变回模拟电信号再进入计算机采样卡成为数字信号。计算机发出的自动控制增益控制信号也通过光纤传回到前置放大器，实现增益的自动控制。这样，极大地减少强电磁干扰，确保检测信号的可靠性。为了节省电池能量，系统增加了电源管理功能，使系统能够自动进入休眠状态或定时采样状态。 经过现场测试，压电传感器输出2 mV～10 mV之间的信号。光电二极管MF359的线性最佳工作区为5 mA～65 mA，由于单电源供电，中点可设在35 mA处。电压转换电流电路的输入电平应当在0.165 V～2.145 V，其中点电平是1.155 V。因此，放大后的传感器电压信号应在±1 V之间变化。总的最大放大增益是500倍。显然，一级放大器不能胜任这种高频信号的放大。通常，连接电缆的分布电容影响压电传感器灵敏度，电压放大器测量系统对电缆长度变化很敏感，更换电缆时需要重新标定。这里，压电传感器紧挨着前置放大器，电缆长度非常短且位置不变，连接电缆的分布电容受到控制，电压放大器能够胜任电荷放大器的工作。系统电路原理如图2所示。

        
 
　　AD8067组成高阻抗差动输入电路，拾取压电传感器毫伏级电压信号，其信号增益AV为10。通过差动放大，降低由传感器及其电缆引进的共模电噪声；AD8067除了放大作用外，它把压电传感器的高输出阻抗转换为低输出阻抗，即阻抗匹配和转换作用。AD8369是数字可变增益放大器，保持高频特性不变状况下，最大的信号增益可达到100。高频变压器T4-6T能够匹配输出阻抗，并将差动输出转为单端输出，它的工作频率范围在20 kHz～250 blHz，其插入损耗在0.3 dB左右。AD8029是一个高频低功耗电压电流转换器，其静态电流只有1.6 mA，它将AD8369输出电压信号转换成电流信号，驱动光电二极管MF359，使模拟电流信号变换成调制的光信号，通过光纤传到计算机端的光电转换器TTI-TIA525，光信号又变成模拟电压信号送到采样卡。MAX6301和MC14013组成电源管理电路，类似一个电源开关，在计算机控制下启动电源供给前置放大器。MAX6301最大静态电流为4 μA，MC14013最大静态电流为60μA，对蓄电池消耗极微。当计算机采样发现压电传感器信号较小时，AD8369自动地被设置较大的增益；当压电传感器信号较大时，AD8369自动地被设置较小的增益。图3为数字控制信号光纤传输电路框图。

        
 
　　2关键芯片选择与分析

　　对第1级放大器的基本要求是：高输入阻抗，高增益带宽及单电源供电。大部分差动放大集成电路芯片无法同时满足这些条件。经多方比较，AD8067被挑选作为第1级放大器，它是一款高速低噪声FET输入、满幅度输出放大器，其输入阻抗为1 000 GΩ；当增益为10 dB时，带宽为54 MHz；转换速率为640V／μs；高的共模抑制比(-106 dB)；经过激光精调的AD8067直流偏值电压最大不超过1 mV；其供给电流只有6.5 mA；非常适合于单电源、大动态低失真场合。电阻R12、R15和电容C17、C18组成滤波器，滤掉不需要的频率信号。

　　AD8369是一种单电源供电、以dB为单位的线性数字VGA(可变增益放大器)，具有45 dB的增益调节范围，3 dB步长，工作频率从低频到600 MHz，在380 MHz范围内±20 MHz带宽增益波动(平坦度)小于0.15 dB。输入阻抗为200 Ω时，动态输入阻抗匹配可获得2.2 dB的低噪声系数。在VOUT=1VP-P，fin=70 MHz，负载为1 kΩ时，双音3阶互调失真为-69 dBc。AD8369的增益控制是通过一个数字接口(串行或并行)实现的，以减低电路设计的复杂程度。

　　AD8369的内部电路结构如图4所示，由一个7阶R-2R梯形电阻衰减网络、固定增益放大器、3 dB开关衰减器、互补电流源输出网络、偏置电路、增益步进控制电路和数字接口等部分组成。AD8369工作时，数字接口(并口或SPI串口)接收的4位二进制增益控制代码，其高3位用于控制跨导单元和梯形电阻衰减网络，实现步长6 dB、最大42 dB的增益调节，最低位用来控制3 dB开关衰减器，并配合前面的电阻衰减网络，最终实现在45 dB增益调节范围内，3 dB步长的数字增益调节功能。AD8369的输出电路采用两对互补电流源的全差分形式，差分输出阻抗200 Ω。

         
 
　　AD8369的电压增益可以用下式计算：
       

　　式中：RL为外接负载电阻，单位是Ω；n为增益控制代码，最小是0，最大是15。

　　显然，RL与AD8369的输出电阻的并联值共同决定AD8369的最大增益和输出信号的幅值，但RL的大小并不影响该芯片的增益调节步长。表1显示了AD8369的引脚及其功能；表2给出不同负载下增益与增益编码的关系。

       
　　AD8369的增益调节步长、线性动态范围、频响特性、增益调节的响应速度及噪声系数等参数对系统的设计非常关键。当增益控制代码不变时，负载RL增大，则芯片的增益提高；当负载电阻一定时，在整个45 dB增益调节范围内，AD8369的增益与增益控制代码之间都能保持良好的、以3 dB为单位步进的线性关系。在从低频到400 MHz工作频率范围内，AD8369都具有较平坦的幅频特性。当负载电阻由1 kΩ变为200 Ω时，在同一电源电压和工作频率条件下，噪声系数大约可降低1.5 dB；当电源电压由3 V增大到5 V时，在同一负载和工作频率条件下，噪声系数略有上升；而当电源电压和负载都不变时，噪声系数随工作频率的提高而增加；但当AD8369的工作频率低于300 MHz时，其噪声系数可保证小于7 dB。

　　MF359是一种端部出射的发光二极管，专用于62.5μm／125μm传输光纤。其功率波长为780 nm，电信号频宽为55 MHz，数字孔径为0.275，双透镜结构能将光功率最佳地耦合进光纤。TTI-TIA525是一个连接方便的高速光纤光电转换器，具有125 MHz频宽，少于3 pA／Hz1/2RMS噪声水平；跨导范围在14 ku；检测波长范围为400 nm～1 000 nm，数字孔径为0.29；线性输出功率大于12 mW，输出负载在50 Ω时，输出电压峰峰值为2 V，输出偏置电压为±1 V。其输出电压直接地接NIDAQ6155采样卡。PCI总线NIDAQ6155多功能采样卡有4个12位分辨率模拟输入通道，每通道采样率为10×106次采样／s，模拟电压输入范围±200 mV～±42 V，每通道带有去假频滤波器；2个12位分辨率模拟输出通道，每通道输出速率为4×106次采样／s；8个数字输出接口，5 V TTL／CMOS电平；2个24位计数器。1个数字I／O用于控制电源启动；4个数字输出接口用于控制AD8369的增益。

　　3实验与结论

　　为了验证所研制的高抗干扰数字自动控制增益的声发射监测系统的频响特性，采用美国材料与测试协会推荐的方法，对系统进行了标准铅心折断信号采集校正试验，即把WD声发射传感器用耦合剂吸合在材质与压力金属容器相同钢板上，相距声发射传感器大约30 mm的地方折断直径为0.5 mm，长度为3 mm的2H铅笔心，断铅信号被声发射传感器拾取并转换为电信号输出到高抗干扰数字自动控制增益的声发射监测系统，最后由光纤送到4通道的PCI-DAQ6155数据采集卡进行信号数据采集，采集到的数据最后由计算机软件进一步分析和显示。

　　图5展现了前置放大器的输入信号与TTI-TIA525的输出信号的波形。曲线①是AD8369增益编码为1000时的TTI-TIA525的输出信号；曲线②是AD8067的输入信号。波形显示这个前置放大器能够极小失真地放大声发射信号。

　　现场实验表明：该系统具有信号输出电压幅值高、频率响应范围宽、灵敏度高、抗干扰极强、使用方便等特点，能够用于工业生产设备的状态监测。系统的主要缺点是6条光纤成本较高，下一步将利用低成本、低功耗微电脑MSP430F来控制数字增益可调放大器AD8369。把MSP430F融合于前置放大器内，使6条光纤减少为2条，一条传递传感器信号进计算机，另一条传递计算机控制信号到微电脑MSP430F，让MSP430F设置AD8369的增益代码及电源管理，这将较大地减小系统成本。