基于在系统可编程模拟电路的声发射前置电路设计

2009年12月28日

1 声发射检测系统

　　声发射技术是根据结构内部发出的应力波，判断结构内部损伤程度的一种有效的动态无损检测技术。

　　从对车辆悬挂系统进行动态无损检测的要求出发，为了节约成本，我们自行研制了一套声发射检测系统。系统框图如图1所示。

　　声发射传感器输出的信号为电荷信号，一般低至微伏数量级，这样微弱的信号，若经过长距离传输，信噪比必然降低。因此靠近传感器部分要设置前置电路，将信号提高30～60dB。声发射传感器的输出阻抗较高，要求前置放大器具有阻抗匹配的功能，具备抗电冲击的保护能力和阻塞现象的恢复能力，并须具有比较大的输出动态范围。

　　在声发射检测工作中，为了避免噪声的影响，必须有带通滤波器单元，用以选择合适的“频率窗口”。滤波器的工作频率根据环境噪声及材料本身声发射信号的频率特性来确定。若系统的工作频率为f，需要确定频率窗口的宽度，即相对带宽Δf/f。若Δf/f太宽，易于引入外界噪声，失去了滤波作用；若Δf/f太窄，检测到的声发射信号太少，降低了检测灵敏度。因此一般采用Δf=±(0.1～0.2)f。此外，在确定滤波器的工作频率时，应注意滤波器的通频带要与换能器的谐振频率相匹配。

　　本文中选用的声发射传感器工作频率为120kHz，因此，设计一个工作频率为120kHz±10kHz，增益为35dB的有源带通滤波器即可满足使用要求。

2 基于ispPAC可编程器件的前置电路设计

　　可编程模拟电路的开发软件PAC Designer中含有一个宏，专门用于滤波器的设计，只要输入f0、Q等参数，即可自动产生双二阶滤波器电路，设置增益和相应的电容值。开发软件中还有一个模拟器，用于模拟滤波器的幅频和相频特性。图2为在ispPAC的开发软件PAC Designer图形设计输入环境下，设计的有源带通滤波器电路。图3、图4为幅频和相频特性仿真结果。

　　根据声发射测试系统的要求，设计的ispPAC10器件输出信号分为两路，一路为滤波后的声发射信号(V01)，另一路经过差分检波电路检波，输出检波后的声发射包络信号(V02)。

　　前置电路模块外围电路如图5所示。电路中，R1起阻抗匹配作用；C1、C2为旁路电容，主要用来消除ispPAC10器件内部的软开关噪声，防止电路产生自激，起去耦作用；C4、C5、D1、D2、C6及R2构成差分检波电路，ispPAC10器件13、14脚输出的差分信号经过C4、C5电容耦合，通过D1、D2进行检波后，输出检波后的声发射包络信号(V02)，其中，C6、R2起滤波作用。14脚输出的差分信号为滤波后的信号，可作为声发射信号(V01)直接输出。