声发射检测仪前置放大器.pdf

本发明涉及声发射检测仪前置放大器，所述声发射检测仪前置放大器包括放大部分、电源部分和信号隔离部分；所述原声发射检测仪采用美国物理声学公司的PCI-1型，其附带的前置放大器为28V直流供电，供电电流为0.2A；频率在100～300KHz，传感器接口采用单端和差分两种输入模式，增益20、40和60dB可调；在使用中采用单端模式，即传感器同相端输入，反相端接地；所述放大部分采用二级运放。

1.  声发射检测仪前置放大器，其特征在于：
所述声发射检测仪前置放大器包括放大部分、电源部分和信号隔离部分；
所述原声发射检测仪采用美国物理声学公司的PCI-1型，其附带的前置放大器为28V直流供电，供电电流为0.2A；频率在100～300KHz，传感器接口采用单端和差分两种输入模式，增益20、40和60dB可调；在使用中采用单端模式，即传感器同相端输入，反相端接地；所述放大部分采用二级运放。

2.  如权利要求1所述的声发射检测仪前置放大器，其特征在于：
所述电源部分为采用MC34063芯片构成的开关反压电路，电阻(R5)控制系统的电流，电容(C5)用来设置DC芯片的开关频率；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，续流二极管(D1)导通，电感(L2)经续流二极管(D1)向负载输出负电压；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。

3.  如权利要求1或2所述的声发射检测仪前置放大器，其特征在于：
所述信号隔离部分采用电容(C7)和电容(C8)隔离直流信号，而电感(L1)和电感(L6)隔离交流信号，在电感(L1)和电感(L6)的末端分别接入一个100uF左右的电容，与电感构成滤波电路，隔掉系统交流分量。

声发射检测仪前置放大器
技术领域
本发明涉及声发射检测仪前置放大器。
背景技术
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,简称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100～300KHz，将一些有用的低频特性滤除掉，为此设计一种低频特性的前置放大器显得尤为重要。
发明内容
本发明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。
本发明涉及声发射检测仪前置放大器，所述声发射检测仪前置放大器包括放大部分、电源部分和信号隔离部分；
所述原声发射检测仪采用美国物理声学公司的PCI-1型，其附带的前置放大器为28V直流供电，供电电流为0.2A；频率在100～300KHz，传感器接口采用单端和差分两种输入模式，增益20、40和60dB可调；在使用中采用单端模式，即传感器同相端输入，反相端接地；所述放大部分采用二级运放。
进一步地，所述电源部分为采用MC34063芯片构成的开关反压电路，电阻(R5)控制系统的电流，电容(C5)用来设置DC芯片的开关频率；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，续流二极管(D1)导通，电感(L2)经续流二极管(D1) 向负载输出负电压；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。
进一步地，所述信号隔离部分采用电容(C7)和电容(C8)隔离直流信号，而电感(L1)和电感(L6)隔离交流信号，在电感(L1)和电感(L6)的末端分别接入一个100uF左右的电容，与电感构成滤波电路，隔掉系统交流分量。。
附图说明
通过参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例，本发明的以上和其它方面及优点将变得更加易于清楚，在附图中：
图1为本发明的二级运放原理图示意图；
图2为本发明的放大器的波特图；
图3为本发明的MC34063负电源产生电路图；
图4为本发明的幻象电源供电原理图。
具体实施方式
在下文中，现在将参照附图更充分地描述本发明，在附图中示出了各种实施例。然而，本发明可以以许多不同的形式来实施，且不应该解释为局限于在此阐述的实施例。相反，提供这些实施例使得本公开将是彻底和完全的，并将本发明的范围充分地传达给本领域技术人员。
在下文中，将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。
本发明的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 放大部分设计
原声发射检测仪采用美国物理声学公司的PCI-1型，其附带的前置放大器为28V直流供电，供电电流为0.2A；频率在100～300KHz，传感器接口采用单端和差分两种输入模式，增益20、40和60dB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40dB，所以本发明将前置放大器的 增益设计为固定40dB增益。
由于传感器信号为毫伏级，要将信号放大40dB，且频率要在30KHz～200KHz，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，其采用正负电源供电；具有高的带宽，满足在100KHz放大100倍而不失真。通过比较筛选，采用TI的运放芯片NE5532，其工作电压为±5V～±15V，在-3dB时的带宽达到10MHz，压摆率为240V/μs。为了提高放大器的增益带宽积，设计在一级和二级分别放大10倍，达到最终将信号放大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。
对其采用Multisim进行仿真，其在37dB的截止频率达到578KHz，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。
2 电源部分设计
由于放大器NE5532采用±15V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。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，本发明选择常用的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＝1.25(1+R7/R6)，由公式可知输出电压仅与R6、R7数值有关，因1.25V为基准电压恒定不变，若R6、R7阻值稳定则Uo亦稳定。
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，还可以通过幻想电源供电。 外接电源供电具有信号低频特性好(如图2所示)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，如果通道较多、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等等。
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100uF左右的电容，与电感构成滤波电路，隔掉系统交流分量。其中L1端所加的电容如图3所示，为C9，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，当取1mH时信号的低频截至频率大约20KHz，增大L1和L6的电感可以降低信号的低频截至频率，本发明取L1和L6为1mH，满足系统要求。
4 系统性能测试
设计的前置放大器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+28V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28V直流电源，当信号发生器输入幅值为20mVpp的正弦信号，分别在40KHz、100KHz、200 KHz、300KHz的频率下测试该前置放大器输出端，示波器的输出波形也证明了硬件设计的正确性，完全满足当初的设计要求。
以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明。本发明可以有各种合适的更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。