关键词：AD524 ；声发射信号； 拾取电路

引言

声发射现象是指固体在变形或被破坏时，由于蓄积在物体中的变形能被释放出来而产生弹性波的现象，简称AE(Acoustic Emission)。

AE一般为10KHz～20MHz左右的微弱声波，主要使用压电材料来检出超声波并转换成电压信号，但压电材料产生的毫伏级电压信号必须经放大后传输，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，而且噪音要低，并满足检测频带宽度，具有一定的放大倍数。


AD524及其特点

仪表放大器是一种闭环增益组件，它具有一对差分输入和一个单端输出。它与运算放大器相比，不同点是运算放大器的闭环增益是由其反相输入端与输出端之间连接的外部电阻决定，而仪表放大器则是由与输入隔离的内部反馈电阻决定。仪表放大器两个输入端的阻抗完全匹配，而且数值很高，典型值为109 ～1013 。如果在它的两个差分输入端输入信号时，则增益既可以由内部预置，也可以由用户通过引脚内部设置或通过与输入信号隔离的外部增益电阻设置。

由于仪表放大器是一种经过优化处理，专门设计的精密差分电压放大器，所以它具有很多优点，如共模抑制比高﹑非线性误差小﹑输入阻抗高﹑低噪声﹑低失调电压和失调电压漂移，并带差动输入，可变增益输出。从仪表放大器的特点来看，非常适合对微弱的电压信号进行放大，因此本文利用仪表放大器来放大压电晶片输出的微弱电信号。

通过比较，我们选用美国AD公司的精密仪表放大器AD524作为前置放大。AD524采用双电源供电，供电电压最高可达 18V。它具有低的增益误差和高的共模抑制比，当增益为１时，共模抑制比大于90dB，增益误差最大为 0.05%；当增益为1000时，共模抑制比可达120dB，且增益误差最大为 2%。AD524的非线性误差在 0.01％之内(增益为1000)；输入失调电压50 V，输入失调电压漂移 0.5 V/℃。AD524两个差动输入端的阻抗完全匹配，而且数值很高，典型值为109 ，既可以差动输入也可以单端输入。AD524内置输入电源保护电路，适应上电和掉电时各种恶劣的工作环境。同时，它还提供较宽的增益带宽、高的输出转换速率和低的阶跃响应建立时间等优越的动态待性。AD524可以通过改变外围接线来设置增益，增益倍数分别为1、10、100、1000。当需要1到1000之间其它增益时，可通过外接电阻来设置所需增益。

声信号拾取电路的设计与实现

声信号拾取电路由压电晶片、前置放大、带通滤波和同相放大部分组成。

由于PZT系列压电陶瓷的机电耦合系数高、压电应变常数大、机电参数的时间和温度稳定性好并且不易老化，因此，选择它作为声传感器的声/电转换元件。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淹没。因此，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。本文声发射信号拾取电路检测频带为20KHz～200KHz。

压电晶片输出的毫伏级电压信号接到仪表放大器AD524的差动输入端，这里选取设置片内增益的方法，将3脚与12脚短接，选取增益倍数为100。

输入偏置电流和输入失调电流是引起输入误差的来源之一。尽管仪表放大器采用差动输入，仍需在输入端和地之间为偏置电流提供一条直流通路，避免偏置电流通过寄生电容引起输出的不可控漂移或饱和现象。本文通过在两个输入端接入阻值相同的接地电阻，消除了偏置电流的影响，见图1。

图1 AD524构成的前置放大（略）

带通滤波电路用来保留频率在20KHz～200KHz之间的信号。因此滤波器的通带范围设计为20KHz～200KHz。它由三节六阶低通滤波器和两节四阶高通滤波器组成。实际采用的滤波器电路如图2示。其中高通滤波器截止频率为20KHz，采用的是单端反馈高通滤波器电路，由两个运放LF356和分离的R、C元件构成。当通带增益H0选取为1，品质因数Q选取0.707，高通截止频率选取20KHz后，选定C1=C2=1nF，根据计算得R1=5.63K，R2=22.5K，实际采用R1=5.6K，R2=22K，见图2。

图2 20kHz～200kHz带通滤波电路（略）

使用有源滤波器来构成低通滤波器非常简便实用。普通的有源滤波器由运算放大器和R、C组成，实现容易。但是参数调整较困难，而且当工作频率较高时，元件周围的杂散电容将严重影响滤波器的工作特性，使其偏离预定工作状态。由于实际信号达到200KHz，考虑到分离元件杂散电容的影响，为保证滤波器工作稳定，采用了单片集成的连续时间有源滤波器MAX274来构成低通滤波器。

MAXIM公司的MAX274是由4组二阶滤波器组成的集成元件，利用它可以构成2－8阶带通或低通滤波器，通过改变外接电阻方便地设置滤波器的中心频率和通带范围。在本电路中，设计低通滤波器的截止频率为200KHz。

MAX274构造低通滤波器时，根据设计的要求计算外接电阻的阻值，就可实现不同工作频率下的低通滤波器。每个二阶节的截止频率、Q值、放大倍数等均可通过改变外接电阻的阻值来实现，当上述条件已知后，即可计算外接电阻的阻值，公式如下：

计算R_{2}=\frac{(2 10^{9})}{F_{0}}，其中F0是低通截止频率。

计算R_{4}=R_{2}-5K 。

计算R_{3}=\frac{Q 2 10^{9}}{F_{0}} \frac{RX}{RY}，其中，\frac{RX}{RY}当Max274的FC脚接到V＋时为4。

当设计低通滤波器时，计算R1=\frac{2 10^{9}}{F_{0} H_{OLP}} \frac{RX}{RY}，其中HOLP=1是输入频率为0时管脚LPO处的增益。

设置滤波器时选择的参数为F0=200KHz，Q=0.707，\frac{RX}{RY}=4，HOLP=1，计算得R2=10K，R4=5K，R3=28.28K，R1=40K。实际选择为R2=10K，R4=5.1K，R3=27K，R1=39K。为保证滤波精度，应该选温度系数小的精密电阻构成电阻网络。

带通滤波输出的信号再经过运放LF356同相放大后即得可用信号。

抗干扰措施

为提高拾取电路的灵敏度，还采取了其它的方法来减小输入端的噪声干扰，如采用屏蔽电缆连接压电晶片和前置电路，设计印刷电路板的合理布线，在电源和器件旁加大容量的电解电容(旁路低频)和陶瓷电容(旁路高频)并联有利于电源模块工作稳定和抗干扰。同时通过给整个拾取电路加金属屏蔽来削弱外界的电磁干扰，使用蓄电池而不使用开关电源来给电路供电，这样不仅减小电路噪声，而且装置便于携带。

结束语

使用精密仪表放大器AD524作为前置放大级，简化了声发射信号拾取电路的设计，其优良的性能保证了电路的精度，该电路已在真空灭弧室内部放电声发射监测研究中应用，取得了满意的效果。