齊文博

（中國(guó)地震局地質(zhì)研究所北京100029）

巖石變形特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)[1-3]常采用聲發(fā)射系統(tǒng)采集巖石變形過(guò)程中的聲發(fā)射信號(hào)以反映巖石內(nèi)部某些物理特征。原始聲發(fā)射信號(hào)[4-7]往往非常微弱以至于需要被放大后才行進(jìn)行數(shù)字化重構(gòu)，而微弱的聲發(fā)射信號(hào)又都是伴隨著嚴(yán)重的電磁環(huán)境噪聲，且?guī)r石中的聲發(fā)射信號(hào)頻帶很寬，因此聲發(fā)射信號(hào)的調(diào)理電路需要高信噪比和高帶寬來(lái)在寬頻帶范圍中線性放大弱原始信號(hào)?？紤]實(shí)際應(yīng)用中，外部供電電源的簡(jiǎn)便性，信號(hào)拾取電路采用單路開(kāi)關(guān)電源供電，配以特殊設(shè)計(jì)的電源濾波電路和信號(hào)調(diào)理鏈路來(lái)保證放大后信號(hào)的高信噪比和寬頻帶線性重構(gòu)。

1　聲發(fā)射信號(hào)調(diào)理電路特性

1.1　聲發(fā)射信號(hào)拾取電路結(jié)構(gòu)選擇

巖石變形測(cè)試實(shí)驗(yàn)中的聲發(fā)射系統(tǒng)常常采用壓電探頭來(lái)拾取微弱信號(hào)，通常這個(gè)過(guò)程產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)頻譜非常廣，可從低頻1 kHz到高頻2 MHz，有時(shí)巖石變形產(chǎn)生的低頻聲發(fā)射信號(hào)可到Hz級(jí)別。目前，聲發(fā)射弱電荷信號(hào)的拾取電路通常有兩種結(jié)構(gòu)：電壓放大和電荷放大。電壓放大電路具有電路簡(jiǎn)單，調(diào)試容易等優(yōu)點(diǎn)，不少學(xué)者也致力于這一結(jié)構(gòu)電路的研究，如孫濤、韓東軒等[8]研制的幻像電源供電的聲發(fā)射前置放大器。但是用于聲發(fā)射檢測(cè)的電壓放大器也有不少缺點(diǎn)，如受外部電纜制約等。

圖1（a）為壓電傳感器接電壓放大器的等效模型。圖1（a）中當(dāng)壓電元件在外力F=Fmsinωt的作用下產(chǎn)生的電信號(hào)經(jīng)過(guò)電纜電容Cc和運(yùn)放輸入端雜散電容Ci以及壓電元件本身輸出電阻R的作用到達(dá)運(yùn)放輸入端后，反映在運(yùn)放輸入端電壓為ui。

式（1）中ω為被測(cè)信號(hào)的角頻率，d為壓電系數(shù)。若ω很大時(shí)，則輸入電壓ui的幅度可簡(jiǎn)化為式（2）。

由式（2）知壓電元件產(chǎn)生的電信號(hào)反映在電壓放大器輸入端的電壓受電纜電容Cc和運(yùn)放輸入端雜散電容Ci的影響，當(dāng)Ci一定，外部電纜規(guī)格、長(zhǎng)度等改變時(shí)ui也會(huì)

圖1　電荷信號(hào)拾取電路模型

圖1（b）為電荷放大器接壓電傳感器的等效模型。由運(yùn)放輸入端的虛短原理可知，壓電元件在外力F的作用下產(chǎn)生的電荷信號(hào)經(jīng)過(guò)電纜電容Cc和運(yùn)放輸入端雜散電容Ci的影響后反映在運(yùn)放輸入端的輸入電壓ui=0，故當(dāng)運(yùn)放反饋電阻Rf很大時(shí)，壓電元件輸出的電荷量q反映在運(yùn)放輸出端電壓遵從式（3）。式（3）中，Cf為運(yùn)放的反饋電容。運(yùn)放輸出電壓與壓電元件的電荷量比值即為電荷放大器的靈敏度k，k遵從公式（4）。

由公式（3）和（4）可知，電荷放大器放大壓電傳感器后的輸出信號(hào)電壓幅度只與反饋電容Cf有關(guān)，與外部電纜電容和運(yùn)放輸入端雜散電容等無(wú)關(guān)，即不受外部測(cè)試條件的影響。從這點(diǎn)看，電荷放大器很適合作為聲發(fā)射系統(tǒng)的前置信號(hào)調(diào)理電路。

1.2　聲發(fā)射信號(hào)調(diào)理器元件選型

由1.1節(jié)知，本文選取電荷放大器對(duì)聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行寬帶線性放大，電荷放大器的主體運(yùn)選型應(yīng)綜合考慮以下情況。

1）聲發(fā)射信號(hào)的帶寬較大（Hz～MHz），故運(yùn)放應(yīng)選取較大壓擺率和帶寬的運(yùn)放。實(shí)際使用中運(yùn)放應(yīng)遵從公式（5）進(jìn)行選型。

式（5）中slew為運(yùn)放的壓擺率，單位為V/S，fH為被放大信號(hào)的上限頻率，Vop為放大后信號(hào)的單邊峰值幅度。

2）為了使用方便和調(diào)試簡(jiǎn)單，運(yùn)放采用單一正電源供電?？紤]電源的通用性，采用單12V開(kāi)關(guān)電源對(duì)電荷放大器進(jìn)行供電，因此信號(hào)調(diào)理器主體運(yùn)放應(yīng)具有單電源供電特性和足夠大的輸出電流以驅(qū)動(dòng)后級(jí)輸入級(jí)電路。

3）由于電荷拾取電路的反饋電阻Rf很大（MΩ～GΩ），因此一般運(yùn)放的輸入偏置電流在nA級(jí)別便可產(chǎn)生數(shù)伏左右的偏置電壓?；诖?，調(diào)理器應(yīng)選取低偏置電流的運(yùn)放，同時(shí)運(yùn)放應(yīng)具有較高的輸入阻抗Ri，以減小壓電元件輸出電荷q在Ri上的泄露。

綜上所述，本文設(shè)計(jì)的聲發(fā)射信號(hào)調(diào)理器選取AD8652作為主體放大單元。反饋電容選取泄露電阻大的聚苯乙烯電容，它可以在高頻時(shí)快速泄放反饋電阻Rf上積累的電壓信號(hào)，同時(shí)聚苯乙烯電容的溫度系數(shù)較小，絕緣電阻大，電容穩(wěn)定性良好[9-10]。反饋電阻應(yīng)選取噪聲小，高頻性能好且溫度系數(shù)小，穩(wěn)定性小的玻璃釉電阻。

2　寬帶聲發(fā)射信號(hào)調(diào)理器設(shè)計(jì)

2.1　供電電源濾波設(shè)計(jì)

開(kāi)關(guān)電源的電源傳導(dǎo)噪聲頻譜非常廣，大致為10 kHz～30 MHz，且分為不同的表現(xiàn)形式：輸出脈沖噪聲、輻射電場(chǎng)噪聲以及紋波噪聲[11-13]。輻射電場(chǎng)噪聲可通過(guò)外加屏蔽殼解決，而紋波噪聲和脈沖噪聲對(duì)放大器的輸出信號(hào)信噪比影響較大，一般的開(kāi)關(guān)電源紋波幅度為輸出電壓幅度的0.5%～1%，而脈沖噪聲幅度可達(dá)2%～5%。脈沖噪聲可由在特定頻率下有較大阻抗的磁珠以熱能的形式耗散掉，紋波噪聲則可用電子濾波器[14]進(jìn)行最大化濾除。圖2（a）為寬帶聲發(fā)射信號(hào)調(diào)理器供電電源濾波設(shè)計(jì)。

圖2（a）中NPN三極管Q1做射級(jí)跟隨，由于三極管的阻抗變換功能，輸入端的基極電阻R1和濾波電容C4折合到三極管輸出端時(shí)的輸出阻抗為R1/（1+β），輸出電容為（1+β）c4。R1為三極管Q1提供基極偏置電流，同時(shí)R1和C4組成的一階RC濾波器，將電源中的紋波噪聲降低到很低的范圍內(nèi)。

2.2　寬帶聲發(fā)射信號(hào)調(diào)理放大設(shè)計(jì)

寬帶聲發(fā)射信號(hào)調(diào)理鏈路如圖2（b）所示，P1外接壓電傳感器，P2輸出放大后的寬帶聲發(fā)射信號(hào)。R1既可抑制來(lái)自P1的外部噪聲，又是二極管D1的限流電阻。雙向二極管D1的公共點(diǎn)接2.5 V基準(zhǔn)源，一方面將外部輸入電荷信號(hào)的共模電壓提升至運(yùn)放供電電壓的中點(diǎn)，以便單電源運(yùn)放能線性放大原始信號(hào)；另一方面將外部輸入電荷信號(hào)的差模電壓限制在-0.7～+0.7 V范圍內(nèi)。

考慮電荷放大級(jí)的反饋電阻Rf過(guò)大，二極管D1的反向電流應(yīng)越小越好，本文推薦使用低漏電流二極管BAV199。反饋電容Cf、反饋電阻Rf和AD1組成的電荷拾取級(jí)將原始聲發(fā)射電荷信號(hào)送至AD1和AD2組成的100倍單電源同相放大器[15]進(jìn)行放大，運(yùn)放AD1和AD2間通過(guò)C3和R4組成的一階高通濾波器耦合以濾除低頻噪聲。

圖2（b）中運(yùn)放AD2的第2通道組成的單電源供電的Sallen-Key濾波器[16]濾除聲發(fā)射信號(hào)帶寬外的高頻雜波，此濾波器的高頻截止頻率fH遵循式（6），本文設(shè)置其帶寬為2 MHz。AD2的7腳端接電阻可將此信號(hào)調(diào)理電路的輸出阻抗配置為50Ω便于和后級(jí)50Ω輸入阻抗采集儀器進(jìn)行阻抗匹配。

3　信號(hào)調(diào)理鏈路仿真驗(yàn)證

信號(hào)調(diào)理鏈路采用multisim12進(jìn)行仿真驗(yàn)證，驗(yàn)證電路模型如圖3（a）所示。

圖3（a）采用C4、C2和R8組成的阻容網(wǎng)絡(luò)來(lái)模擬壓電傳感器，電流源I1模擬電壓傳感器受到的外部作用力。由于AD8651和AD8652的運(yùn)放特性一致，故仿真模型選用AD8651作為調(diào)理電路仿真的主放大器。4個(gè)運(yùn)放間采用交流方式耦合，低頻截止頻率設(shè)置為1 kHz。仿真模型設(shè)置U4組成的二階高通濾波器的高頻截止頻率為2 MHz，并置電流源I1的激勵(lì)電流為1×10-8A，激勵(lì)波形為正弦波。圖4（a）中，電流源I1和阻容網(wǎng)絡(luò)的負(fù)極接2.5 V電源以將電荷信號(hào)提升至電源的中點(diǎn)位置，保證放大后信號(hào)不會(huì)失真。圖3（a）用XBP1波特率儀觀察信號(hào)調(diào)理電路在寬頻帶上的增益響應(yīng)，得到圖3（b）所示的調(diào)理電路增益響應(yīng)曲線。由圖3（b）知，調(diào)理電路在1 kHz～2 MHz范圍內(nèi)增益較為平坦，放大增益為98～64 dB，從2 MHz開(kāi)始電路增益開(kāi)始以迅速下降，驗(yàn)證了圖2（b）中聲發(fā)射寬帶信號(hào)調(diào)理鏈路的寬帶性。

圖2　寬帶聲發(fā)射信號(hào)調(diào)理器設(shè)計(jì)圖

圖3　寬帶聲發(fā)射信號(hào)調(diào)理器仿真驗(yàn)證

4　電氣性能測(cè)試

本文采用斷鉛實(shí)驗(yàn)對(duì)圖4（a）所示的寬帶

聲發(fā)射信號(hào)調(diào)理器進(jìn)行電氣性能的測(cè)試。圖4（b）為測(cè)試調(diào)理器的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，為保證調(diào)理器輸出信號(hào)的最優(yōu)信噪比，調(diào)理器采用鋁制外殼進(jìn)行電磁屏蔽。

圖4?。暟l(fā)射信號(hào)調(diào)理器實(shí)物與電氣測(cè)試

圖4b）中實(shí)驗(yàn)樣品為150*50*50 mm的漢白玉巖石；巖石樣品中心位置粘貼一個(gè)頻率范圍為100～900 kHz的寬頻聲發(fā)射探頭來(lái)拾取聲發(fā)射寬帶弱電荷信號(hào)，寬帶聲發(fā)射信號(hào)調(diào)理電路隨后放大聲發(fā)射探頭拾取的弱信號(hào)。圖4（b）中A點(diǎn)為斷鉛點(diǎn)，示波器采用交流耦合，采樣率為25 MHz，輸入阻抗為1 MΩ，以此來(lái)觀察斷鉛產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)。

圖5（a）為斷鉛實(shí)驗(yàn)實(shí)際采集的聲發(fā)射時(shí)域信號(hào)。經(jīng)測(cè)量，寬帶聲發(fā)射信號(hào)調(diào)理器放大后的聲發(fā)射時(shí)域信號(hào)峰值接近電源軌2.5 V，且信號(hào)本體噪聲峰值為0.01 V，信噪比為48 dB，滿足實(shí)際使用要求。圖5（b）為時(shí)域信號(hào)對(duì)應(yīng)的頻譜圖。由圖5（b）知，寬帶聲發(fā)射信號(hào)調(diào)理器放大后的斷鉛聲發(fā)射信號(hào)頻域范圍大約在10～500 kHz內(nèi)，且斷鉛聲發(fā)射信號(hào)能量在高于2 MHz的頻域范圍內(nèi)幾乎無(wú)分布，這也驗(yàn)證了本文研制的聲發(fā)射信號(hào)調(diào)理器的寬頻帶放大能力。

5　結(jié)論

1）本文從聲發(fā)射信號(hào)寬頻帶分布特點(diǎn)出發(fā)，在分析理論模型后，確定了寬帶聲發(fā)射信號(hào)的線性放大方法，即采用電荷拾取并二級(jí)同相放大加末極Sallen-Key濾波器的電路結(jié)構(gòu)對(duì)聲發(fā)射弱電荷信號(hào)進(jìn)行寬帶線性調(diào)理。

2）寬帶聲發(fā)射調(diào)理器外部用單開(kāi)關(guān)電源供電，簡(jiǎn)化了外部供電設(shè)施，提高了使用方便度；內(nèi)部用電子濾波結(jié)合LDO的方式最大程度濾除外部的電磁干擾和雜散噪聲。

圖5　漢白玉斷鉛實(shí)驗(yàn)

3）本文用multisim12建立了該寬帶聲發(fā)射信號(hào)調(diào)理器的仿真模型并對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證。仿真結(jié)果顯示該調(diào)理器在寬帶范圍內(nèi)對(duì)弱信號(hào)的放大增益為98～64 dB，較為平坦，且從高頻截止頻率處開(kāi)始，放大增益迅速下降，從仿真角度驗(yàn)證了調(diào)理器的寬頻帶信號(hào)調(diào)理能力。

4）本文用巖石斷鉛實(shí)驗(yàn)實(shí)際測(cè)試了該調(diào)理器的電器性能，測(cè)試結(jié)果顯示，該調(diào)理器放大后的斷鉛聲發(fā)射信號(hào)峰值接近電源軌2.5 V，信噪比為48 dB，頻率響應(yīng)均分布在該調(diào)理器的通頻帶范圍內(nèi)，符合實(shí)際使用需要。