高阻运放CA3140在压电式加速度传感器信号调理电路中的应用

张青春

（淮阴工学院 电子与电气工程学院，淮安 223003）

0 引言

随着科学技术的发展，结构的动态测试和故障诊断已成为人们关注的焦点。动态测试的主要任务包括：激励被测对象，产生振动信号；借助于各类振动测量传感器，获取振动信号；信号调理电路对传感器输出信号进行处理；计算机采集和分析动态信号，实现结构内部缺陷的诊断和设备运行状况的在线监测。

图1为基于虚拟仪器动态测试系统框图，由激振源、加速度传感器、信号调理电路、数据采集器、计算机与LabVIEW图形化软件等模块组成。激振源一般采用激振器或锤激方法，产生激励信号；加速度传感器（或振动传感器）、信号调理电路，将被测的振动信号转变为0～5V电压信号；数据采集器将模拟电源信号转变为数字信号送给计算机，通过Labview图形化软件，完成信号的采集与分析。

本文根据工程动态测试的需要，针对动态测试中普遍存在的信噪比低、信号质量差、干扰严重等实际问题，通过对常用的压电式加速度传感器输出信号的调理电路进行分析与研究，提出了一种经济、可行的解决方案，设计一种新型、实用信号调理电路。

图1 动态测试系统框图

1 信号调理电路的组成与实现[1,2]

信号调理电路一般由电荷放大器、适调放大器、低通滤波器、高通滤波器、输出放大器等部分组成，其原理框图如图2所示。

图2 信号调理电路框图

压电式加速度传感器输出的高阻电荷信号首先经电荷放大器转变为低内阻电压信号，再经适调放大器归一后送入低通滤波器、高通滤波器，经输出放大器放大后达到0～5V电压信号，再输出给数据采集器。

1.1 电荷放大器

电荷放大器是整个信号调理电路的核心部分，这部分的作用是将压电传感器的输出电荷信号Q转换成电压信号V。它由运算放大器和反馈网络组成。

本设计采用的Intersil公司CA3140高阻运算放大器，其输入阻抗为1.5T，输入电容为4pF，增益带宽为4.5MHz，宽带等效输入噪声电压为48μV，转换速率为9V/μS，供电电压为±15V。是一种具有卓越性能的运算放大器，具有广泛的应用范围，常用于各类放大器、有源滤波器、比较器等电路设计中。

为了保证精度，反馈电容采用稳定性及绝缘电阻高的精密聚苯乙烯电容。为了保证电路的增益，考虑到压电加速度传感器的输出电荷量，反馈电容Cf一般取100pF～10000pF。

电荷放大器电路图如图3所示。在高阻放大器的反向输入端选用0.22μF电容和一个RC并联电路串联，其作用是消除压电传感器的零漂；同时为了保护运放CA3140 ,在其反相端串接电阻R1；为避免运放CA3140产生自激振荡,在R1两端并联电容C2 实现相位补偿。根据运算放大器本身性能，选择正向输入端的可变电阻R2为10kΩ。

图3 电荷放大器电路图

图4 适调放大器电路图

1.2 适调放大器

为了保证被测量一定时，不同灵敏度的传感器经过测量电路后有相同的输出，以便波形及数据的显示和处理，在电荷放大器后增加一级适调放大器。假定传感器的电荷灵敏度SQ=Q1/g，电荷放大器的增益为KQ=V1/Q1，适调放大器的增益为K1=VO/V1，则总的传递系数为三者的乘积：

当反馈电容Cf一定时,KQ是常数；传感器的灵敏度不同时,适当调节适调放大器的增益K1，可使总增益K不变。

适调放大器电路图如图4所示。电路中R4=2kΩ，R5=10kΩ，可变电阻 R6=100kΩ（计算时取20 kΩ），试验所采用加速度传感器SQ=1PC/m·s-2，1g=9.8m·s-2，代入上式可计算电路增益为：

若选用的加速度传感器SQ为其它值，只需要调节R6，就可以使整个电路的增益K保持不变，适调放大器能得到同的输出，达到归一化的目的。

1.3 低通滤波器

压电加速度传感器是一个弱阻尼的振动系统，它的幅频特性高频段有一个很高的共振峰，此峰值严重地引起了高频噪声，并对输入信号产生失真和干扰。为此，采用低通滤波器，以补偿传感器引起的高频幅频特性。另外，由于电荷放大器的通频带有时远远高于实际的需要，而无用的高频带将影响低频信号的测试，因此需要采用低通滤波器，滤除高频分量。

低通滤波器电路图如图5所示。在RC网络上加上运算放大器等元器件，组成有源RC低通滤波器。有源RC低通滤波器在通带内不但无衰减，而且有一定的增益。采用快速设计方法，通过查表确定有源巴特沃斯低通滤波电路参数。设低通滤波器的截止频率为fc，则当fc= 40kHz，取C4 = C5 = 0.5nF，R7 = 1.2kΩ，R8 = 2.4kΩ，R9 =R10 = 6.8kΩ； 当 fc= 60kHz， 取 C4 = C5 = 0.4nF，R7 = 4.7kΩ，R8 = 9.5kΩ，R9 = R10 = 28.4kΩ； 当 fc= 100kHz， 取 C4 = C5 = 0.1nF，R7 = 11.3kΩ，R8 =22.6kΩ，R9 = R10 = 67.5kΩ。

图5 低通滤波器电路图

1.4 高通滤波器及输出放大器

为了减少直流漂移影响，滤掉电源50Hz的干扰信号，在低通滤波器后加一个高通滤波器。本设计的高通滤波器由一阶RC电路和运算放大器组成。由于信号通过高通滤波电路后将有一定的衰减，同时为了改变整个信号调理电路的增益，以满足数据采集器输入信号的要求。因此，在电路中设计一个输出放大器。高通滤波及和输出放大器电路图如图6所示。电路具体参数确定如下：

图6 高通滤波器及输出放大器电路图

1）输出同相放大器增益A，由电阻R13与R12的比值确定。

2）为了滤掉50Hz的电源干扰信号，设计高通滤波器的下限频率为100Hz，取C6 = 100nF，根据公式：fL= 1/2pRC，可得R11 = 16kΩ。

2 试验与调试

2.1 加速度信号测量

试验中采用的BZ1103压电式式单轴加速度传感器，灵敏度为1PC/ms-2，谐振频率为35kHz。将传感器安放在砼楼板底面上，用锤击的方法在传感器附件进行激振产生应力波，加速度传感器感测声波输出电荷信号，将其输出接电荷放大器输入端，信号调理电路的输出端接虚拟示波器信号输入端。通过如下两种测试分析，检验信号调理电路整体性能。

1）采用DSO-2090数据采集器，在相同的采样频率100KHz、相同的2V显示量程下调节不同的放大倍数得出的两个波形图。根据实测的两个波形比较，信号调理电路增益改变，显示波形幅值随之变化，且具有良好的稳定性、同步性和抗干扰能力。

2）采用DSO-2090数据采集器，在相同的采样频率100kHz、相同的1V显示量程下，信号分别通过常规电荷放大器和设计的信号调理电路时输出波形图。根据实测的两个波形比较，本设计电路的性能明显优于常规的电荷放大器，完全能够满足工程动态测试需要。

2.2 测试中干扰信号分析[3]

在调试过程中遇到的最大问题是对噪声信号的处理。本设计选用高输入阻抗放大器，被测的信号比较微弱，所以信号对外界噪声干扰特别敏感，电缆的抖动，输入端的清洁，屏蔽的接地都能对信号产生影响，所以在试验时应注意以下两点：

1）连接导线的固定：连接的导线虽然是低噪音电缆，但若接头固定不当，也会产生一些噪声，导线的抖动或弯曲会引起导线间的分布电容和电荷量的变化。因此，试验时加速度传感器与信号电荷放大器之间连接导线的接头必须牢靠，在传感器近端的导线尽可能平直。

2）接地点的选择：当信号调理电路与压电加速度传感器、数据采集器组成测试系统时，往往由于接地点选择不当，各点的地电位不相等，会引入严重的干扰，使测量无法进行。因此测量系统最好只有一个接地点。

3 结论

针对常用的压电式加速度传感器测量电路设计复杂、价格昂贵、信噪比低的现状，提出采用集成芯片进行测量电路设计，降低电路设计成本、提高电路的信噪比、增强电路的稳定性和可靠性。

通过对信号调理电路的有关理论研究，分析了压电加速度传感器的测量电路特点和干扰因素，提出了采用集成运放CA3140实现电荷放大、带通滤波、输出放大功能；完成了信号调理电路的硬件设计和测试分析。试验结果表明：信号调理电路采用了模块化、集成化的设计方法，功能齐全、性价比较高，完全能够满足各类压电式传感器信号调理的要求，可用于设备、结构的动态监测和故障、缺陷诊断，具有较高的推广应用价值。

[1] 李勇, 艾竹君, 刘巧云. 一种新型电荷放大器的设计方法与电路[J]. 合肥工业大学学报(自然科学版), 2006, 29 (12).

[2] 邓维礼, 秦岚, 刘俊, 许斌. 基于Multisim 的准静态电荷放大器仿真分析[J]. 国外电子测量技术, 2009, 28 (4).

[3] 周荣华. 加速度计灵敏度校准方法的研究[J]. 汽车科技,2005, (4).