压电传感器前置信号接收电路设计

2014-03-26张晋敏唐华杰董珍时

仪表技术与传感器 2014年12期

金浩，张晋敏，唐华杰，谢泉，董珍时

(1.贵州大学电子信息学院，贵州大学新型光电子材料与技术研究所，贵州贵阳 550025；2.北京道冲泰科科技有限公司，北京 100000)

0 引言

压电传感器在桥梁道路状态监控和电力转动设备检测中有着广泛的应用，这种检测方法不仅检测结果精确，而且节约大量的人力和物质成本。现在运用广泛的是IEPE两线制压电传感器，其特点是将电荷放大器和压电材料集成到一起，因此具有抗干扰性强、内阻低，性能稳定、应用简单等优点。

目前，对应不同压电传感器信号的调理电路非常多，但是对激励电流源设计、有源滤波等信号处理模块阐述较少，特别是高通有源滤波采用单电源供电无法对负电压信号进行滤波，曹恒等[1]采用无源滤波的方法处理，但是这种方法带来的负面影响较大，滤波频段会随着负载变化而改变。双电源供电的方式也会使整个电路的稳定性降低。

采用的压电传感器偏置电压为12 V，带宽响应为0.4 Hz～1.3 kHz，总电源采用7.4 V锂电池，有着很强的现场实用性和灵活性；通过运放设计一款电流源，给传感器提供电源，这样可以减少电路中芯片数量从而减少电路的功耗；为了使整体电路更具稳定性，采用单电源供电，因此需要对后端的有源滤波电路进行单电源处理，有源高通滤波部分采用加入滤波偏置电压的方法，使得高通部分的运放可以采用单电源供电完成滤波；在信号处理部分，为了降低对MCU的性能要求，选用AD8436芯片进行RMS均方根计算处理，在测量振动信号时，RMS均方根值能够用于对异常状态检测；最后在实际运用的过程中，通过MCU对多路复用开关的滤波通带进行选择，从而实现对不同目标进行状态监测。该产品对多种异常状态检测有重要的意义。

1 压电传感器

压电传感器具有以下优点：(1)可用于非常宽的频率范围，并且在较宽的频率范围内有良好的线性；(2)加速度信号可以经过信号的电子积分得到位移和速度数据；(3)在较宽的环境范围内有较好的精确度。在不同的应用场合，测量的重点也不同，主要有峰值、峰峰值、平均值和RMS均方根值。而通过对振动信号的RMS均方根运算，能够说明各个振级也与振动的能量有关。

IEPE型两线制压电传感器结构简单，一般仅需要2～10 mA的激励源，其信号输出和激励电流源输入是同一根线。AC192输出偏置电压为12 V，它是一种单一轴向的压电加速度测量计。其加速度测量动态范围可以达到±80 g，根据其灵敏度可以计算输出信号电压±8 V，根据实际应用情况选择测量范围确定电源供电电压有利于降低整体功耗[2]。

文中所论述的方案是针对一些正常振动状态发生异常情况的状态检测，测量的是振动的RMS均方根值。其加速度范围要求±2 V，文中针对这些条件设计出满足要求的电路。

2 信号接收电路设计

信号接收电路设计的总体框架图如图1所示。整个接收电路通过STM32作为主控制芯片负责和上位机通信以及电源的通断；恒流源采用一种运放设计的方法，这样增加了电流源的灵活性；为了增强电路的实用性，采用MCU去选择不同频段的滤波电路，这种方法增强了产品适用性，节约了成本。

图1 信号接收电路总体框架图

2.1 压电传感器激励电流源设计

文中利用低功耗差动放大器实现低成本稳定电流源，具体设计如图2所示[3]。设R3的一端和R5的一端分别为VIN+=VCC和VIN-=0，运放AMP1的正反向输入端U+和U-,R4两端

为U0和U1

对电流源推导如下：

(1)

(2)

运放两端电压：

U+=U-

(3)

由式(1)～(3)可知：

VIN+-VIN-=U0-U1

(4)

差分输入电压出现在R4两端，取R4=512 Ω，VREF=2 V(参考源选择ADR440芯片，温漂3 ppm,误差1%，1 ppm=10-6)；可以得到4 mA的激励电流；运放AMP1选择AD8276芯片，其芯片内部自带4个高精度的40 kΩ电阻，为电路设计带来了方便。

图2电路中，电流源的设计还加入了运放AMP2，可以减少电流源噪声，也增加该电流源的驱动负载能力，其仿真结果如图3所示。随着负载的变化，电流源恒定在4 mA，而实际电路板的测试采用锂电池供电LM2733升压芯片，对于放大器AMP2的选择必须考虑到负载输出电压在AMP2的输入范围之内，由于AC192传感器偏置电压是12 V，因此要求恒流源驱动电压为16 V．

图2 传感器信号调制电路

图3 参考源2 V 负载为200～3 000 Ω时的恒流源仿真

2.2 滤波器设计

为了检测固定的频率信号是否在可靠的范围之内，可以通过滤波的方式增加精确性。为了在实际应用中更加方便、经济，文中设计用多路复用开关，增加一路滤波选择。如图2中的2个多路复用开关TS5A4624，这样就可以针对不同频段的场合，通过MCU的I/O口去选择不同的滤波频段检测特定的设备。

采用巴特沃兹低通和切比雪夫高通进行滤波，如图2中滤波通道中所示的滤波结构，滤波效果完全满足电路需求而且结构简单，容易调整。

在高通滤波中加入了偏置电压VREF[4],如图2中带通滤波电路所示(这里选择的高通偏置电压和前面恒流源的参考电压一致，均为2 V，完全满足量程要求，而且节省资源)，目的是使整体电路采用单电源供电。高通滤波使用有源滤波，偏置电压的加入不仅使滤波能够使用有源滤波，而且为后面的A/D信号采集提供了方便。

2个通道的滤波部分通过Cadence仿真得到的结果如图4和图5所示。

图4 低通通道滤波电路仿真

图5 带通通道滤波电路仿真

3 其他电路的设计

3.1 差分调整电路

为了降低电路整体功耗，方便统一后续器件的供电电压，在满足测量范围要求的情况下，在信号滤波前采用差分运算的方法降低信号偏置电压[5],以和后续的滤波电路相适合；如图2所示，设R8=R12=R2，R9=R10=R1，signal out=(IEPE signal-Vref)(R2/R1),从而得到所需要的理想的电压范围。文中运放选择AD8641，它是轨道轨输出而且供电电压为10～24 V，采用双极性工艺，适合差分电路设计要求。

3.2 RMS均方根运算电路设计

如果采用A/D直接采样，使用MCU运算，对处理器的性能要求比较高；而采用AD8436可以精确地计算出交流信号的有效值，而且在+5 V单电源供电情况下，电流为350 μA，降低了电路整体功耗。

图6电路中，C7和R2构成了在交流信号下放大而直流偏置不变的放大电路,通过R2来调整实际信号的灵敏度。U2是三端电容，用于过滤信号的高频，这样可以更好地增加整体电路高频频段的滤波性能。C5、R1和R4为调试旁路，在文中所述模块中，前面的滤波电路已经将信号的大小调理到了0 V以上的合理范围内，所以可以根据实际情况选择接法，这样的冗余设计在实际的电路设计中增加了电路的灵活性，以保证产品的设计成功率；采用这样的设计显著降低MCU的工作量，给处理器的选择带来了方便。