低噪声声发射信号调理系统设计

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（天津大学 精密仪器与光电子工程学院，天津 300072）

声发射是材料中由局部应力集中源的能量迅速释放而产生瞬时弹性波的现象。用仪器探测、记录和分析声发射信号以及利用声发射信号推断声发射源的技术称为声发射检测技术。由于该技术具有效率高、成本低、灵敏度高等优点，已经广泛用于对材料力学性能检测、大型结构健康监测等领域［1]。近些年，金属腐蚀的声发射在线检测技术研究是国内外声发射检测领域的热点［2－3]。根据研究，金属腐蚀过程中会产生极其微弱的声发射信号，而在腐蚀不同阶段声发射信号的特征也不尽相同，这就为检测腐蚀类型和程度提供了依据［4]。尤其对于应力腐蚀开裂检测来说，发现早期的裂纹萌生和扩展，对于金属结构的安全监测具有重要的现实意义［5]。

现代声发射仪的结构一般由声发射传感器、信号调理系统、数据采集系统、主控制器、存储器、通讯模块和电源模块等组成［6]。其中信号调理系统是实现检测微弱声发射信号的关键，其主要功能就是将声发射传感器输出的微弱信号进行放大和滤波。将μV级的信号放大到数据采集系统的量程至少需要百倍甚至千倍。要实现如此高的放大倍数，对电路的稳定性和噪声抑制能力均提出了更高的要求。笔者在分析噪声的基础上，针对金属腐蚀声发射信号的特点，设计并实现了一种结构简单、信噪比高的声发射信号调理系统。

(三)死刑的执行。在刑事司法实践中，死刑的执行同样留有余地，可以免除一死。这些余地，不仅是法律对人生命的尊重，更是给合法不合理案件留有修正的机会。死刑的执行中，有缓刑、流放等多种替代方式。在弥尔松的《普通法的历史基础》中这样记载：“在18、19世纪里，只有少部分死刑判决得到执行，大部分都被以流放的形式执行”。那个时候，大部分死刑犯人被流放到美国、澳大利亚等英国殖民地，而真正实行死刑的人并不多，可苔丝就不幸成为其中一位。

1)风机风筒内气流流动类似于管道内气体流动，参考管道内气流速度分布特征，断面Ⅰ—Ⅰ平面内风流并非均用分布，机壳附近气流速度小而静压大，而风筒中心区域气流速度大而静压小，而断面Ⅰ—Ⅰ处静压测点布置在机壳上，因此测得断面Ⅰ—Ⅰ静压大于断面Ⅰ—Ⅰ实际平均静压，造成测得的风机风量大于真实风量。

1 信号调理系统设计

声发射传感器一般采用压电陶瓷作为敏感元件，其在外部应力作用下会产生电荷，因此首先需要采用电荷放大电路将微弱的电荷信号转换成电压信号［7]。该电压信号还需要进一步放大和滤波以满足模数转换的量程范围和噪声要求。整个信号调理系统包括电荷放大电路、电压放大电路和带通滤波电路。

1.1 电荷放大电路

式中：K为波尔兹曼常数（1.38×10－23J/K）；T为热力学对温度；B为带宽；R为电阻。

图1 电荷放大电路的实际等效电路模型

式中：1.3为滤波器修正系数；A为该噪声信号的输出总增益；VN为频域的噪声值。

从表1中可以看出，在电路中起决定作用的噪声源为电荷放大器所用运放的电压噪声VN2，故选用输入电压噪声小的运算放大器实现电荷放大器是减小整个系统噪声的关键。

由于后面滤波器的存在，故可以忽略滤波频带以外的噪声，于是按照式（3）计算各项输出噪声电压VRMS：

由于输入电缆电容的增大和反馈电容的减小会在输出端引起较大的噪声电压，而运算放大器的零漂则会因反馈电阻的减小和放大器输入电阻的减小而增大。因此经综合考虑选取R＝22 kΩ，C＝100 p F，以在保证高电荷灵敏度的同时使信号的失真度控制在可接受的范围内。

1.2 电压放大电路

由于声发射信号非常微弱，故经过电荷放大器的Q/U转换后还需要对信号进行放大。当放大倍数为60 dB、带宽达1 MHz时即可满足金属腐蚀声发射检测的要求［8]。在放大电路的实现上，考虑到反相放大电路输入阻抗低，不能满足低噪声的要求，故采用同相放大电路，如图2所示。

图2 同相放大电路

考虑到对增益、带宽的要求，需要高速放大器，故采用AD829，其单位增益带宽积可达130 MHz，共模抑制比为120 dB，完全满足信号带宽和同相放大电路对运放共模抑制比的要求。补偿电容C6可以使运放在低放大倍数条件下稳定工作，R2和R1的比值决定了放大电路的放大倍数，C2做相位补偿，C1限制信号的低频通路，使放大电路表现为高通特性，滤除低频信号，以抑制音频干扰。

1.3 带通滤波器设计

为进一步抑制音频和高频电磁噪声的干扰，还必须在放大电路之后增加带通滤波电路。由于压控电压源型（Sallen－key）滤波器对运放理想程度依赖性最低，故基于Sallen－key滤波器模型［9]，设计了一个由四阶低通串联二阶高通组成的巴特沃斯型带通滤波电路［10]，如图3所示。其－3 dB带宽为100～500 kHz。

图3 Sallen－key带通滤波器设计

2 电路噪声分析

对于裂纹萌生、金属点蚀等检测，能够检测到越微弱的声发射信号越有利于及时发现被检测对象早期的缺陷。因此对电路噪声进行分析，进而有针对性的进行抑制，是实现低噪声声发射信号调理系统的关键。

电路中噪声源主要由运放的电压噪声、电源噪声和电阻热噪声组成［11]。其中电阻热噪声可根据式（2）计算。

工序加工能耗包括工序加工过程中的切削过程能耗、空切过程能耗、工件装夹过程能耗和磨顿换刀过程能耗[11]。因此，调度过程中的工序加工能耗

传感器与电荷放大电路的等效电路模型，如图1所示。

国家“十三五”规划纲要提出，注重高校创新型人才的培养：“实行学术人才和应用人才分类、通识教育和专业教育相结合的培养制度，强化实践教学，着力培养学生创意创新创业能力”；“加快学习型社会建设”[1]。这些规划纲要的发展理念和建设目标，对高校通识教育发展方向有普遍的指导意义，通识教育成为各高校人才培养模式变革研究的热点。

图中，VN1和VN2分别代表运放U1和U2的电压噪声，VN＿R1代表电阻R1的热噪声。R6为声发射传感器的内阻，C4为声发射传感器的等效电容，由试验测得。

图4 前端放大电路的噪声模型

由于电路中前端的电荷放大电路和同相比例放大电路的信号增益很大，是主要噪声源，故主要分析这部分电路的噪声。其等效噪声模型如图4所示。

式中：K为运算放大器N的开环放大倍数；ω为传感器供电角频率。

图1中Q，Cs以及漏电阻Rs并联构成了声发射传感器的等效电路模型，Cc是电缆电容，Ri和Ci分别为所选的运算放大器的输入阻抗和输入电容。考虑到C电荷的泄放和加入直流负反馈以稳定工作点，在C两端并联电阻R。则电路输出为：

经计算得系统主要噪声值如表1所示。

表1 系统噪声主要噪声源及其均方值

(5)稳定运行8 h后，对液硫外输泵(P-303)出口的液硫和气相分别取样，分析液硫中硫化氢含量、酸度以及气相中硫化氢含量;若液硫中硫化氢质量分数仍大于15×10-6，提高流量调节阀FV-31201、FV-31301开度，将流量增至850 m3/h。

3.开拓创新，增强企业发展的适应性。数字化时代最大的特点是快，其将快速消费文化发挥得淋漓尽致。在此情形下，就要求企业更加具有创新意识，谨记“大众创业，万众创新”理念，在国家政策的指引下积极投身于企业创新发展，增强企业对现代市场发展的适应性，促进企业快速发展。

3 试验验证

3.1 系统底噪测试与分析

为测试系统底噪，必须消除环境声学噪声通过传感器耦合进电路的影响，故采用一个与传感器等效电容大小相近的1 000 p F聚苯乙烯电容代替传感器。经测试，噪声峰峰值约为40.0 mV，如图5所示。

图5 噪声测试结果

而利用噪声模型计算得系统理论噪声为：

2.围绕提升专业能力素质构建专业支撑课程。支撑课程是对学员专业能力素质起基础和支撑作用的课程，对打牢学员的学科专业基础、掌握扎实的专业理论知识，提高对部队装备和训练变换的适应能力有着重要作用。对于这类课程的定位，要充分考虑部队任职岗位及未来岗位变化对学员专业能力的要求。既要注重让学员掌握宽厚的专业基础知识，又兼顾让学员掌握专业技术学习和训练的基本方法，形成知识迁移和自主学习的能力，为学员的后续发展进行知识储备。

式中：A为信号增益，包括电荷放大增益和放大电路增益。

从理论计算结果看，电路实际噪声与理论一致。由于电路放大倍数为1 000，故该系统实际底噪VNrms＝40 000μV/6.6/1 000≈6.6μV。能够满足金属腐蚀声发射信号采集的要求。

为了进一步验证电荷放大电路中运放噪声对系统噪声的影响，将电荷放大电路中的AD745换成了输入噪声较大的AD820，经计算理论噪声值为114.5 mV，测试得噪声峰峰值为119.2 mV，比采用AD745时噪声增大了3倍。可见电荷放大器中运算放大器的输入电压噪声是影响整个系统噪声的主要因素。

3.2 金属腐蚀声发射检测试验

为验证系统的腐蚀声发射信号检测能力，设计了如图6所示的试验系统，在Q235钢板上封装了浓度为3.5%的NaCl溶液，在钢板的另一面安装美国物理声学公司的wsα型宽频声发射传感器接收腐蚀产生的声发射信号。采用带有AD采集卡的PC104进行信号采集。系统采样率为1 MSPS，采样精度12位，量程±5 V。经过6 h试验，接收到大量声发射信号，其典型波形如图7所示。与文献［12]中所述的因点蚀产生的声发射信号相符。接收到的所有声发射信号幅值与时间分布如图8所示。从图8中可以看出，随着试验时间增加，单位时间内产生的声发射信号数量以及幅值呈现减少趋势。该现象表明随着腐蚀时间增加，腐蚀产物逐渐堆积，影响了腐蚀进一步的产生，同样与文献［12]结论相符。由此可见，系统能够稳定长时间捕获微弱的腐蚀声发射信号。

图6 金属腐蚀声发射检测试验系统

图7 典型声发射信号波形及其频谱图

图8 声发射信号幅值随时间的分布图

4 结语

采用电荷放大电路、电压放大电路和带通滤波器三级结构设计了一种低噪声声发射信号调理系统。经试验验证，其系统噪声指标约为6.6μV，可用于金属腐蚀声发射检测。理论分析与试验表明，电荷放大电路中运算放大器的输入电压噪声是影响电路噪声的主要原因，选用低噪声高输入阻抗运放可以明显降低系统噪声。该系统结构简单，性能稳定，可用于实现嵌入式声发射检测系统。

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