120吨双轴伺服压机载荷前置放大器设计与应用

齐文博，刘力强，刘培洵，郭彦双

（中国地震局地质研究所 北京100029）

120吨双轴伺服压机载荷前置放大器设计与应用

齐文博，刘力强，刘培洵，郭彦双

（中国地震局地质研究所 北京100029）

针对岩石变形研究所使用的双轴伺服压机的环境电磁干扰大的特点，所设计的低噪声载荷前置放大器配备了开关电源滤波电路；放大器具有系统零点补偿电路，可有效补偿双轴伺服压机系统由于环境温度变化、压机系统零漂等因素所带来的检测压力的零点不稳定现象。新设计的载荷前置放大器可稳定且线性地放大载荷传感器输出的微弱信号；其应用于120吨双轴伺服压机的伺服控制中时，可实时地跟踪伺服控制压力，稳定地实现120吨双轴伺服压机的载荷闭环检测与控制。

载荷传感器；前置放大；开关电源滤波；零点补偿；载荷闭环检测控制

构造变形与物理场实验研究[1-3]常采用双轴卧式压机对岩石样品进行压力加载，从而研究岩石变形或者粘滑[4]时的物理特性变化。双轴卧式压机采用全桥应变片式的载荷传感器来检测压力加载过1程中的载荷变化量，压机可加载至的最高载荷为120吨。构造变形与物理场实验过程常常会处在较为复杂的电磁环境中，如周围环境的电磁辐射噪声和压机本身的继电器开关脉冲辐射噪声等，这些辐射噪声会耦合在微弱的载荷信号中使得放大后的压力信号信噪比大大降低。基于此，本文设计了一款抗干扰低噪声、高稳定度与高载荷检测能力的压机载荷前置放大器，以便较好地服务于构造变形与物理场实验研究。

1 120吨双轴压机载荷传感器检测原理

120吨双轴伺服压机如图1所示，其采用计算机控制液压伺服检测与控制系统。

计算机通过检测加载压力的变化和油缸位移的变化来控制载荷加载量或者位移加载量，以实现岩石样品变形时的载荷变化与保持或者位移变化与保持。伺服控制系统的载荷采样率为100Hz，载荷控制加载速率最小为10 kg/s，且载荷变化范围为0-120吨，这要求载荷前置放大器需要较高的信噪比和较宽的检测电平变化范围，无疑加大了载荷前置放大器的设计难度。120吨双轴压机使用的载荷传感器采用全桥应变片结构，每个桥臂上的应变片阻值为350 Ω，这种结构的压力传感器可以补偿温漂带来的测量误差[5-6]。四个应变片均粘贴在双轴压机的油缸推进臂上，其结构示意图如图2所示。

图1 120吨双轴卧式压机

图2 压机载荷传感器结构示意图

当应变片粘贴在油缸推进臂上后随着受载变形时，它的电阻值将发生变化，且阻值的变化率满足公式（1）。

公式（1）中R为应变片的初始电阻，DR为应变片电阻的变化量，K为应变片的灵敏系数。当应变桥处于平衡状态时，其满足公式（2）。若双轴压机的油缸推进臂受加载载荷影响而产生形变时，将导致应变桥臂中两个应变片受拉，其余两个应变片受压，此时应变桥处于不平衡状态，满足公式（3）。

公式（3）中 R1=R2=R3=R4=350Ω，DR1、DR2、DR3、DR4为各个应变片的阻值变化量，E为应变桥的供桥电压。通常公式（3）中输出的U0很微弱，幅度为几mV~几十mV，且供桥电压E的稳定性和噪声水平将直接影响U0的信号质量；若E的噪声较大，则U0中将叠加大量的电源噪声，这会大大降低放大后信号的信噪比。综上可知，双轴压机的载荷传感器需要一个低噪声、高稳定度的直流供桥电源和较大放大倍数的放大器。

2 总体设计

考虑到放大器的整体检测精度要求，设计采用低噪声直流供电系统对整个电路进行供电。为了缩小供电系统体积和提高供电接口的通用性，设计采用5V输入的DCDC模块产生模拟器件所需的正负电源轨。全桥应变式载荷传感器所需的高精度直流供桥电源由降噪后的正电源轨经高精度降压基准芯片产生。载荷传感器输出的微弱信号经过仪表放大器的放大后送入到ADC采样芯片中去处理。前置放大器的总体设计示意见图3。

图3 前置放大器总体结构图

3 硬件设计

3.1 模拟供电电源设计

DCDC直流模块包含大量的瞬时尖峰脉冲和电源纹波，这些会很容易耦合到其它模拟器件中，导致放大后的有用信号被噪声湮没，因此DCDC直流模块需要降噪处理。LDO降压芯片具有良好的输出电压线性度和较高的电源抑制比PSRR，这里采用DCDC模块后接两级LDO芯片平滑部分电源纹波[7-8]，第一级用LM7812、LM7912将DCDC模块输出的正负15 V电压降低到正负12 V，第二级用低压差、高PSRR的LDO芯片LT1963A、LT3015进一步将电源电压降低正负10V左右。此处输出的正负10V电源仍包含有较高的电源纹波，可采用LC低通滤波器[9]滤除从而得到模拟芯片所需干净的正负电源轨。DCDC直流模块输出电源中的瞬时尖峰脉冲可用多级磁珠滤除。图4为模拟供电电路图，图中部分滤波电容未显示。

3.2 高精度供桥电源设计

如章节1所述，全桥载荷传感器需要一个高精度、高稳定度的供桥电源，以保证全桥载荷传感器输出的微弱信号尽量不受电源噪声和电源电压波动带来的影响。设计将模拟供电电源输出的正10 V电源作为高精度供桥电源的输入，选用低温漂系数的电压基准芯片ADR02输出10 mA，5 V的高精度供桥电压，并用MOSFET-N管扩流。这种电路结构不仅可以大大降低桥压的纹波，而且可以提高供桥电源电流输出能力，最大输出电流为MOSFET管的值。高精度供桥电源设计图见图5，图中电源解耦部分未显示。

图4 模拟供电电路图

图5 高精度供桥电源电路图

3.3 信号放大与后级滤波

全桥载荷传感器输出的信号非常微弱，通常为几mV~几十mV，若要将信号放大到5 V范围内，则放大倍数为几百倍；普通运算放大器在放大倍数超过20倍后大都会自激[10-11]，且普通运算放大器通常放大单端信号，无法无失真地放大全桥传感器输出的差分信号。差分仪表放大器具有高共模抑制比、高输入阻抗、低噪声、低线性误差和低失调漂移高增益等特点，可以完美放大输入的微弱差分信号。仪表放大器的选取可依据公式（4）。

公式（4）中，Slew为仪表放大器的压摆率，F为要放大的信号的频率上限，Vop为仪表放大器输出的信号单峰值，实际使用时一般取两倍所需的压摆率。满足公式（4）的仪表放大器可线性无失真地放大被测信号。考虑双轴压机工作所处的电磁环境较为复杂，电路需要对被测信号进行射频干扰滤波。采用共模电感和射频滤波器可有效降低周围环境的射频噪声[12]。射频滤波器参数选取参照公式（5）。

图6 信号放大与零点电平调整设计图

4 硬件测试与实验应用

4.1 硬件测试

图7（a）为载荷前置放大器的实物图，外壳采用全金属包裹以屏蔽电磁辐射。为了对载荷前置放大器进行测试，本文设计了由两个10K精密可调电阻组成的一个全桥电阻桥模拟全桥载荷传感器，信号发生器33250A的输出信号作为全桥电阻桥的供桥电压。当全桥电阻桥处于不平衡状态时，载荷前置放大器对其输出的mV级信号进行放大，整个测试平台示意图如图7（b）所示。

图7 硬件实物与测试平台图

当载荷前置放大器放大倍数为420倍时，32250A信号发生器对不平衡电阻桥施加10Vpp，10 Hz~1 kHz的正弦波桥压信号（频率步进量10 Hz），可得如图8所示的载荷前置放大器带宽响应曲线。由图8知，当激励信号频率为10 Hz时，载荷前置放大器仍能无失真地放大mv级信号，且放大后信号峰值为0.73 V；图8中载荷前置放大器对110 Hz~1 kHz的微弱信号进行放大时，其输出信号幅度波动很小；当频率超过1 kHz时，电压响应曲线开始下降，满足3.3节的设计目标，且放大器在低频时的频率响应平坦度良好。图9为测试的典型频率的放大信号，结果表明，载荷前置放大器在低频时均能无失真地放大输入端的毫伏级信号。

图8 载荷放大器低频响应图

图9 载荷放大器放大后信号

4.2 实验应用

图1所示的120吨双轴压机的两个加载臂分别标记为X方向和Y方向，两个载荷前置放大器分别检测这两个方向加载臂的载荷变形量。X和Y方向的载荷变形量反馈到伺服控制计算机加以处理后来驱动两个方向的液压伺服阀进而控制加载臂的进退量。本文采用岩石样品的粘滑实验[4]来检测载荷前置放大器的运行性能。双轴压机的X方向载荷保持为7.5吨，Y方向采用载荷控制方式加载压力并加载至1450 s处，加载速率为10 kg/s；之后，Y方向卸载压力，卸载速度为50 kg/s。整个实验加载和卸载载荷过程见图10。

图10中，两个方向的载荷前置放大器的输出信号均能完整无误地跟踪当前时刻载荷伺服控制目标值。X方向在载荷目标值保持时，其放大器输出信号基本无变化，即载荷前置放大器长时间运行时的稳定性良好；Y方向的载荷变化曲线既可以实时跟踪Y方向的伺服载荷控制目标量，又可以无误地展示岩石粘滑时的载荷突变情况，即载荷前置放大器的稳态响应和瞬态响应灵敏度都可以满足岩石粘滑实验的要求。

图10 双轴压机载荷加载与卸载过程

5 结 论

1）该载荷前放大器采用DCDC模块和LDO芯片相结合的方式进行电源滤波降噪，且具有前端射频滤波功能，既确保了放大器的信噪比，又使其不受周围环境电磁干扰的影响。

2）该载荷前置放大器采用仪表放大结构，可线性地放大全桥式载荷传感器输出的微弱信号，且其在低频范围内的电压响应平坦度良好，满足实际使用要求。

3）该载荷前置放大器应用于高吨位伺服双轴压机的伺服闭环控制时，可线性地检测与跟踪当前载荷的伺服目标值，长时间运行时的稳定性良好，可满足120吨双轴伺服压机的载荷闭环检测与控制要求。

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The design and application of load preamplifier used in 120 ton biaxial servo press

QI Wen-bo，LIU Li-qiang， LIU Pei-xun，GUO Yan-shuang
（Institute of Geology， China Earthquake Administration， Beijing 100029， China）

According to the characteristics of large environmental electromagnetic interference of biaxial servo press used in study of rock deformation，the designed super low noise preamplifier is equipped with the switching power filter circuit.The amplifier has zero compensation circuit of system，which can effectively compensate the instability of zero point of pressure caused by the change of environment temperature and zero drift of the press system.The newly designed load preamplifier can stably and linearly amplify the weak signals output from the load sensor；while the preamplifier can track the servo control pressure real-timely，and closed loop detection and control of load in 120 ton biaxial servo press can be realized stably，when the preamplifier is applied to the servo control of 120 ton biaxial servo press.

Load sensor； preamplifier； switching power filter； zero compensation； closed loop detection and control of load

TN721.1

A

1674－6236（2017）12-0060-05

2016-07-02稿件编号：201607011

中国地震局地质研究所中央级公益性科研院所基本科研业务专项（IGCEA1612）

齐文博（1985—），男，河南新野人，硕士，工程师。研究方向：电子技术开发与应用和构造变形与物理场实验研究。