壓電傳感器前置信號接收電路設計

金 浩，張晉敏，唐華杰，謝 泉，董珍時

(1.貴州大學電子信息學院，貴州大學新型光電子材料與技術研究所，貴州貴陽 550025；2.北京道沖泰科科技有限公司，北京 100000)

0 引言

壓電傳感器在橋梁道路狀態監控和電力轉動設備檢測中有著廣泛的應用，這種檢測方法不僅檢測結果精確，而且節約大量的人力和物質成本?，F在運用廣泛的是IEPE兩線制壓電傳感器，其特點是將電荷放大器和壓電材料集成到一起，因此具有抗干擾性強、內阻低，性能穩定、應用簡單等優點。

目前，對應不同壓電傳感器信號的調理電路非常多，但是對激勵電流源設計、有源濾波等信號處理模塊闡述較少，特別是高通有源濾波采用單電源供電無法對負電壓信號進行濾波，曹恒等[1]采用無源濾波的方法處理，但是這種方法帶來的負面影響較大，濾波頻段會隨著負載變化而改變。雙電源供電的方式也會使整個電路的穩定性降低。

采用的壓電傳感器偏置電壓為12 V，帶寬響應為0.4 Hz～1.3 kHz，總電源采用7.4 V鋰電池，有著很強的現場實用性和靈活性；通過運放設計一款電流源，給傳感器提供電源，這樣可以減少電路中芯片數量從而減少電路的功耗；為了使整體電路更具穩定性，采用單電源供電，因此需要對后端的有源濾波電路進行單電源處理，有源高通濾波部分采用加入濾波偏置電壓的方法，使得高通部分的運放可以采用單電源供電完成濾波；在信號處理部分，為了降低對MCU的性能要求，選用AD8436芯片進行RMS均方根計算處理，在測量振動信號時，RMS均方根值能夠用于對異常狀態檢測；最后在實際運用的過程中，通過MCU對多路復用開關的濾波通帶進行選擇，從而實現對不同目標進行狀態監測。該產品對多種異常狀態檢測有重要的意義。

1 壓電傳感器

壓電傳感器具有以下優點：(1)可用于非常寬的頻率范圍，并且在較寬的頻率范圍內有良好的線性；(2)加速度信號可以經過信號的電子積分得到位移和速度數據；(3)在較寬的環境范圍內有較好的精確度。在不同的應用場合，測量的重點也不同，主要有峰值、峰峰值、平均值和RMS均方根值。而通過對振動信號的RMS均方根運算，能夠說明各個振級也與振動的能量有關。

IEPE型兩線制壓電傳感器結構簡單，一般僅需要2～10 mA的激勵源，其信號輸出和激勵電流源輸入是同一根線。AC192輸出偏置電壓為12 V，它是一種單一軸向的壓電加速度測量計。其加速度測量動態范圍可以達到±80 g，根據其靈敏度可以計算輸出信號電壓±8 V，根據實際應用情況選擇測量范圍確定電源供電電壓有利于降低整體功耗[2]。

文中所論述的方案是針對一些正常振動狀態發生異常情況的狀態檢測，測量的是振動的RMS均方根值。其加速度范圍要求±2 V，文中針對這些條件設計出滿足要求的電路。

2 信號接收電路設計

信號接收電路設計的總體框架圖如圖1所示。整個接收電路通過STM32作為主控制芯片負責和上位機通信以及電源的通斷；恒流源采用一種運放設計的方法，這樣增加了電流源的靈活性；為了增強電路的實用性，采用MCU去選擇不同頻段的濾波電路，這種方法增強了產品適用性，節約了成本。

圖1 信號接收電路總體框架圖

2.1 壓電傳感器激勵電流源設計

文中利用低功耗差動放大器實現低成本穩定電流源，具體設計如圖2所示[3]。設R3的一端和R5的一端分別為VIN+=VCC和VIN-=0，運放AMP1的正反向輸入端U+和U-,R4兩端

為U0和U1

對電流源推導如下：

(1)

(2)

運放兩端電壓：

U+=U-

(3)

由式(1)～(3)可知：

VIN+-VIN-=U0-U1

(4)

差分輸入電壓出現在R4兩端，取R4=512 Ω，VREF=2 V(參考源選擇ADR440芯片，溫漂3 ppm,誤差1%，1 ppm=10-6)；可以得到4 mA的激勵電流；運放AMP1選擇AD8276芯片，其芯片內部自帶4個高精度的40 kΩ電阻，為電路設計帶來了方便。

圖2電路中，電流源的設計還加入了運放AMP2，可以減少電流源噪聲，也增加該電流源的驅動負載能力，其仿真結果如圖3所示。隨著負載的變化，電流源恒定在4 mA，而實際電路板的測試采用鋰電池供電LM2733升壓芯片，對于放大器AMP2的選擇必須考慮到負載輸出電壓在AMP2的輸入范圍之內，由于AC192傳感器偏置電壓是12 V，因此要求恒流源驅動電壓為16 V．

圖2 傳感器信號調制電路

圖3 參考源2 V 負載為200～3 000 Ω時的恒流源仿真

2.2 濾波器設計

為了檢測固定的頻率信號是否在可靠的范圍之內，可以通過濾波的方式增加精確性。為了在實際應用中更加方便、經濟，文中設計用多路復用開關，增加一路濾波選擇。如圖2中的2個多路復用開關TS5A4624，這樣就可以針對不同頻段的場合，通過MCU的I/O口去選擇不同的濾波頻段檢測特定的設備。

采用巴特沃茲低通和切比雪夫高通進行濾波，如圖2中濾波通道中所示的濾波結構，濾波效果完全滿足電路需求而且結構簡單，容易調整。

在高通濾波中加入了偏置電壓VREF[4],如圖2中帶通濾波電路所示(這里選擇的高通偏置電壓和前面恒流源的參考電壓一致，均為2 V，完全滿足量程要求，而且節省資源)，目的是使整體電路采用單電源供電。高通濾波使用有源濾波，偏置電壓的加入不僅使濾波能夠使用有源濾波，而且為后面的A/D信號采集提供了方便。

2個通道的濾波部分通過Cadence仿真得到的結果如圖4和圖5所示。

圖4 低通通道濾波電路仿真

圖5 帶通通道濾波電路仿真

3 其他電路的設計

3.1 差分調整電路

為了降低電路整體功耗，方便統一后續器件的供電電壓，在滿足測量范圍要求的情況下，在信號濾波前采用差分運算的方法降低信號偏置電壓[5],以和后續的濾波電路相適合；如圖2所示，設R8=R12=R2，R9=R10=R1，signal out=(IEPE signal-Vref)(R2/R1),從而得到所需要的理想的電壓范圍。文中運放選擇AD8641，它是軌道軌輸出而且供電電壓為10～24 V，采用雙極性工藝，適合差分電路設計要求。

3.2 RMS均方根運算電路設計

如果采用A/D直接采樣，使用MCU運算，對處理器的性能要求比較高；而采用AD8436可以精確地計算出交流信號的有效值，而且在+5 V單電源供電情況下，電流為350 μA，降低了電路整體功耗。

圖6電路中，C7和R2構成了在交流信號下放大而直流偏置不變的放大電路,通過R2來調整實際信號的靈敏度。U2是三端電容，用于過濾信號的高頻，這樣可以更好地增加整體電路高頻頻段的濾波性能。C5、R1和R4為調試旁路，在文中所述模塊中，前面的濾波電路已經將信號的大小調理到了0 V以上的合理范圍內，所以可以根據實際情況選擇接法，這樣的冗余設計在實際的電路設計中增加了電路的靈活性，以保證產品的設計成功率；采用這樣的設計顯著降低MCU的工作量，給處理器的選擇帶來了方便。

圖6 均方根運算電路

多路復用開關選擇TS5A4264，其導通電阻小于2 Ω，3 dB帶寬為100 MHz，寬范圍的單電源供電。電路測試表明符合要求。

4 結束語

文中重點介紹了A/D采樣前的加速度傳感器信號處理部分的電路。該電路已和后續電路全部調試成功，文中介紹的調制電路具有功耗低、可靠性好，易于后端A/D采樣處理等優點。該振動檢測產品在工業故障檢測現場已經實現應用。

參考文獻：

[1] 曹恒，秦穎頎，王春等.IEPE壓電傳感器前置信號調理電路 .儀表技術與傳感器，2012(11)：160-162.

[2] POTTOR D Enhancements to the IEPE1451.2Standard for Smart Transducers.Senceors,1998：42-50.

[3] GUO D.利用低功耗，單位增益差動放大器實現低成本電流源.Analog Dialogue,2009，45(2)：12.

[4] CARTER B,MARTER B．Op amps for everyone．姚劍清，譯.北京：人民郵電出版社，2011.

[5] 童詩白，華成英.模擬電子技術基礎．北京：高等教育出版社,2006.

[6] SERRIDGE M,TORBEN.壓電加速度計和振動前置放大器 .K Larsen & Srn A/S.DK-2600 Glostrup,1986.