沖擊波超壓傳感器IEPE電路設(shè)計(jì)

劉東來，王偉魁，彭泳卿，金小鋒

(北京遙測(cè)技術(shù)研究所，北京 100076)

0 引言

由于沖擊波壓力信號(hào)是一個(gè)瞬態(tài)過程，具有上升沿陡峭的特點(diǎn)，因此,測(cè)量沖擊波超壓需要在極短時(shí)間內(nèi)完成[1]，頻響需要大于300 kHz。爆炸場(chǎng)環(huán)境惡劣，對(duì)于傳感器的環(huán)境適應(yīng)性也提出了很高的要求。目前，常用于測(cè)量沖擊波超壓的傳感器主要有壓阻式和壓電式[2]。但壓阻式壓力傳感器對(duì)溫度較敏感，靈敏度相對(duì)較低[3]，且部分硅壓阻傳感器對(duì)爆炸光敏感，在爆炸源火光的作用下產(chǎn)生強(qiáng)烈的電信號(hào)，直接影響測(cè)試結(jié)果[4]。壓電式壓力傳感器在應(yīng)力變化響應(yīng)方面更高效，更適用于能量需求及動(dòng)態(tài)壓力測(cè)量方面[5]。

傳統(tǒng)的壓電式傳感器需要外置電荷放大器解調(diào)電荷信號(hào)，連接的線纜會(huì)造成信號(hào)誤差，也易受外部環(huán)境影響。因此，需要設(shè)計(jì)一種集成式壓電傳感器信號(hào)調(diào)理電路，也稱壓電集成電路(IEPE)[6]。IEPE電路輸入端與敏感元件相連，將敏感元件輸出的電荷信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，電路輸出端信號(hào)線與電源線共線，易于實(shí)現(xiàn)小型化，從而通過一條導(dǎo)線同軸線纜直接和采集設(shè)備連接，不僅實(shí)現(xiàn)了將敏感元件與電荷放大電路集成于一體，且減少了線纜，此外傳感器的殼體為IEPE電路提供了電磁屏蔽，從而抑制了線纜阻抗影響、電磁干擾等，有利于簡(jiǎn)化測(cè)試系統(tǒng)，有效提高了測(cè)試精度和可靠性。

1 IEPE電路設(shè)計(jì)

集成式壓電傳感器信號(hào)調(diào)理電路的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中IEPE電路由一個(gè)電荷放大器和一個(gè)濾波器組成，外接一個(gè)恒流源為整個(gè)電路供電。

圖1 集成式壓電傳感器信號(hào)調(diào)理電路結(jié)構(gòu)圖

電荷放大器是IEPE電路中的核心部分，它是把敏感元件產(chǎn)生的電荷轉(zhuǎn)換為易測(cè)量的電壓橋梁。電荷放大器電路的主要作用是將敏感元件的微弱電荷信號(hào)經(jīng)過放大、濾波，轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠接收的電壓信號(hào)。電荷放大器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是在對(duì)弱信號(hào)放大的同時(shí)，保證電路的帶寬，即響應(yīng)頻率，確保信號(hào)不失真。

電荷放大器目前較常見的是基于運(yùn)算放大器、由反饋電容C1與反饋電阻R2組成的深度負(fù)反饋高增益放大電路，如圖2所示。其電荷-電壓靈敏度由C1決定，靜態(tài)工作點(diǎn)與低頻特性由R2決定，放電時(shí)間常數(shù)由C1×R2決定[7]。由于在電荷放大器中加入電容反饋，對(duì)直流工作點(diǎn)相當(dāng)于開路，此時(shí)電纜噪聲會(huì)造成零點(diǎn)漂移，為使放大器穩(wěn)定工作，減少誤差，與C1并聯(lián)的R2應(yīng)選擇1010～1014Ω，以提供直流反饋[8]。

圖2 基于運(yùn)放的電荷放大器電路

對(duì)于足夠高的開環(huán)增益，電荷放大器的輸出端電壓可近似為

(1)

式中Q為輸入電荷量。

因此，電纜長(zhǎng)短和壓電元件本身電容的大小幾乎可忽略，Uo僅由輸入端電壓和C1決定，這是電荷放大器的突出特點(diǎn)[9]。

基于運(yùn)算放大器的信號(hào)放大器體積較大，只能在傳感器外部與之相連，無法與敏感元件集成于一個(gè)傳感器中；并且因其需要供電，至少需要電源線、地線、信號(hào)線及無法實(shí)現(xiàn)信號(hào)與電源共線，且自身線纜較長(zhǎng)，會(huì)對(duì)測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生不良影響。為了設(shè)計(jì)小型化集成化的沖擊波超壓傳感器，將電荷放大器電路用模擬電路搭建出來，所用元器件多為電容、電阻、三極管等分立器件，不僅體積小、易于集成，且可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)與電源共線，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)IEPE電路。

所設(shè)計(jì)的電荷放大電路如圖3所示，其與圖2的電路原理相似。電容C1為反饋電容，電阻R2為反饋電阻，R2值很大，和C1一起決定電荷放大器的時(shí)間常數(shù)，決定了響應(yīng)頻率的下限，時(shí)間常數(shù)越大，響應(yīng)頻率的下限越低；場(chǎng)效應(yīng)管Q1、Q6工作在高阻態(tài)，相當(dāng)于2個(gè)大電阻，提供高絕緣性能；場(chǎng)效應(yīng)管Q2、Q3相當(dāng)于2個(gè)二極管，他們與Q1、Q6一起提高靜態(tài)工作點(diǎn)；Q5是一個(gè)達(dá)林頓管，發(fā)射極與輸出端相連，集電極與地相連，作用是提高驅(qū)動(dòng)電流，將直流電流幾乎全部引入發(fā)射極，從而提高Q5發(fā)射極的電壓，用于電荷放大電路這種大負(fù)載驅(qū)動(dòng)電路，且易于集成化；Q4與R3、R4、R5提供直流分壓；C3、C4、R2構(gòu)成一個(gè)π型濾波電路，抑制直流電源紋波，為Q1提供穩(wěn)定的靜態(tài)工作偏置電壓。

圖3 IEPE電路圖

由式(1)可知，當(dāng)C1為常數(shù)時(shí)，Uo與電荷成正比。而當(dāng)C1增大時(shí)，Uo將減小，所以應(yīng)選擇合適的C1值，一般取值為10～105pF。

2 仿真分析

Multisim軟件中器件種類齊全，電路分析功能強(qiáng)大，可使用它進(jìn)行電路設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)仿真[10]。根據(jù)圖1，將IEPE電路、濾波器、恒流源整合在一起，器件連接圖如圖4所示。

圖4 電路仿真連接框圖

其中交流信號(hào)源與電容組合，可以產(chǎn)生交流電荷，模擬敏感元件接收壓力通過壓電效應(yīng)產(chǎn)生電荷的過程。恒流源電路基于LM317設(shè)計(jì)，提供4 mA的恒流源，如圖5所示。

圖5 恒流源電路圖

Multisim軟件中具有交流分析功能，用來模擬交流頻率響應(yīng)，包括幅度和相位。仿真實(shí)驗(yàn)中，選擇C1的不同容值，觀察交流分析仿真圖，對(duì)比不同的C1容值下電路放大倍數(shù)及帶寬。圖6為C1=1 pF、10 pF、100 pF對(duì)應(yīng)的幅頻特性曲線。

圖6 Multisim仿真結(jié)果

由圖6可知，C1的容值影響著電路的放大倍數(shù)和帶寬，C1越大，放大倍數(shù)越小，帶寬越寬，高頻擾動(dòng)越大。這個(gè)結(jié)果符合式(1)及時(shí)間常數(shù)對(duì)于電荷放大器的影響，驗(yàn)證了電路原理的正確性。

當(dāng)C1=1 pF時(shí)，幅頻特性曲線波形平滑，放大倍數(shù)較大，但帶寬很窄，小于300 kHz，不符合設(shè)計(jì)要求；當(dāng)C1=100 pF時(shí)，幅頻特性曲線高頻段略有凸起，帶寬極寬，放大倍數(shù)約為1；當(dāng)C1=10 pF時(shí)，幅頻特性曲線波形平滑，放大倍數(shù)接近10倍，且?guī)捿^寬(約為800 kHz)，低頻響應(yīng)約為1 Hz。可見C1=10 pF、100 pF符合電路設(shè)計(jì)要求，可根據(jù)傳感器實(shí)際量程進(jìn)行選擇。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 電路頻響測(cè)試

按照設(shè)計(jì)的電路，制作了印制電路板(PCB)，C1選用10 pF，尺寸大小為4 mm×23 mm，如圖7所示。

圖7 IEPE電路實(shí)物圖

按圖4將電路板與輔助設(shè)備連接，進(jìn)行實(shí)際電路的頻響測(cè)試。其中交流信號(hào)源通過信號(hào)發(fā)生器實(shí)現(xiàn)，標(biāo)準(zhǔn)電容C2為100 pF。恒流源與仿真電路一致。電源采用Keysight公司生產(chǎn)的E3649A型直流電源，并調(diào)至24 V。

測(cè)試過程中調(diào)整信號(hào)發(fā)生器，輸出峰-峰值為1 V，頻率為0.5 Hz～5 MHz，觀察示波器波形及峰-峰值的變化并記錄數(shù)據(jù)。測(cè)試結(jié)果如圖8所示。

圖8 幅頻特性曲線

由圖8可知，電路的實(shí)際調(diào)試與仿真結(jié)果基本一致，電路在中頻段的工作效果較好，實(shí)際帶寬大于600 kHz，低頻響應(yīng)接近1 Hz，滿足沖擊波超壓傳感器要求。

3.2 線性度測(cè)試

作為傳感器信號(hào)調(diào)理電路，還需要進(jìn)行線性度測(cè)試。當(dāng)電路的輸入為2 V時(shí)，輸出約為15 V，接近電路最大輸出值。電路在25 ℃時(shí)，改變信號(hào)發(fā)生器輸入幅值，在0～2 V時(shí)均勻地取8個(gè)點(diǎn)，記錄示波器輸出峰-峰值，將結(jié)果用擬合公式擬合為直線，如圖9所示。

圖9 線性度擬合曲線

線性度δL，又稱為非線性誤差，用特性曲線與其規(guī)定的擬合直線之間最大偏差ΔMmax與電路最大輸出值ymax的百分?jǐn)?shù)來表示[11]，即

(2)

經(jīng)過數(shù)據(jù)對(duì)比可看出，輸入電壓為2 V時(shí)，特性曲線與擬合曲線的偏差最大，計(jì)算得ΔMmax=0.058 2，ymax=14.6 V，代入式(2)中可得δL=0.4%。

3.3 溫度試驗(yàn)

為滿足野外環(huán)境使用，還需要進(jìn)行溫度試驗(yàn)，以了解該電路在極端溫度環(huán)境下的工作特性。溫度試驗(yàn)所使用的溫箱是巨孚公司生產(chǎn)的可程式高低溫恒溫試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)裝置連接如圖10所示，試驗(yàn)儀器型號(hào)如表1所示。

圖10 溫度試驗(yàn)裝置連接圖

表1 溫度試驗(yàn)儀器型號(hào)表

首先進(jìn)行極端溫度條件下的頻響測(cè)試，試驗(yàn)過程如下：

1) 將IEPE電路板在無包裝情況下置于-55 ℃和120 ℃的試驗(yàn)箱內(nèi)，進(jìn)行高、低溫試驗(yàn)。高、低溫下暴露1 h，進(jìn)行3次循環(huán)，記錄全頻段示波器的輸出峰-峰值并取平均值。

2) 將得到的數(shù)據(jù)與25 ℃下的數(shù)據(jù)繪制在同一個(gè)圖表中，觀察高、低溫對(duì)電路頻響的影響，如圖11所示。

圖11 溫度對(duì)頻響影響曲線

不同溫度下的頻響波動(dòng)程度以25 ℃測(cè)量值為基準(zhǔn)計(jì)算，將高、低溫每個(gè)頻率下的幅值波動(dòng)制成散點(diǎn)如圖12所示。

圖12 頻響波動(dòng)散點(diǎn)圖

由圖11、12可知，電路在-55 ℃和120 ℃環(huán)境下的工作特性正常，全溫下頻響的波動(dòng)程度小于4.3%。

4 結(jié)束語

近年來，沖擊波超壓傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域日益廣泛，國(guó)內(nèi)迫切需要小型化、高性能的超壓傳感器。本文設(shè)計(jì)了一款沖擊波超壓傳感器信號(hào)調(diào)理電路，基于模擬電路及分立式器件，使信號(hào)端與電源端共線，從而實(shí)現(xiàn)IEPE功能。實(shí)測(cè)時(shí)，電路性能與軟件仿真的結(jié)果接近，頻響帶寬大于600 kHz，且線性度較好，約為0.4%。全溫下頻響的波動(dòng)程度小于4.3%，實(shí)際使用時(shí)可通過全溫標(biāo)定和溫度補(bǔ)償?shù)姆绞竭M(jìn)行抑制。電路易于小型化，未來有望與敏感元件集成在一起成為一個(gè)小型的、自帶電荷放大器的傳感器，提升了沖擊波壓力測(cè)試的精度和可靠性。