岩石声发射弱信号的宽带线性放大方法

齐文博

（中国地震局地质研究所北京100029）

岩石变形特性测试实验[1-3]常采用声发射系统采集岩石变形过程中的声发射信号以反映岩石内部某些物理特征。原始声发射信号[4-7]往往非常微弱以至于需要被放大后才行进行数字化重构，而微弱的声发射信号又都是伴随着严重的电磁环境噪声，且岩石中的声发射信号频带很宽，因此声发射信号的调理电路需要高信噪比和高带宽来在宽频带范围中线性放大弱原始信号。考虑实际应用中，外部供电电源的简便性，信号拾取电路采用单路开关电源供电，配以特殊设计的电源滤波电路和信号调理链路来保证放大后信号的高信噪比和宽频带线性重构。

1　声发射信号调理电路特性

1.1　声发射信号拾取电路结构选择

岩石变形测试实验中的声发射系统常常采用压电探头来拾取微弱信号，通常这个过程产生的声发射信号频谱非常广，可从低频1 kHz到高频2 MHz，有时岩石变形产生的低频声发射信号可到Hz级别。目前，声发射弱电荷信号的拾取电路通常有两种结构：电压放大和电荷放大。电压放大电路具有电路简单，调试容易等优点，不少学者也致力于这一结构电路的研究，如孙涛、韩东轩等[8]研制的幻像电源供电的声发射前置放大器。但是用于声发射检测的电压放大器也有不少缺点，如受外部电缆制约等。

图1（a）为压电传感器接电压放大器的等效模型。图1（a）中当压电元件在外力F=Fmsinωt的作用下产生的电信号经过电缆电容Cc和运放输入端杂散电容Ci以及压电元件本身输出电阻R的作用到达运放输入端后，反映在运放输入端电压为ui。

式（1）中ω为被测信号的角频率，d为压电系数。若ω很大时，则输入电压ui的幅度可简化为式（2）。

由式（2）知压电元件产生的电信号反映在电压放大器输入端的电压受电缆电容Cc和运放输入端杂散电容Ci的影响，当Ci一定，外部电缆规格、长度等改变时ui也会

图1　电荷信号拾取电路模型

图1（b）为电荷放大器接压电传感器的等效模型。由运放输入端的虚短原理可知，压电元件在外力F的作用下产生的电荷信号经过电缆电容Cc和运放输入端杂散电容Ci的影响后反映在运放输入端的输入电压ui=0，故当运放反馈电阻Rf很大时，压电元件输出的电荷量q反映在运放输出端电压遵从式（3）。式（3）中，Cf为运放的反馈电容。运放输出电压与压电元件的电荷量比值即为电荷放大器的灵敏度k，k遵从公式（4）。

由公式（3）和（4）可知，电荷放大器放大压电传感器后的输出信号电压幅度只与反馈电容Cf有关，与外部电缆电容和运放输入端杂散电容等无关，即不受外部测试条件的影响。从这点看，电荷放大器很适合作为声发射系统的前置信号调理电路。

1.2　声发射信号调理器元件选型

由1.1节知，本文选取电荷放大器对声发射信号进行宽带线性放大，电荷放大器的主体运选型应综合考虑以下情况。

1）声发射信号的带宽较大（Hz～MHz），故运放应选取较大压摆率和带宽的运放。实际使用中运放应遵从公式（5）进行选型。

式（5）中slew为运放的压摆率，单位为V/S，fH为被放大信号的上限频率，Vop为放大后信号的单边峰值幅度。

2）为了使用方便和调试简单，运放采用单一正电源供电。考虑电源的通用性，采用单12V开关电源对电荷放大器进行供电，因此信号调理器主体运放应具有单电源供电特性和足够大的输出电流以驱动后级输入级电路。

3）由于电荷拾取电路的反馈电阻Rf很大（MΩ～GΩ），因此一般运放的输入偏置电流在nA级别便可产生数伏左右的偏置电压。基于此，调理器应选取低偏置电流的运放，同时运放应具有较高的输入阻抗Ri，以减小压电元件输出电荷q在Ri上的泄露。

综上所述，本文设计的声发射信号调理器选取AD8652作为主体放大单元。反馈电容选取泄露电阻大的聚苯乙烯电容，它可以在高频时快速泄放反馈电阻Rf上积累的电压信号，同时聚苯乙烯电容的温度系数较小，绝缘电阻大，电容稳定性良好[9-10]。反馈电阻应选取噪声小，高频性能好且温度系数小，稳定性小的玻璃釉电阻。

2　宽带声发射信号调理器设计

2.1　供电电源滤波设计

开关电源的电源传导噪声频谱非常广，大致为10 kHz～30 MHz，且分为不同的表现形式：输出脉冲噪声、辐射电场噪声以及纹波噪声[11-13]。辐射电场噪声可通过外加屏蔽壳解决，而纹波噪声和脉冲噪声对放大器的输出信号信噪比影响较大，一般的开关电源纹波幅度为输出电压幅度的0.5%～1%，而脉冲噪声幅度可达2%～5%。脉冲噪声可由在特定频率下有较大阻抗的磁珠以热能的形式耗散掉，纹波噪声则可用电子滤波器[14]进行最大化滤除。图2（a）为宽带声发射信号调理器供电电源滤波设计。

图2（a）中NPN三极管Q1做射级跟随，由于三极管的阻抗变换功能，输入端的基极电阻R1和滤波电容C4折合到三极管输出端时的输出阻抗为R1/（1+β），输出电容为（1+β）c4。R1为三极管Q1提供基极偏置电流，同时R1和C4组成的一阶RC滤波器，将电源中的纹波噪声降低到很低的范围内。

2.2　宽带声发射信号调理放大设计

宽带声发射信号调理链路如图2（b）所示，P1外接压电传感器，P2输出放大后的宽带声发射信号。R1既可抑制来自P1的外部噪声，又是二极管D1的限流电阻。双向二极管D1的公共点接2.5 V基准源，一方面将外部输入电荷信号的共模电压提升至运放供电电压的中点，以便单电源运放能线性放大原始信号；另一方面将外部输入电荷信号的差模电压限制在-0.7～+0.7 V范围内。

考虑电荷放大级的反馈电阻Rf过大，二极管D1的反向电流应越小越好，本文推荐使用低漏电流二极管BAV199。反馈电容Cf、反馈电阻Rf和AD1组成的电荷拾取级将原始声发射电荷信号送至AD1和AD2组成的100倍单电源同相放大器[15]进行放大，运放AD1和AD2间通过C3和R4组成的一阶高通滤波器耦合以滤除低频噪声。

图2（b）中运放AD2的第2通道组成的单电源供电的Sallen-Key滤波器[16]滤除声发射信号带宽外的高频杂波，此滤波器的高频截止频率fH遵循式（6），本文设置其带宽为2 MHz。AD2的7脚端接电阻可将此信号调理电路的输出阻抗配置为50Ω便于和后级50Ω输入阻抗采集仪器进行阻抗匹配。

3　信号调理链路仿真验证

信号调理链路采用multisim12进行仿真验证，验证电路模型如图3（a）所示。

图3（a）采用C4、C2和R8组成的阻容网络来模拟压电传感器，电流源I1模拟电压传感器受到的外部作用力。由于AD8651和AD8652的运放特性一致，故仿真模型选用AD8651作为调理电路仿真的主放大器。4个运放间采用交流方式耦合，低频截止频率设置为1 kHz。仿真模型设置U4组成的二阶高通滤波器的高频截止频率为2 MHz，并置电流源I1的激励电流为1×10-8A，激励波形为正弦波。图4（a）中，电流源I1和阻容网络的负极接2.5 V电源以将电荷信号提升至电源的中点位置，保证放大后信号不会失真。图3（a）用XBP1波特率仪观察信号调理电路在宽频带上的增益响应，得到图3（b）所示的调理电路增益响应曲线。由图3（b）知，调理电路在1 kHz～2 MHz范围内增益较为平坦，放大增益为98～64 dB，从2 MHz开始电路增益开始以迅速下降，验证了图2（b）中声发射宽带信号调理链路的宽带性。

图2　宽带声发射信号调理器设计图

图3　宽带声发射信号调理器仿真验证

4　电气性能测试

本文采用断铅实验对图4（a）所示的宽带

声发射信号调理器进行电气性能的测试。图4（b）为测试调理器的实验平台，为保证调理器输出信号的最优信噪比，调理器采用铝制外壳进行电磁屏蔽。

图4　（声发射信号调理器实物与电气测试

图4b）中实验样品为150*50*50 mm的汉白玉岩石；岩石样品中心位置粘贴一个频率范围为100～900 kHz的宽频声发射探头来拾取声发射宽带弱电荷信号，宽带声发射信号调理电路随后放大声发射探头拾取的弱信号。图4（b）中A点为断铅点，示波器采用交流耦合，采样率为25 MHz，输入阻抗为1 MΩ，以此来观察断铅产生的声发射信号。

图5（a）为断铅实验实际采集的声发射时域信号。经测量，宽带声发射信号调理器放大后的声发射时域信号峰值接近电源轨2.5 V，且信号本体噪声峰值为0.01 V，信噪比为48 dB，满足实际使用要求。图5（b）为时域信号对应的频谱图。由图5（b）知，宽带声发射信号调理器放大后的断铅声发射信号频域范围大约在10～500 kHz内，且断铅声发射信号能量在高于2 MHz的频域范围内几乎无分布，这也验证了本文研制的声发射信号调理器的宽频带放大能力。

5　结论

1）本文从声发射信号宽频带分布特点出发，在分析理论模型后，确定了宽带声发射信号的线性放大方法，即采用电荷拾取并二级同相放大加末极Sallen-Key滤波器的电路结构对声发射弱电荷信号进行宽带线性调理。

2）宽带声发射调理器外部用单开关电源供电，简化了外部供电设施，提高了使用方便度；内部用电子滤波结合LDO的方式最大程度滤除外部的电磁干扰和杂散噪声。

图5　汉白玉断铅实验

3）本文用multisim12建立了该宽带声发射信号调理器的仿真模型并对其进行验证。仿真结果显示该调理器在宽带范围内对弱信号的放大增益为98～64 dB，较为平坦，且从高频截止频率处开始，放大增益迅速下降，从仿真角度验证了调理器的宽频带信号调理能力。

4）本文用岩石断铅实验实际测试了该调理器的电器性能，测试结果显示，该调理器放大后的断铅声发射信号峰值接近电源轨2.5 V，信噪比为48 dB，频率响应均分布在该调理器的通频带范围内，符合实际使用需要。