摘要：设计PVDF压电传感器信号调理电路，详细介绍前置放大、工频陷波和低通滤波电路的设计原理。利用数字示波器 对PVDF压电传感器信号调理电路进行测定。试验结果表明:设计的信号调理电路工作稳定可霏、重复性好、噪声小,抗干扰 能力强，工频及工频倍频陷波效果明显，信号处理实时、准确，PVDF压电传感器能够用于工业现场信号检测。

　　关键词:信号调理 前置放大器 工频陷波器

　　1　 引 言

　　PVDF传感器输出电荷量很小、内阻抗十分髙、抗 电磁干扰能力较差，要把来自传感器的模拟信号变换 为数字信号必须进行信号调理。目前国内压电晶体型 传感器信号调理装置大多数采用集成运算放大器及电 容、电阻等元件搭建，电路具有集成度低、电路复杂、稳 定性较差、噪声大等问题。为克服传统信号调理电 路上述缺点，研制了以集成芯片AD745、LMF90、 MAX7410为核心元器件的PVDF传感器信号调理电 路，该电路工作稳定可靠、重复性好、噪声小，抗干扰能 力强，工频及工频倍频陷波效果明显，信号处理实时、 准确，能够用于工业现场PVDF压电传感器信号检测。

　　2 　信号调理电路

　　PVDF传感器信号调理电路主要由前置放大器、 工频及工频倍频陷波器、低通滤波器等部分组成，完成信号的放大、滤波、电荷电压的转换

　　2.1前置放大电路

　　前置放大电路有两个作用：一是实现阻抗变换，把 压电元件的髙输出阻抗变换为低阻抗输出；二是实现 信号放大。PVDF压电传感器压电晶片电容值较 小——产生的电荷量很小、压电晶片的漏电阻很 髙——内阻抗十分髙，所以传感器必须和髙输人阻抗 的前置放大器配合使用才能有效的检测并输出信号。

　　AD745是美国AD公司生产的具有超低噪声、髙 速场效应管输入型放大器，优化的内部补偿结构使它 具有髙增益、频带宽和转换速率快等特性，髙达i〇'°n 的输人阻抗非常适合作为压电传感器的前置放大器。

　　2.2工频及倍频陷波电路

　　实践证明：PVDF压电传感器极易受电磁干扰，其 中501^和150Hz干扰最为明显。PVDF压电传感器 信号调理电路采用了以集成芯片LMF90为核心器件 的陷波器来抑制或消除工频及其倍频干扰信号。

　　LMF90 是美国 National Semiconductor 公司生产的一种4阶椭圆陷波器，它具有如下特点：陷波中心频 率f。可以通过外部晶振设置>响应特性只需要调整引 脚极性无需其他外部元器件设置;可分别设定陷波带宽、衰减幅度、时钟和陷波中心频率比值等参数。

　　2.3低通滤波器

　　PVDF压电传感器的频率响应曲线或电导曲线常 表现出高的尖峰，当动态力作用于传感器时，唯一的阻 尼源是材料的内摩擦力，因此传感器工作频率必须远 低于机械谐振频率并且其输出信号需低通滤波。

　　美国DALLAS SEMICONDUCTOR公司生产的 MAX半导体集成芯片系列可实现低通、带通、髙通滤 波的功能。采用MAX7410芯片，只需要在引脚CLK 和GND之间外接电容，通过改变电容值可实现不同滤 波器截至频率。

　　图1 PVDF压电传感器信号调理电路原理图
　　

　　2.4阻抗匹配和信号调理电路

　　PVDF压电传感器信号调理电路其前置放大器、50Hz和150Hz陷波器和低通滤波器的电路连接必须 符合阻抗匹配要求。

　　图1所示，为优化AD745的DC响应特性和AC 响应特性，减少偏置电流误差和AC响应误差达到超 低噪声性能的要求，前置放大电路设计需平衡AD745 输人源电阻（电阻和电抗），要求：C13和传感器压电晶 片的电容值相等（Si输人端口接传感器）= 108山民和民取值远小于民，前置放大增益值为：1 + R,/R2。设计的PVDF压电传感器输出阻抗值为io8n 数量级，前置放大器输人阻抗髙达lown数量级， PVDF压电传感器的输出阻抗和前置放大器的输人阻 抗能够达到很好的阻抗匹配。前置放大器输人阻抗越 髙，传感器的最小分辨频率越低、传感器输出信号信噪 比越髙。

　　前置放大器的输出阻抗一般很小，50Hz和150Hz 陷波器的输人阻抗大于222kf2,前置放大器和陷波器 阻抗匹配良好。
MAX7410滤波器输人阻抗为476kfi，50Hz和 150Hz陷波器的输出阻抗很低，二者阻抗匹配符合 要求。

　　3 　实验实例

　　设计PVDF压电传感器，其源阻抗（容抗和阻抗） 约为500MI2,按图1设计信号调理器。利用稳压电源 (PH1718)、数字示波器(TDS3032B)、数字信号发生器 (Agilent 33120A)、计算机搭建PVDF压电传感器信号调理实验平台。PVDF压电传感器接受随机声发射信 号，经过信号调理器使传感器输出电压信号在数宇示 波器上显示，并通过串口通讯把数据存储传输到计算 机，然后利用Matlab软件对信号进行处理实现信号的 重现和分析。

　　图2、3所示，随机声发射信号经过信号调理后前 置放大增益约为30dB; 50HZI频及其倍频抑制效果明显。

　　4 　结 论

　　基于高输出阻抗PVDF压电传感器信号调理的需 要，研制了以集成芯片AD745、LMF90、MAX7410为 核心元器件的信号调理电路，该电路搭建容易、集成度 髙。实验结果表明：信号调理电路具有嗓声低、信噪比 髙、工频及其倍频陷波效果明显、重复稳定性好等优 点，能够广泛应用于相关信号检测领域。（作者：王庆锋；吴斌；宋吟蔚；何存富）

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