摘 要：文章針對ICP傳感器在沖擊波超壓及侵徹過載測試中的信號調理，討論了ICP信號調理電路功能及重要性。給出了包括恒流源激勵、傳感器檢測、交流耦合、隔離放大、濾波的設計方案，并通過與PCB、江蘇聯能同類型調理器對比試驗驗證了該設計的有效性及精確性。該調理器采用的隔離方案是同類型產品所不具備的，對沖擊波超壓及拋撒過載測量精度的提高和采集設備的保護具有實際意義。
關鍵詞：ICP調理器；恒流源激勵；隔離放大；濾波
中圖分類號：TP206 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-8595 （2016） 03-257-05電子科學技術 URL： http//.cn DOI： 10.16453/j.issn.2095-8595.2016.03.016
引言
ICP（Integrated Circuits Piezoelectric）加速度傳感器是內裝微型IC集成電路放大器的壓電傳感器，它將傳統的壓電傳感器與電荷放大器集于一體，其優點在于：精度高不易受現場環境干擾，輸出信號可配長電纜而不影響測量精度；不必使用電荷放大器，特別適用于在線監測。因此被廣泛應用于航天、航空、車船、機械、橋梁、石油、化工等領域的振動及壓力測量。
ICP傳感器測試系統由四部分組成：ICP傳感器、恒流源激勵、信號調理電路、數據采集和分析系統。信號調理器的作用是為傳感器提供激勵源和對傳感器信號進行預處理[2]，其性能的高低直接決定了數據采集系統的整體測量精度和系統可靠性。本文設計的智能ICP信號調理器是一種主要針對在瞬變信號（如爆炸沖擊波超壓信號、高G值侵徹加速度信號等）測試中應用的多用途、高性能的信號調理平臺。
1 總體設計
智能ICP調理器主要由恒流源激勵、傳感器及線纜檢測、隔離放大、交流耦合、第一電壓跟隨、低通濾波及第二電壓跟隨電路組成。
如圖1所示，傳感器檢測電路可以對傳感器及電纜的短路、斷路及正常狀態進行檢測，在恒流源激勵的作用下隔離放大電路對ICP傳感器信號進行信號隔離放大，交流耦合電路對隔離放大后的信號去除直流分量后輸出交流信號，第一電壓跟隨電路對交流信號進行緩沖隔離并降低輸出阻抗后輸出低阻抗的隔離信號，低通濾波電路對前級信號進行低通濾波輸出低頻信號；第二電壓跟隨電路對其進行緩沖隔離并降低輸出阻抗后輸出給數據采集器進行處理。
2 主要部分的硬件設計
2.1 恒流源激勵
本設計采用單片集成芯片LM134為ICP傳感器提供恒流源激勵，只需一個外部電阻而不需要其他電路就能實現，如圖2所示。
為了消除LM134溫度系數的影響特性，本設計選用一個二極管加一個電阻的方式改進恒流源激勵。如圖3所示。
2.2 傳感器及線纜檢測
為檢查傳感器是否正常連接和工作，根據傳感器開路、短路、正常工作時表現出來的電壓不同，利用電壓比較器LP339驅動共陽三腳雙色LED指示調理器不同的工作狀態。
其工作原理如圖4所示，若ICP傳感器未連接或ICP傳感器開路，驅動紅色LED為低，則各通道的狀態指示燈將顯示紅色，此時應檢查傳感器是否已正常連接、連接線纜是否開路、傳感器是否完好；傳感器正常工作時，驅動綠色LED為低，則狀態指示燈將顯示綠色，此時可進行正常測試；若傳感器或輸入線纜短路，驅動紅色綠色LED同時為低，則狀態指示燈將顯示橙色，此時可檢查傳感器和連接線纜是否短路。
2.3 隔離放大
數據采集系統中，測量不準確很大原因是不恰當的接地造成的，更有甚者會造成測試儀器的損壞。為了防止此類問題發生要對信號進行電氣隔離，隔離可以破壞接地環路，避免高的共模電壓，同時可以保護數據采集設備。
本設計采用隔離放大器為主放大器件，如圖5所示，其電源電路的前后級和輸入、輸出之間沒有共地，即信號在傳輸中沒有公共地，并且前級輸入電路與放大器后級輸出電路之間可以做到歐姆隔離。
本設計選用AD202作為主放大器件，其是變壓器耦合隔離放大器。AD202能夠提供信號隔離和電源隔離的一整套隔離方案。圖5中R1和R2可以實現衰減功能，R6可以精確調節信號的增益，系統的調零可通過R3、R4和R5實現。在圖5的電路中，R1=5kΩ， R2=47.5kΩ，R6取0～5kΩ，R3的阻值小于200Ω（選值過大會降低放大器的共模系數），R4=50kΩ，R5=0～100kΩ，外接電阻均為低溫漂系數的精密電阻。
2.4 交流耦合
由于ICP傳感器需要恒流源激勵，所以信號會有9伏左右的直流分量存在，這會影響后續的數據采集。利用電容的“隔直通交”的特性去除信號里的直流分量，實現交流耦合。本設計選用0.1μF的鉭電容，如圖5中的C3所示。
2.5 低通濾波
為保證信號的正確性，信號調理往往需要抑制一定頻率范圍內的噪聲和干擾，使用合適的濾波器對信號進行抗混疊濾波，提高調理電路的信噪比。本設計選用性能穩定、增益易調節的單位增益二階壓控電壓源低通濾波電路。
如圖6所示，本設計采用的低通濾波電路是利用集成運算放大器構建單位增益二階壓控電壓源低通濾波電路來實現的，具體包括電阻R9、R10、電容C1、C2和第二運算放大器，通過匹配合適的R、C可以方便的設置濾波器的截止頻率[3]。
通過適當的選擇的R9、R10、C1、C2的值可以方便的得到二階Bessel、Butterworth、Chebyshev濾波器。運用Laplace算子S，可以得出該電路的傳遞函數Avc為：
為了得到二階有源低通濾波器的頻率響應，令（8）式中的S =jω，由此求得其幅頻響應和相頻相應為：
2.6 電壓跟隨
電壓跟隨器的輸入阻抗高、輸出阻抗低，相當于對前級電路開路，其輸出電壓又不受后級阻抗影響，使前、后級電路之間互不影響，能夠起到緩沖、隔離、提高帶載能力的作用。如圖7所示。
3 實驗驗證
基于以上設計，用馬歇特錘對固定于鋼板上的三個江蘇聯能CA-YD-180-6型量程為8000m·s-2的加速度傳感器進行敲擊，分別采用聯能YE3826A型調理器（1#）、PCB482A16型調理器（2#）、以及智能ICP信號調理器（3#）進行信號調理，用LDS高速數據采集儀對信號進行記錄，其實驗波形如圖8所示。
從圖8可以看出，三種調理器過載輸出波形基本一致，由于傳感器的安裝位置不同的原因導致稍有差異，前三個過載峰值具體見表1。
4 結論
ICP傳感器信號調理是瞬態信號測量中一個重要環節，其中的隔離部分通過切斷接地環路，避免高的共模電壓，提高了測試精度的同時保護了測試儀器。本設計經過實驗驗證，具有測量精度高的同時具備信號隔離功能，對于傳感器及線纜檢測、測量精度的提高和數據采集設備的保護具有現實的意義，對同類數據采集系統的設計也有著參考意義。
參考文獻
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