齊文博，劉力強，劉培洵，郭彥雙

（中國地震局地質(zhì)研究所 北京100029）

120噸雙軸伺服壓機載荷前置放大器設(shè)計與應(yīng)用

齊文博，劉力強，劉培洵，郭彥雙

（中國地震局地質(zhì)研究所 北京100029）

針對巖石變形研究所使用的雙軸伺服壓機的環(huán)境電磁干擾大的特點，所設(shè)計的低噪聲載荷前置放大器配備了開關(guān)電源濾波電路；放大器具有系統(tǒng)零點補償電路，可有效補償雙軸伺服壓機系統(tǒng)由于環(huán)境溫度變化、壓機系統(tǒng)零漂等因素所帶來的檢測壓力的零點不穩(wěn)定現(xiàn)象。新設(shè)計的載荷前置放大器可穩(wěn)定且線性地放大載荷傳感器輸出的微弱信號；其應(yīng)用于120噸雙軸伺服壓機的伺服控制中時，可實時地跟蹤伺服控制壓力，穩(wěn)定地實現(xiàn)120噸雙軸伺服壓機的載荷閉環(huán)檢測與控制。

載荷傳感器；前置放大；開關(guān)電源濾波；零點補償；載荷閉環(huán)檢測控制

構(gòu)造變形與物理場實驗研究[1-3]常采用雙軸臥式壓機對巖石樣品進(jìn)行壓力加載，從而研究巖石變形或者粘滑[4]時的物理特性變化。雙軸臥式壓機采用全橋應(yīng)變片式的載荷傳感器來檢測壓力加載過1程中的載荷變化量，壓機可加載至的最高載荷為120噸。構(gòu)造變形與物理場實驗過程常常會處在較為復(fù)雜的電磁環(huán)境中，如周圍環(huán)境的電磁輻射噪聲和壓機本身的繼電器開關(guān)脈沖輻射噪聲等，這些輻射噪聲會耦合在微弱的載荷信號中使得放大后的壓力信號信噪比大大降低。基于此，本文設(shè)計了一款抗干擾低噪聲、高穩(wěn)定度與高載荷檢測能力的壓機載荷前置放大器，以便較好地服務(wù)于構(gòu)造變形與物理場實驗研究。

1 120噸雙軸壓機載荷傳感器檢測原理

120噸雙軸伺服壓機如圖1所示，其采用計算機控制液壓伺服檢測與控制系統(tǒng)。

計算機通過檢測加載壓力的變化和油缸位移的變化來控制載荷加載量或者位移加載量，以實現(xiàn)巖石樣品變形時的載荷變化與保持或者位移變化與保持。伺服控制系統(tǒng)的載荷采樣率為100Hz，載荷控制加載速率最小為10 kg/s，且載荷變化范圍為0-120噸，這要求載荷前置放大器需要較高的信噪比和較寬的檢測電平變化范圍，無疑加大了載荷前置放大器的設(shè)計難度。120噸雙軸壓機使用的載荷傳感器采用全橋應(yīng)變片結(jié)構(gòu)，每個橋臂上的應(yīng)變片阻值為350 Ω，這種結(jié)構(gòu)的壓力傳感器可以補償溫漂帶來的測量誤差[5-6]。四個應(yīng)變片均粘貼在雙軸壓機的油缸推進(jìn)臂上，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖1 120噸雙軸臥式壓機

圖2 壓機載荷傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

當(dāng)應(yīng)變片粘貼在油缸推進(jìn)臂上后隨著受載變形時，它的電阻值將發(fā)生變化，且阻值的變化率滿足公式（1）。

公式（1）中R為應(yīng)變片的初始電阻，DR為應(yīng)變片電阻的變化量，K為應(yīng)變片的靈敏系數(shù)。當(dāng)應(yīng)變橋處于平衡狀態(tài)時，其滿足公式（2）。若雙軸壓機的油缸推進(jìn)臂受加載載荷影響而產(chǎn)生形變時，將導(dǎo)致應(yīng)變橋臂中兩個應(yīng)變片受拉，其余兩個應(yīng)變片受壓，此時應(yīng)變橋處于不平衡狀態(tài)，滿足公式（3）。

公式（3）中 R1=R2=R3=R4=350Ω，DR1、DR2、DR3、DR4為各個應(yīng)變片的阻值變化量，E為應(yīng)變橋的供橋電壓。通常公式（3）中輸出的U0很微弱，幅度為幾mV~幾十mV，且供橋電壓E的穩(wěn)定性和噪聲水平將直接影響U0的信號質(zhì)量；若E的噪聲較大，則U0中將疊加大量的電源噪聲，這會大大降低放大后信號的信噪比。綜上可知，雙軸壓機的載荷傳感器需要一個低噪聲、高穩(wěn)定度的直流供橋電源和較大放大倍數(shù)的放大器。

2 總體設(shè)計

考慮到放大器的整體檢測精度要求，設(shè)計采用低噪聲直流供電系統(tǒng)對整個電路進(jìn)行供電。為了縮小供電系統(tǒng)體積和提高供電接口的通用性，設(shè)計采用5V輸入的DCDC模塊產(chǎn)生模擬器件所需的正負(fù)電源軌。全橋應(yīng)變式載荷傳感器所需的高精度直流供橋電源由降噪后的正電源軌經(jīng)高精度降壓基準(zhǔn)芯片產(chǎn)生。載荷傳感器輸出的微弱信號經(jīng)過儀表放大器的放大后送入到ADC采樣芯片中去處理。前置放大器的總體設(shè)計示意見圖3。

圖3 前置放大器總體結(jié)構(gòu)圖

3 硬件設(shè)計

3.1 模擬供電電源設(shè)計

DCDC直流模塊包含大量的瞬時尖峰脈沖和電源紋波，這些會很容易耦合到其它模擬器件中，導(dǎo)致放大后的有用信號被噪聲湮沒，因此DCDC直流模塊需要降噪處理。LDO降壓芯片具有良好的輸出電壓線性度和較高的電源抑制比PSRR，這里采用DCDC模塊后接兩級LDO芯片平滑部分電源紋波[7-8]，第一級用LM7812、LM7912將DCDC模塊輸出的正負(fù)15 V電壓降低到正負(fù)12 V，第二級用低壓差、高PSRR的LDO芯片LT1963A、LT3015進(jìn)一步將電源電壓降低正負(fù)10V左右。此處輸出的正負(fù)10V電源仍包含有較高的電源紋波，可采用LC低通濾波器[9]濾除從而得到模擬芯片所需干凈的正負(fù)電源軌。DCDC直流模塊輸出電源中的瞬時尖峰脈沖可用多級磁珠濾除。圖4為模擬供電電路圖，圖中部分濾波電容未顯示。

3.2 高精度供橋電源設(shè)計

如章節(jié)1所述，全橋載荷傳感器需要一個高精度、高穩(wěn)定度的供橋電源，以保證全橋載荷傳感器輸出的微弱信號盡量不受電源噪聲和電源電壓波動帶來的影響。設(shè)計將模擬供電電源輸出的正10 V電源作為高精度供橋電源的輸入，選用低溫漂系數(shù)的電壓基準(zhǔn)芯片ADR02輸出10 mA，5 V的高精度供橋電壓，并用MOSFET-N管擴流。這種電路結(jié)構(gòu)不僅可以大大降低橋壓的紋波，而且可以提高供橋電源電流輸出能力，最大輸出電流為MOSFET管的值。高精度供橋電源設(shè)計圖見圖5，圖中電源解耦部分未顯示。

圖4 模擬供電電路圖

圖5 高精度供橋電源電路圖

3.3 信號放大與后級濾波

全橋載荷傳感器輸出的信號非常微弱，通常為幾mV~幾十mV，若要將信號放大到5 V范圍內(nèi)，則放大倍數(shù)為幾百倍；普通運算放大器在放大倍數(shù)超過20倍后大都會自激[10-11]，且普通運算放大器通常放大單端信號，無法無失真地放大全橋傳感器輸出的差分信號。差分儀表放大器具有高共模抑制比、高輸入阻抗、低噪聲、低線性誤差和低失調(diào)漂移高增益等特點，可以完美放大輸入的微弱差分信號。儀表放大器的選取可依據(jù)公式（4）。

公式（4）中，Slew為儀表放大器的壓擺率，F(xiàn)為要放大的信號的頻率上限，Vop為儀表放大器輸出的信號單峰值，實際使用時一般取兩倍所需的壓擺率。滿足公式（4）的儀表放大器可線性無失真地放大被測信號。考慮雙軸壓機工作所處的電磁環(huán)境較為復(fù)雜，電路需要對被測信號進(jìn)行射頻干擾濾波。采用共模電感和射頻濾波器可有效降低周圍環(huán)境的射頻噪聲[12]。射頻濾波器參數(shù)選取參照公式（5）。

圖6 信號放大與零點電平調(diào)整設(shè)計圖

4 硬件測試與實驗應(yīng)用

4.1 硬件測試

圖7（a）為載荷前置放大器的實物圖，外殼采用全金屬包裹以屏蔽電磁輻射。為了對載荷前置放大器進(jìn)行測試，本文設(shè)計了由兩個10K精密可調(diào)電阻組成的一個全橋電阻橋模擬全橋載荷傳感器，信號發(fā)生器33250A的輸出信號作為全橋電阻橋的供橋電壓。當(dāng)全橋電阻橋處于不平衡狀態(tài)時，載荷前置放大器對其輸出的mV級信號進(jìn)行放大，整個測試平臺示意圖如圖7（b）所示。

圖7 硬件實物與測試平臺圖

當(dāng)載荷前置放大器放大倍數(shù)為420倍時，32250A信號發(fā)生器對不平衡電阻橋施加10Vpp，10 Hz~1 kHz的正弦波橋壓信號（頻率步進(jìn)量10 Hz），可得如圖8所示的載荷前置放大器帶寬響應(yīng)曲線。由圖8知，當(dāng)激勵信號頻率為10 Hz時，載荷前置放大器仍能無失真地放大mv級信號，且放大后信號峰值為0.73 V；圖8中載荷前置放大器對110 Hz~1 kHz的微弱信號進(jìn)行放大時，其輸出信號幅度波動很??；當(dāng)頻率超過1 kHz時，電壓響應(yīng)曲線開始下降，滿足3.3節(jié)的設(shè)計目標(biāo)，且放大器在低頻時的頻率響應(yīng)平坦度良好。圖9為測試的典型頻率的放大信號，結(jié)果表明，載荷前置放大器在低頻時均能無失真地放大輸入端的毫伏級信號。

圖8 載荷放大器低頻響應(yīng)圖

圖9 載荷放大器放大后信號

4.2 實驗應(yīng)用

圖1所示的120噸雙軸壓機的兩個加載臂分別標(biāo)記為X方向和Y方向，兩個載荷前置放大器分別檢測這兩個方向加載臂的載荷變形量。X和Y方向的載荷變形量反饋到伺服控制計算機加以處理后來驅(qū)動兩個方向的液壓伺服閥進(jìn)而控制加載臂的進(jìn)退量。本文采用巖石樣品的粘滑實驗[4]來檢測載荷前置放大器的運行性能。雙軸壓機的X方向載荷保持為7.5噸，Y方向采用載荷控制方式加載壓力并加載至1450 s處，加載速率為10 kg/s；之后，Y方向卸載壓力，卸載速度為50 kg/s。整個實驗加載和卸載載荷過程見圖10。

圖10中，兩個方向的載荷前置放大器的輸出信號均能完整無誤地跟蹤當(dāng)前時刻載荷伺服控制目標(biāo)值。X方向在載荷目標(biāo)值保持時，其放大器輸出信號基本無變化，即載荷前置放大器長時間運行時的穩(wěn)定性良好；Y方向的載荷變化曲線既可以實時跟蹤Y方向的伺服載荷控制目標(biāo)量，又可以無誤地展示巖石粘滑時的載荷突變情況，即載荷前置放大器的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)和瞬態(tài)響應(yīng)靈敏度都可以滿足巖石粘滑實驗的要求。

圖10 雙軸壓機載荷加載與卸載過程

5 結(jié) 論

1）該載荷前放大器采用DCDC模塊和LDO芯片相結(jié)合的方式進(jìn)行電源濾波降噪，且具有前端射頻濾波功能，既確保了放大器的信噪比，又使其不受周圍環(huán)境電磁干擾的影響。

2）該載荷前置放大器采用儀表放大結(jié)構(gòu)，可線性地放大全橋式載荷傳感器輸出的微弱信號，且其在低頻范圍內(nèi)的電壓響應(yīng)平坦度良好，滿足實際使用要求。

3）該載荷前置放大器應(yīng)用于高噸位伺服雙軸壓機的伺服閉環(huán)控制時，可線性地檢測與跟蹤當(dāng)前載荷的伺服目標(biāo)值，長時間運行時的穩(wěn)定性良好，可滿足120噸雙軸伺服壓機的載荷閉環(huán)檢測與控制要求。

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The design and application of load preamplifier used in 120 ton biaxial servo press

QI Wen-bo，LIU Li-qiang， LIU Pei-xun，GUO Yan-shuang
（Institute of Geology， China Earthquake Administration， Beijing 100029， China）

According to the characteristics of large environmental electromagnetic interference of biaxial servo press used in study of rock deformation，the designed super low noise preamplifier is equipped with the switching power filter circuit.The amplifier has zero compensation circuit of system，which can effectively compensate the instability of zero point of pressure caused by the change of environment temperature and zero drift of the press system.The newly designed load preamplifier can stably and linearly amplify the weak signals output from the load sensor；while the preamplifier can track the servo control pressure real-timely，and closed loop detection and control of load in 120 ton biaxial servo press can be realized stably，when the preamplifier is applied to the servo control of 120 ton biaxial servo press.

Load sensor； preamplifier； switching power filter； zero compensation； closed loop detection and control of load

TN721.1

A

1674－6236（2017）12-0060-05

2016-07-02稿件編號：201607011

中國地震局地質(zhì)研究所中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)專項（IGCEA1612）

齊文博（1985—），男，河南新野人，碩士，工程師。研究方向：電子技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用和構(gòu)造變形與物理場實驗研究。