朱培斌 許肖梅 黃身欽 張小康 吳劍明 陶毅

(廈門(mén)大學(xué)海洋與地球?qū)W院，廈門(mén)，361005)

壓電式水聲換能器作為水聲應(yīng)用中的核心傳感器具有測(cè)量頻率范圍廣和靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，多應(yīng)用于水聲測(cè)量和水聲通信等領(lǐng)域。壓電式水聲換能器的輸出為電荷信號(hào)，目前在水聲測(cè)量中較為普遍的方法是將其輸出信號(hào)經(jīng)電荷放大器轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)后采集，但由于電荷放大器設(shè)計(jì)較為精密，長(zhǎng)期使用后會(huì)隨時(shí)間產(chǎn)生零飄，需要定期進(jìn)行校準(zhǔn)[1]，并且電荷放大器體積較大，在現(xiàn)場(chǎng)水聲測(cè)量中攜帶也不方便。為簡(jiǎn)化現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，水聲測(cè)量工作中往往會(huì)將壓電式水聲換能器的輸出信號(hào)直接用數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行采集，并由換能器指標(biāo)書(shū)提供的電壓靈敏度將采集的電壓值換算為聲壓值。因此，有必要針對(duì)使用電荷放大器和直接接入數(shù)據(jù)采集卡這兩種情況對(duì)壓電式水聲換能器測(cè)量的影響進(jìn)行分析和討論。

1 測(cè)量原理

壓電式水聲換能器是一種不需外部激勵(lì)電壓的自發(fā)電式傳感器，在變化的聲壓作用下，換能器內(nèi)部的電介質(zhì)表面會(huì)產(chǎn)生電荷，從而實(shí)現(xiàn)聲壓的測(cè)量。因?yàn)殡姾尚盘?hào)較易受到干擾，所以電荷信號(hào)的傳輸一般采用帶有屏蔽層的同軸電纜，電纜內(nèi)芯外圍的屏蔽層能有效的屏蔽外界的電磁干擾，但較長(zhǎng)的電纜長(zhǎng)度使其具有一定的分布電容。

本文采用的水聲換能器型號(hào)為BK 8105型，電荷放大器采用BK 2692型，后端的數(shù)據(jù)采集卡型號(hào)為NI USB-4431，設(shè)備均在正常校準(zhǔn)周期內(nèi)。設(shè)備的具體指標(biāo)見(jiàn)表1。本文的理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析均基于表中硬件型號(hào)的性能指標(biāo)。

2 理論分析

2.1 電荷放大器的工作原理

近年來(lái)，電荷放大器的研發(fā)和設(shè)計(jì)不斷取得進(jìn)步[2]，但其基本工作原理不變。電荷放大器一般由電荷變換級(jí)、適調(diào)級(jí)、低通濾波器、高通濾波器、末級(jí)放大器、電源等多個(gè)部分組成。本文僅對(duì)電荷變換級(jí)進(jìn)行討論。

表1 水聲換能器、電荷放大器及數(shù)據(jù)采集卡的型號(hào)和主要指標(biāo)

電荷放大器的電荷變換級(jí)起到電荷量轉(zhuǎn)化為電壓量和阻抗變換的作用，等效電路如圖1所示。

圖1 電荷變換級(jí)的等效電路

換能器內(nèi)的壓電晶體受壓后產(chǎn)生電荷Q，Ca是換能器的級(jí)間電容，Ra則是換能器的輸出電阻，Cc是換能器傳輸電纜的分布電容，Rc是傳輸電纜的漏電阻，Ci是電荷放大器的輸入電容，Ud是在運(yùn)算放大器反相輸入端上產(chǎn)生的差動(dòng)電壓，Cf是電荷放大器的反饋電容，Rf是運(yùn)算放大器的反饋電阻。設(shè)運(yùn)算放大器的開(kāi)環(huán)放大系數(shù)為A，由于電壓是反向輸入，因此反饋電容Cf兩端的電壓UCf為：

開(kāi)環(huán)放大系數(shù) A的值一般很大，且反饋電阻Rf的值也很大，當(dāng)假設(shè)為無(wú)窮大時(shí)，則有：

由此可見(jiàn)，在A和Rf均很大的理想狀況下，在電荷放大器校準(zhǔn)后的可靠期內(nèi)[3]，因反饋電容的存在，輸出電壓Uo與產(chǎn)生電荷Q成正比。在實(shí)際情況中因傳輸線纜較長(zhǎng)而使得電纜的分布電容值 Cc較大，如果是在沒(méi)有反饋電容的電壓放大器或數(shù)據(jù)采集卡系統(tǒng)中，分布電容的存在對(duì)壓電式換能器的測(cè)量結(jié)果會(huì)有較大影響，下面我們進(jìn)一步討論這種情況。

2.2 數(shù)據(jù)采集卡直接采集電荷信號(hào)的分析

數(shù)據(jù)采集卡直接采集可等效為放大倍數(shù)K為1的電壓放大器對(duì)壓電式水聲換能器信號(hào)進(jìn)行采集。圖2是換能器與電壓放大器連接的等效電路，因壓電式水聲換能器的絕緣電阻極大可近似為開(kāi)路，當(dāng)與數(shù)據(jù)采集卡連接時(shí)，測(cè)量中必須考慮電纜的分布電容和電壓放大器的輸入電阻、輸入電容對(duì)測(cè)量的影響。

圖2 電壓放大器的等效電路

圖2中，各物理量定義與圖1中一致，Ri是電壓放大器的輸入電阻，則有輸入的等效電阻 Req和等效電容Ceq為

假設(shè)作用于壓電器件上的力為周期性的，F(xiàn)= Fmsin ωt。由圖2等效電路可知，電壓放大器的輸入電壓為

因此，電壓放大器輸入電壓的幅值imU 為

從2.1節(jié)的分析中可知，電荷放大器的輸入接近于理想狀況下的輸入電阻無(wú)限大，即不產(chǎn)生電荷泄漏，在已校準(zhǔn)的系統(tǒng)中查詢表1得到確切的等效電容值，理想放大器的輸入電壓幅值Uom為

將式（5）和式（7）相除得到Uim和Uom比值為

由式（6）和（8）可知電荷放大器（近似理想輸入）的主要影響因素為等效電容和等效電阻，在等效電容和等效電阻已知時(shí)，幅值和相位的影響與角頻率ω相關(guān)。通過(guò)查詢表1可得：當(dāng)Req≈200 kΩ且Ceq≈8 371 pF時(shí)，通過(guò)式（8）和（6）計(jì)算得到如圖3的幅值頻響和相位差頻響曲線。

圖3 輸入電壓幅值比值和相位差的頻響曲線

由以上分析和圖3結(jié)果可知，由于受到電纜分布電容和輸入阻抗相對(duì)較小的影響，電壓放大器輸入電壓幅值和相位的影響隨頻率而變化，低頻影響較大，高頻則影響較??；而采用電荷放大器則可較大程度的消除該影響，使得幅頻響應(yīng)和相頻響應(yīng)曲線較為平直。

3 實(shí)驗(yàn)分析

實(shí)驗(yàn)采用表1中的壓電式水聲換能器、電荷放大器及數(shù)據(jù)采集卡型號(hào)，實(shí)驗(yàn)中電荷放大器濾波器參數(shù)和輸出接口形式的設(shè)置也采用表1中的典型值，主要考察電荷放大器對(duì)壓電式水聲換能器測(cè)量結(jié)果的影響。水池中，發(fā)射和接收換能器的放置應(yīng)保證聲波處于遠(yuǎn)場(chǎng)穩(wěn)定的情況下進(jìn)行測(cè)量，發(fā)射換能器于100 Hz和22 kHz這兩個(gè)頻點(diǎn)發(fā)射大小不同的聲壓，接收換能器則分別采用由數(shù)據(jù)采集卡直接采集和通過(guò)電荷放大器后進(jìn)行采集這兩種方式進(jìn)行，所得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果列于表2中。由表2實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)接收100 Hz低頻水聲信號(hào)時(shí)，兩者測(cè)量的聲壓差值較大，采用數(shù)據(jù)采集卡采集的聲壓值顯著偏小，其比值與理論計(jì)算較為一致；而當(dāng)接收 22 kHz高頻水聲信號(hào)時(shí)，測(cè)量的聲壓差值則較小，這也與理論分析一致。

表2 兩種方式采集高頻和低頻水聲信號(hào)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)以上的理論分析和實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果的驗(yàn)證，將壓電式水聲換能器輸出信號(hào)通過(guò)電荷放大器后采集、電壓放大器采集或采集卡直接采集的測(cè)量方式比較結(jié)果見(jiàn)表3，并依據(jù)理論和實(shí)驗(yàn)的分析結(jié)果給出在各類常見(jiàn)海洋水聲測(cè)量應(yīng)用中的使用建議。

表3 設(shè)備對(duì)比及使用建議

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)電荷放大器和電壓放大器等效電路的理論分析和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：因受壓電式水聲換能器傳輸線纜的分布電容較大和數(shù)據(jù)采集卡輸入阻抗相對(duì)較小等因素影響，數(shù)據(jù)采集卡采集壓電式水聲換能器的輸出信號(hào)會(huì)對(duì)其幅值和相位產(chǎn)生影響。由頻響曲線可知在低頻段測(cè)量結(jié)果影響較大，因此，對(duì)于海洋低頻水聲精確測(cè)量的應(yīng)用，必須采用電荷放大器采集以保證測(cè)量準(zhǔn)確度；而對(duì)于高頻水聲測(cè)量，則可采用高分辨率的數(shù)據(jù)采集卡直接進(jìn)行采集，但在使用中需注意若是更換或加長(zhǎng)剪短線纜，改變測(cè)量鏈路中的等效電容值[4]，應(yīng)對(duì)水聲換能器重新校準(zhǔn)后再進(jìn)行測(cè)量。

參考文獻(xiàn)：

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[2] 李桂磊, 徐中, 賀長(zhǎng)波. 一種小型電荷放大電路設(shè)計(jì)[J].機(jī)電工程技術(shù), 2015,44(10)：5-9.

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[4] 王興舉,李煒恒.引線分布電容對(duì)壓電式傳感器性能的影響[J]. 實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)學(xué)技術(shù), 2007,5(3)：21-23.