用于压电料位计的微弱信号检测电路设计

刘 溢，张晓菲，孙富韬，卢 超

（北京航天计量测试技术研究所，北京 100076）

压电料位计是利用压电效应和逆压电效应实现物料监测的一类料位计，具有结构简单、可靠性高、无磨损、自清洁、无需标定、即插即用等诸多优点。

但其输出为微弱电荷信号，通常为nC 级，容易受外界干扰；
当料位松动时，容易产生“虚假”料位信号；
对后端检测电路的性能要求高，需要正负电源供电，电路复杂。

基于此，设计了一种用于压电料位计的微弱信号检测电路，能够实现单极性电源供电处理交流信号；
消除因料位松动造成的输出抖动等虚假报警，实现料位的准确监测；
具备灵敏度调节功能，可以根据不同物料的阻尼特性，有针对性地设置动作阈值；
可以根据用户需要，设置输出电平极性，提高了料位计的灵活性和适应性。

2．1 总体方案设计

压电料位计由以压电换能器为核心的传感器和后端驱动检测电路构成。

其工作原理为：在压电换能器驱动下，料位计振动杆发生共振；
当有物料覆盖振动杆探头时，对其产生阻尼，使其振幅减弱，料位计输出电荷信号随之减小；
检测电路监测此变化，并与阈值比较，转换为标准开关信号输出，完成料位检测。

微弱信号检测电路主要由防积分饱和电荷放大器、带通滤波器、精密检波电路、两级比较电路和逻辑控制电路五个部分构成，如图1 所示。

电荷放大器将料位计输出的微弱电荷信号转换为电压信号输出，同时实现阻抗匹配；
带通滤波器滤除掉多余的现场干扰，输出光滑的正弦波信号；
精密检波电路完成小信号半波整流和滤波，将输入的正弦波转换为直流电平输出；
两级比较电路根据设置的阈值，完成直流电平至开关量转换，并实现灵敏度调节和防虚假报警功能；
最后，由逻辑控制部分实现标准信号输出和现场指示，同时，可以根据用户需要实现高低电平极性转换。

图1 总体方案框图Fig．1 Overall scheme block diagram

2．2 防积分饱和电荷放大器设计

防积分饱和电荷放大器如图2 所示。

本文中所有电路均采用单极性电源供电，为处理交流信号，将运放参考端连接参考电压V，满足V＝1／2V，以下不再赘述。

电荷放大器的输出电压V为

图2 防积分饱和电荷放大器Fig．2 Anti⁃saturation charge amplifier

式中：Q——料位计输出电荷；
A——运放开环增益；
C——反馈电容；
ω——信号角频率；
R——反馈电阻；
C——传感器等效电容、线缆分布电容和运放输入电容等效值；
R——传感器漏电阻和运放输入电阻等效值。

由于A 很大，公式（1）可以简化为

由此可见，前置电荷放大器输出电压正比于输入电荷，放大倍数取决于反馈电容和电阻，而与分布电容、输入阻抗等无关。

其中，电容起决定作用，电阻减小低频放大倍数，当被测信号频率较高时，有

则公式（2）可进一步化简为

为防止电荷放大器因积分饱和导致输出信号失真，设计一种放电复位电路，在输入信号过零点时强制对积分器（电容C）放电复位，其电路组成如图2 虚线以上部分所示，主要由N 沟道增强型场效应管Q、P 沟道增强型场效应管Q、耦合电容C及对应的控制信号V构成。

其中，V直接取自传感器的驱动信号，与传感器输出信号Q 同相位、同频率。

积分信号波形图如图3 所示，防积分饱和原理为：当Q 由负变正过零时，如图3 中A 点所示，V由低电平变高电平，并通过电容C耦合至场效应管Q、Q的栅极；
此时，Q的栅源电压为正，且高于开启电压，Q导通，将电容C短路，泄放掉多余的电荷，使得V强制“过零”。

此后Q 进入正半周，V相应进入负半周，则Q漏源电压V等于V－V，为负，Q断开，电路恢复为积分状态。

图3 积分信号波形图Fig．3 Waveform of integral signal

同理，当Q 由正变负过零时，如图3 中B 点所示，V由高电平变低电平，Q的栅源电压为负，且低于开启电压，Q导通，将电容C短路，泄放掉多余电荷；
此后V进入正半周，Q漏源电压V为正，Q断开，电路正常积分。

如此往复，确保积分电路正常工作。

2．3 无限增益多路反馈带通滤波器设计

由于V信号较小，且含有较多杂波，尤其是在料位计起振初始阶段，为提高信号质量，加快信号收敛速度，设计无限增益多路反馈二阶带通滤波器对其进行滤波和放大处理，如图4 所示。

取反馈电容C＝C＝C，可得传递函数为

图4 无限增益多路反馈带通滤波器Fig．4 Infinite gain multi⁃channel feedback bandpass filter

式中：V——滤波器输出电压；
R、R、R——电阻值。

中心频率f为

中心频率处增益H（jf）为

电路带宽B 为

取C ＝2.2 nF，R＝R＝56 kΩ，R＝187 kΩ，则f＝1 000 Hz，等于传感器固有频率；
H（jf） ＝－1．67，B ＝774 Hz。

为验证滤波特性，设置输入信号V为100 mV（峰峰值），1 kHz 正弦波，并在其上叠加白噪声，模拟现场干扰，带宽设置为100 kHz，通过Multisim 仿真，如图5 所示。

可以看出，经过二阶带通滤波后，输出信号V为光滑正弦波，幅值167 mV（峰峰值），相对于V放大1.67 倍，产生180°相移，与理论设计一致。

图5 滤波器仿真波形图Fig．5 Simulation waveform of filter

2．4 精密检波电路设计

料位计输出信号经过电荷放大和滤波后，转换为正弦波电压信号输出，为了检测其幅值变化，需要对其整流，转换为直流信号。

传统方式采用无源二极管全波整流，由于二极管自身压降原因，输出与输入幅值相差两支二极管的开启电压2U，当输入信号较小时，波形严重失真，甚至不能导通。

因此，设计的精密检波电路由精密半波整流电路和滤波电路构成，如图6 所示，利用运放深度负反馈消除二极管开启电压对微弱信号的影响。精密半波整流过程如下：

图6 精密检波电路Fig．6 Precision detection circuit

（1）当V＞V时，运放输出小于0，导致二极管D导通，D截止，从而构成反相放大器，其输出为

（2）当V＜V时，运放输出大于0，导致二极管D截止，D导通，V＝V。

即

由公式（10）可知，V在一定情况下，增加放大倍数R／R，可以增大V的变化量，以提高灵敏度，减小后级比较电路误动作的风险。

控制R／R的增加程度，使得无物料时，V正半波经过整流、反相放大后由于运放输出限幅，导致V负半波限幅至GND；
而有物料时，由于V本身很小，放大倍数对V影响相对不大。

结合V变化范围综合优化测试，取R／R＝4．6。

V经过精密半波整流后，通过电阻R对电容C进行充放电滤波，转换为平滑的直流电平。

通过Multisim 仿真，设置输入V为1.160 V（峰峰值），1 kHz正弦波，偏置V，通过示波器观察V、V波形如图7（a）所示，为方便观察，V沿Y 轴偏移－V。

波形图显示，仿真结果与理论设计一致，经过整流、滤波后，V转换为平滑的直流电平，幅值为0.69 V。

当物料覆盖料位计探头时，振幅减弱，V输出减小。

设置V的幅值为0.310 V（峰峰值），再次进行仿真，如图7（b）所示，V为1.82 V，相对于无物料，变化量为1.13 V，足够后端比较电路识别。

图7 精密检波电路仿真波形图Fig．7 Simulation waveform of precision detection circuit

2．5 两级比较电路设计

设计两级比较电路以完成精密检波后的直流电平变化判断，如图8 所示。

其中，开关S配合可调电阻器R实现灵敏度调节功能，根据现场物料的阻尼情况，控制比较电压大小。

电阻R、R构成滞回比较电路，防止门限电压附近发生抖动。

第一级比较完成后，经过RC 滤波，进行第二级比较。此处，RC 充电回路为D、R、C，RC 放电回路为C、R、D，设置不同的电阻值，即可控制电容充、放电时间，实现料位计动作时间和恢复时间的不同控制。

通过两级比较，配合灵敏度调节、滞回特性设置和充放电时间控制，可以有效消除物料松动带来的输出抖动等虚假报警信号，实现料位的可靠监测。

图8 两级比较电路Fig．8 Two⁃stage comparison circuit

2．6 逻辑控制设计

逻辑控制电路包括逻辑切换模块、指示灯模块和隔离输出模块，如图9 所示。

其中，三个场效应管均为N 沟道增强型场效应管；
逻辑切换模块实现V输出电平极性翻转，方便用户根据报警逻辑进行选择；
指示灯模块实现就地指示；
隔离输出模块通过光耦实现电气隔离，提高抗干扰能力，输出形式为集电极开路输出。

其工作过程如下：

图9 逻辑控制电路Fig．9 Logic control circuit

（1）开关S断开，V为高时，Q导通，V为低，Q截止，V为高，V为高（外接上拉电阻）；
Q导通，D被短路，指示灯灭。

反之，V为低时，V为低，指示灯亮。

（2）开关S闭合，将V与V短接，则与S断开相比，V实现了极性翻转，因此，后续输出和指示灯均实现极性翻转。

3．1 功能正常性测试

选取压电料位计进行试验测试，将料位计输出连接至检测电路输入端V，通电测试，通过示波器观察V、V、V波形，如图10 所示。

电荷放大器输出V为不光滑正弦波，幅值为0.690 V（峰峰值），且在“过零”处有明显“滞停”现象，是防积分饱和电路强制放电复位的结果；
V经过二阶带通滤波器滤除杂波信号后，转换为光滑正弦波V输出，幅值为1.160 V（峰峰值），放大1.68 倍，相位不变；
精密检波电路对小信号正弦波V进行精密整流、RC 滤波，转换为平滑的直流电平V输出，幅值为0.710 V。

实际测试波形及数据与理论计算和仿真分析吻合，系统工作稳定，功能正常。

图10 功能测试波形图Fig．10 Waveform of function test

3．2 料位报警测试

无物料时，料位计探头振幅大，输出电荷Q 大，相应的V变小，V为低电平，V输出低电平，指示灯亮；
反之，有物料时，V变大，V为高电平，V输出高电平，指示灯灭，各输出点状态变化如表1 所示。

对料位计探头施加一定阻尼模拟有物料状态，通过示波器观察V、V和V波形，如图11所示。

V幅值为0.185 V（峰峰值），V幅值为0.310 V（峰峰值），放大1. 68 倍；
V幅值为1.800 V；
对比图10，相较于无阻尼时，V幅值变化量为1.090 V，以上数据与理论设计和仿真分析均保持一致。

同时，无阻尼时，V输出低电平，指示灯亮；
有阻尼时，V输出高电平，指示灯灭，实现了料位监测报警。

表1 各输出点状态表（S1B断开）Tab．1 Status of each output point （S1B off）

图11 施加阻尼后波形图Fig．11 Waveform after damping is applied

设计了一种用于压电料位计的微弱信号检测电路，通过理论计算、仿真分析和试验测试对比，验证了设计的合理性和正确性。

本方法仅需单极性电源供电即可处理交流信号，简化了电路，能够根据现场工况调节灵敏度大小，根据用户需要设置输出信号极性，避免物料松动造成的虚假报警，实现物料的可靠监测，具备工业应用价值和前景。