??? 摘? 要: 主要介紹了一種應用傳感器" title="加速度傳感器">加速度傳感器ADXL50設計的新型便攜式、低功耗的振動加速度-頻率測量儀器。該儀器可用于實時監測振動過程參數,已被用于振動時效和振動焊接工藝中,取得了良好的效果。?
??? 關鍵詞: 振動焊接? 加速度? 頻率? ADXL50? 傳感器
?
??? 振動焊接即在焊接的過程中施加振動,以保證在焊縫方向上能夠穩幅和穩頻振動[1]。一般的振動焊接儀器上都自帶有加速度測量儀,但是傳統的振動焊接的加速度測量儀器只能固定在一點上進行測量,很難保證穩幅和穩頻的效果。振動幅度和振動頻率是表征振動過程的兩個主要參數。工程應用中,一般用振動加速度來代替振動幅度,二者都表達了振動過程中的能量概念。在進行振動焊接時,需要準確而實時地測量加速度這個參數,以便于控制振動過程,保證相關工藝效果。為了進一步研究振動焊接在特定測試板上的振動模式,利用現有條件,圍繞加速度傳感器ADXL50設計開發了一種低成本、低功耗、使用及攜帶方便、顯示直觀的振動加速度—頻率測量儀器。?
1 設計方案?
??? 如圖1所示,本儀器包括傳感器及其外圍電路" title="外圍電路">外圍電路、信號調理" title="信號調理">信號調理電路、加速度—頻率顯示三部分。傳感器及其外圍電路封裝于小型屏蔽容器內,固定于振動物體上,隨之同步振動,輸出測量信號;信號調理電路接收電信號,進行放大、濾波等必要處理;經過處理后的信號被送入顯示部分,信號的頻率和幅度以數值形式顯示于LED數碼管上,實現加速度和頻率的實時測量。
?
?
2 傳感器及其外圍電路的設計?
??? 選用了美國ADI公司生產的ADXL50加速度計作為振動傳感器。它被集成于單片集成電路上,采用差動電容作為敏感元件,用閉環反饋力平衡技術和完整的信號調理電路構成閉環隨動式加速度計,其輸出電壓與其感受的加速度成正比。?
??? 圖2所示為ADXL50的引腳說明。ADXL50采用單電源+5V供電,最大測量范圍為±50g(g為重力加速度),輸出電壓范圍為0.25～4.75V,靈敏度為20mV/g。通過外接元件,結合其內置的緩沖放大器,調節放大倍數和0g時的電平,也可構成濾波電路" title="濾波電路">濾波電路。?
?
?
??? 圖3為傳感器及其外圍電路設計圖。調節可變電阻R4可以使傳感器ADXL50在零加速度情況下的輸出為2.5V。緩沖放大器放大倍數為RC2/RC3=5,即傳感器輸出為0.1V/g。RC2與CC3構成一低通濾波器,截止頻率" title="截止頻率">截止頻率為1/RC2×CC3=303Hz,振動時效和振動焊接的頻率一般不超過200Hz,因而可以滿足需求。?
?
?
3 信號調理電路?
3.1 放大電路?
??? 圖4所示為信號調理電路中的放大器電路,它是一個由運算放大器構成的負反饋放大電路,調節可變電阻RW2的阻值即可進一步微調輸出信號的放大倍數。輸出信號減去0g電平,可使放大器輸出電壓值恰好為加速度值的1/10,便于進一步進行數字顯示。調節可變電阻RW2的阻值可以微調0g電平,修正信號偏差。圖中VSS為-5V供電電源,VCC為+5V供電電源,其余各圖與此相同,不予贅述。為提高系統集成度,整個系統中使用的四個運放全部由TLC27L4提供。?
?
?
3.2 濾波電路?
??? 濾波電路如圖5所示。選用美國TI公司生產的巴特沃斯四階開關電容低通濾波器TLC04作為濾波電路的主要組成部分,采用施密特觸發器振蕩器自定時的雙電源供電。TLC04的截止頻率的穩定性只與時鐘頻率穩定性相關,截止頻率時鐘可調,其時鐘—截止頻率比為50∶1,因而設計截止頻率為1/1.69×RF1×CF1×50=251.8Hz,滿足了振動時效和振動焊接工藝的要求。?
?
?
3.3 絕對值檢波電路?
??? 通過絕對值檢波電路(如圖6所示)可以對交流信號進行絕對值處理,便于加速度值的進一步數字顯示。即當輸入信號Vin>0時,輸出信號Vout=Vin;而當Vin<0時,Vout=-Vin。?
?
?
4 數據顯示?
4.1 加速度值顯示?
??? 絕對值電路輸出的電壓信號在數值上等于加速度值的1/10。因此選用JL5135直流數字電壓表作為表頭,直接通過數碼顯示輸出信號的電壓數值,同時設置數字電壓表的小數點位置,使之放大10倍后顯示值為加速度數值。?
4.2 頻率值顯示?
??? 把濾波電路輸出的信號接入一開環放大器電路,使之成為相應頻率的方波信號,利用JL4ZPL-A四位數顯自動頻率表讀出頻率數值。?
5 電源部分?
??? 整個系統采用4節1.5V充電干電池供電。為保證各集成電路芯片的正常工作,需提供±5V電源。如圖7所示,分別采用TPS7350和TPS6735作為+5V和-5V穩壓電源。?
?
?
??? 本儀器調試成功后,多次用于振動時效和振動焊接工藝的測控中,如上海寶冶工業安裝公司進行的高爐厚板電渣焊振動焊接工藝試驗等。該儀器以其便攜式的設計、簡單直觀的使用方式和精確的測量效果得到了相關技術人員的一致好評。?
??? 在此基礎上,作者將進一步深入研究,開發基于工控機、單片機的振動過程測量與控制系統,最終形成完善的焊接振動時效和振動焊接的測控分析產品系列。?
參考文獻?
1 朱政強,陳立功,倪純珍.振動焊接工藝的研究現狀及發展方向.焊接,2003(5)?
2 李繼文.集成加速度傳感器ADXL05及其應用.儀表技術,1996(6)?
3 徐德炳.ADXL50和ADXL05型加速度計的原理及應用——一種單片集成帶有信號調理電路的加速度傳感器.國外電子元器件,?1997(5)?