??? 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(jiān)測振動過程參數(shù),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(guān)鍵詞: 振動焊接? 加速度? 頻率? ADXL50? 傳感器
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??? 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(wěn)幅和穩(wěn)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(tǒng)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(wěn)幅和穩(wěn)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(shù)。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(shù),以便于控制振動過程,保證相關(guān)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(xiàn)有條件,圍繞加速度傳感器ADXL50設計開發(fā)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(diào)理" title="信號調(diào)理">信號調(diào)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(nèi),固定于振動物體上,隨之同步振動,輸出測量信號;信號調(diào)理電路接收電信號,進行放大、濾波等必要處理;經(jīng)過處理后的信號被送入顯示部分,信號的頻率和幅度以數(shù)值形式顯示于LED數(shù)碼管上,實現(xiàn)加速度和頻率的實時測量。
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2 傳感器及其外圍電路的設計?
??? 選用了美國ADI公司生產(chǎn)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(huán)反饋力平衡技術(shù)和完整的信號調(diào)理電路構(gòu)成閉環(huán)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(jié)合其內(nèi)置的緩沖放大器,調(diào)節(jié)放大倍數(shù)和0g時的電平,也可構(gòu)成濾波電路" title="濾波電路">濾波電路。?
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??? 圖3為傳感器及其外圍電路設計圖。調(diào)節(jié)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(shù)為RC2/RC3=5,即傳感器輸出為0.1V/g。RC2與CC3構(gòu)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。?
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3 信號調(diào)理電路?
3.1 放大電路?
??? 圖4所示為信號調(diào)理電路中的放大器電路,它是一個由運算放大器構(gòu)成的負反饋放大電路,調(diào)節(jié)可變電阻RW2的阻值即可進一步微調(diào)輸出信號的放大倍數(shù)。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(shù)字顯示。調(diào)節(jié)可變電阻RW2的阻值可以微調(diào)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(tǒng)集成度,整個系統(tǒng)中使用的四個運放全部由TLC27L4提供。?
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3.2 濾波電路?
??? 濾波電路如圖5所示。選用美國TI公司生產(chǎn)的巴特沃斯四階開關(guān)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(fā)器振蕩器自定時的雙電源供電。TLC04的截止頻率的穩(wěn)定性只與時鐘頻率穩(wěn)定性相關(guān),截止頻率時鐘可調(diào),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。?
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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(shù)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。?
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4 數(shù)據(jù)顯示?
4.1 加速度值顯示?
??? 絕對值電路輸出的電壓信號在數(shù)值上等于加速度值的1/10。因此選用JL5135直流數(shù)字電壓表作為表頭,直接通過數(shù)碼顯示輸出信號的電壓數(shù)值,同時設置數(shù)字電壓表的小數(shù)點位置,使之放大10倍后顯示值為加速度數(shù)值。?
4.2 頻率值顯示?
??? 把濾波電路輸出的信號接入一開環(huán)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(shù)顯自動頻率表讀出頻率數(shù)值。?
5 電源部分?
??? 整個系統(tǒng)采用4節(jié)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(wěn)壓電源。?
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??? 本儀器調(diào)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(yè)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(guān)技術(shù)人員的一致好評。?
??? 在此基礎(chǔ)上,作者將進一步深入研究,開發(fā)基于工控機、單片機的振動過程測量與控制系統(tǒng),最終形成完善的焊接振動時效和振動焊接的測控分析產(chǎn)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(xiàn)狀及發(fā)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(shù),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(diào)理電路的加速度傳感器.國外電子元器件,?1997(5)?