应用ADXL50设计的加速度-频率测量仪器

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  •     振动焊接即在焊接的过程中施加振动,以保证在焊缝方向上能够稳幅和稳频振动。一般的振动焊接仪器上都自带有加速度测量仪,但是传统的振动焊接的加速度测量仪器只能固定在一点上进行测量,很难保证稳幅和稳频的效果。振动幅度和振动频率是表征振动过程的两个主要参数。工程应用中,一般用振动加速度来代替振动幅度,二者都表达了振动过程中的能量概念。在进行振动焊接时,需要准确而实时地测量加速度这个参数,以便于控制振动过程,保证相关工艺效果。为了进一步研究振动焊接在特定测试板上的振动模式,利用现有条件,围绕加速度传感器ADXL50设计开发了一种低成本、低功耗、使用及携带方便、显示直观的振动加速度-频率测量仪器。
    1 设计方案
    如图1所示,本仪器包括传感器及其外围电路、信号调理电路、加速度一频率显示三部分。传感器及其外围电路封装于小型屏蔽容器内,固定于振动物体上,随之同步振动,输出测量信号;信号调理电路接收电信号,进行放大、滤波等必要处理;经过处理后的信号被送入显示部分,信号的频率和幅度以数值形式显示于LED数码管上,实现加速度和频率的实时测量。
    2 传感器及其外围电路的设计
    选用了美国ADI公司生产的ADXL50加速度计作为振动传感器。它被集成了单片集成电路上,采用差动电容作为敏感元件,用闭环反馈力平衡技术和完整的信号调理电路构成闭环随动式加速度计,其输出电压与其感受的加速度成正比。
         ADXL50采用单电源+5V供电,最大测量范围为±50g(g为重力加速度),输出电压范围为0.25~4.75V,灵敏度为20mV/g。通过外接元件,结合其内置的缓冲放大器,调节放大倍数和0g时的电平,也可构成滤波电路。
         调节可变电阻R4可以使传感器ADXL50在零加速度情况下的输出为2.5V。缓冲放大器放大倍数为RC2/RC3=5,即传感器输出为0.1V/g。RC2与CC3构成一低通滤波器,截止频率为1/RC2×CC3=303Hz,振动时效和振动焊接的频率一般不超过200Hz,因而可以满足需求。

    3 信号调理电路
    3.1 放大电路
       信号调理电路中的放大器电路,是一个由运算放大器构成的负反馈放大电路,调节可变电阻RW2的阻值可进一步微调输出信号的放大倍数。输出信号减去0g电平,可使放大器输出电压值恰好为加速度值的1/10,便于进一步进行数字显示。调节可变电阻RW2的阻值可以微调0g电平,修正信号偏差。VSS为-5V供电电源,VCC为+5V供电电源,其余各图与此相同,不予多述。为提高系统集成度,整个系统中使用的四个运放全部由TLC27L4提供。

        3.2 滤波电路
    滤波电路选用美国TI公司生产的巴特沃斯四阶开关电容低通滤波器TLC04作为滤波电路的主要组成部分,采用施密特触发器振荡器自定时的双电源供电。TLC04的截止频率的稳定性只与时钟频率稳定性相关,截止频率时钟可调,其时钟一截止频率比为50:1,因而设计截止频率为1/1.69×RF1×CF1×50=251.8Hz,满足了振动时效和振动焊接工艺的要求。

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