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應用ADXL50設計的加速度-頻率測量儀器
摘要：主要介紹了一種應用加速度傳感器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。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。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、信號調(diào)理電路、加速度一頻率顯示三部分。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。
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。它被集成了單片集成電路上，采用差動電容作為敏感元件，用閉環(huán)反饋力平衡技術和完整的信號調(diào)理電路構成閉環(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，也可構成濾波電路。
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構成一低通濾波器，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(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成的負反饋放大電路，調(diào)節(jié)可變電阻RW2的阻值可進一步微調(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，不予多述。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。
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，截止頻率時鐘可調(diào)，其時鐘一截止頻率比為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(shù)字顯示。即當輸入信號Vin
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