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應用ADXL50設計的加速度-頻率測量?jì)x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(dòng)加速度。頻率測量?jì)x器。該儀器可用于時(shí)監測振動(dòng)過(guò)程參數，已被用于振動(dòng)時(shí)效和振動(dòng)焊接工藝中，取得了良好的效果。振動(dòng)焊接即在焊接的過(guò)程中施加振動(dòng)，以保證在焊縫方向上能夠穩幅和穩頻振動(dòng)。一般的振動(dòng)焊接儀器上都自帶有加速度測量?jì)x，但是傳統的振動(dòng)焊接的加速度測量?jì)x器只能固定在一點(diǎn)上進(jìn)行測量，很難保證穩幅和穩頻的效果。振動(dòng)幅度和振動(dòng)頻率是表征振動(dòng)過(guò)程的兩個(gè)主要參數。工程應用中，一般用振動(dòng)加速度來(lái)代替振動(dòng)幅度，二者都表達了振動(dòng)過(guò)程中的能量概念。在進(jìn)行振動(dòng)焊接時(shí)，需要準確而實(shí)時(shí)地測量加速度這個(gè)參數，以便于控制振動(dòng)過(guò)程，
保證相關(guān)工藝效果。為了進(jìn)一步研究振動(dòng)焊接在特定測試板上的振動(dòng)模式，利用現有條件，圍繞加速度傳感器ADXL50設計開(kāi)發(fā)了一種低成本、低功耗、使用及攜帶方便、顯示直觀(guān)的振動(dòng)加速度-頻率測量?jì)x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，固定于振動(dòng)物體上，隨之同步振動(dòng)，輸出測量信號；信號調理電路接收電信號，進(jìn)行放大、濾波等必要處理；經(jīng)過(guò)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(shí)現加速度和頻率的實(shí)時(shí)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(dòng)傳感器。它被集成了單片集成電路上，采用差動(dòng)電容作為敏感元件，用閉環(huán)反饋力平衡技術(shù)和完整的信號調理電路構成閉環(huán)隨動(dòng)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(shuō)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(guò)外接元件，結合其內置的緩沖放大器，調節放大倍數和0g時(shí)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，截止頻率為1/RC2×CC3=303Hz，振動(dòng)時(shí)效和振動(dòng)焊接的頻率一般不超過(guò)200Hz，因而可以滿(mǎn)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(gè)由運算放大器構成的負反饋放大電路，調節可變電阻RW2的阻值可進(jìn)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(jìn)一步進(jìn)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，不予多述。為提高系統集成度，整個(gè)系統中使用的四個(gè)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(kāi)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(shí)的雙電源供電。TLC04的截止頻率的穩定性只與時(shí)鐘頻率穩定性相關(guān)，截止頻率時(shí)鐘可調，其時(shí)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(mǎn)足了振動(dòng)時(shí)效和振動(dòng)焊接工藝的要求。
3.3 絕對值檢波電路
通過(guò)絕對值檢波電路（如圖6所示）可以對交流信號進(jìn)行絕對值處理，便于加速度值的進(jìn)一步數字顯示。即當輸入信號Vin
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