應(yīng)用ADXL50設(shè)計的加速度-頻率測量儀器

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(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(jìn)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(yīng)用中，一般用振動加速度來代替振動幅度，二者都表達(dá)了振動過程中的能量概念。在進(jìn)行振動焊接時，需要準(zhǔn)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(jìn)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(shè)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(shè)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(jìn)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(shè)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(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。
     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。
     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
   信號調(diào)理電路中的放大器電路，是一個由運算放大器構(gòu)成的負(fù)反饋放大電路，調(diào)節(jié)可變電阻RW2的阻值可進(jìn)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(jìn)一步進(jìn)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。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)，其時鐘一截止頻率比為50：1，因而設(shè)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。[!--empirenews.page--]
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(jìn)行絕對值處理，便于加速度值的進(jìn)一步數(shù)字顯示。即當(dāng)輸入信號Vin>0時，輸出信號Vout=Vin；而當(dāng)Vin<0時，Vout=-Vin。

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(shè)置數(shù)字電壓表的小數(shù)點位置，使之入大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(yīng)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，分別采用TPS7350和TPS6735作為+5V和-5V穩(wěn)壓電源。

    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(jìn)行的高爐厚板電渣焊振動焊接工藝試驗等。該儀器以春便攜式的設(shè)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)人員一致好評。

    在此基礎(chǔ)上，作者將進(jìn)一步深入研究，開發(fā)基于工控機(jī)、單片機(jī)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。