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。 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。

圖3為傳感器及其外圍電路設(shè)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(gòu)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(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。

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。

 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。

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。