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關于加速智能化壓力變送器的設計與研究解析

來源:上海上自儀公司作者:上海上自儀公司網址:http://www.keithhancox.com

本文在充分研究加速度壓力變送器的基礎上,根據具體實際應用,確定其基本框圖,再對系統的主要芯片和器件進行選型。經過分析,非常終選用了 ADXL50 加速度壓力變送器。根據設計所需要求,確立了設計方案,并對壓力變送器外圍電路以及報警系統電路進行相應的設計。

1.引言

加速度壓力變送器能夠通過感知物體加速度來判斷物體運動狀態的一種重要的壓力變送器[1-2] ,加速度壓力變送器應用廣泛,醫療、汽車工業、軍事、工程測量、航空航天[3-4] (包括無陀螺穩定控制[5] 、捷聯慣性導航系統的非自式慣性導航系統、航向指示系統、目標姿態基準系統、重力測量系統等)等領域。加速度壓力變送器類型主要分為壓電式、電容式、壓阻式、液浮擺式、撓性擺式、振弦式、伺服式等類型[7] 。

其中,電容式壓力變送器電容與上下電極之間的距離的關系是非線性關系,因此,要用具有補償功能的測量電路對輸出電容進行非線性補償。電容式壓力變送器的原理是將被測非電量的變化轉換為電容量變化的壓力變送器,進而轉化為便于測量和傳輸的電壓或電流量的器件。電容壓力變送器與其他類型的壓力變送器相比,具有測量范圍大、高阻抗、動態響應時間短、小功率、精度高、實現非接觸測量,適應性強等優點。在不同行業,不用的測量方面得到了非常廣泛的應用,加速度壓力變送器發展前途可以說是非常好的。

2.設計方案

加速智能化壓力變送器包括報警系統(通過加速度顯示)、壓力變送器及外圍電路(外圍電路和 ADXL50 數據處理),信號調理電路(放大電路和濾波電路和絕對值檢波電路)組成。小型容器是專門針對壓力變送器的外圍電路存放設計,這樣便于隱藏其內部產生屏蔽作用,壓力變送器牢牢粘在 PCB 板上,加速度信號通過 ADXL50 加速度壓力變送器處理,測量信號通過外圍電路輸出;信號調理電路感應到壓力變送器傳送來信號,對其進行擴大、對有干擾的波進行過濾;顯示器主要是顯示信號,非常終顯示于 LED 顯示屏上,該信號首先經過處理。主要原理是將傳送來的信息通過不同的電壓值換算成加速度數字,從而實現加速度和頻率的實時檢測;與此同時,微處理器會將客戶設定的加速度電壓值與傳送回來的加速度電壓值對比,一旦大于設定的安全范圍,就會報警,提示用戶。


3.壓力變送器及外圍電路的設計

本設計的檢測裝置采用的是ADXL50型加速度壓力變送器,該壓力變送器是由美國 ADI 公司生產。該裝置在單片集成電路被高度集成,敏感元件是關鍵的元件,采用差動電容。閉環隨動式加速度計的構成原理是采用閉環反饋力平衡技術配合調理電路,但是調理電路的信號一定是完整的。其感知的加速度隨著釋放電壓的增加而增加,增加的程度是兩者成正比,從而不但確保了測量的及時性而且確保了準確性。電荷信號是由傳統的壓力變送器發出的信號,而 ADXL50加速度壓力變送器直接輸出電壓信號,這種輸出方式使得信號采集更加快速,處理更加便捷,因此,比起其他過去的檢測設備,其表現為準確度更好,實時性更高。ADXL50 采用單電源 +5V 供電,非常大測量范圍為 ±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,結合其內置的緩沖放大器,可調節放大倍數和 0g 的電平,也可構成濾波電路。外圍電路電阻是可變的,通過控制其大小,電壓輸出端被設定后設定可以影響控制壓力變送器,從而達到 ADXL50壓力變送器在沒有任何加速度的情況下輸出電壓是 2.5V。緩沖放大器通過公式計算其放大倍數為,即壓力變送器通過計算輸出為 0.1V/g。同時低通濾波器由 RC2 和 CC3 兩個部分構成。

4.加速度壓力變送器報警系統電路

報警監控電路由 LED 發光二極管、多諧振蕩器、監控電路等組成。其中 555 和 R1、W1、C1 構成了多諧振蕩器,且 555 的接地“1”腳連接到檢測三極管的集成電極。當給設定的電壓一個定值,一旦超過這個定值,電流將擊穿穩壓管DW,檢測管BG1就會開始工作,電源電路通電以后,多諧振蕩器就會開始啟動,將會發出的振蕩信號為指令,控制發光二極管 LED 點亮并且閃爍。

ADXL測量的加速度數據以電壓的形式輸入電壓監視端。在實際情況中加速度的限制隨周圍具體環境的不同而變化著,單一的加速度限制值不符合實際的需要,為了適應在多種環境下不同加速度閾值,因此,可以多設幾個穩壓管DW1、DW2、DW3、DW4,電路可由壓力變送器 K1、K2、K3、K4,這樣就會有多種加速度閾值的設定選擇。限流電阻 R3 的阻值和穩壓管 DW 的擊穿電壓值通過檢測電壓的高低來選擇。通過添加晶體管 BG1 產生的作用是可以進一步降低 555屬于多諧振蕩器的靜態能耗。多諧振蕩器通過振蕩產生的頻率為 f=1.44/(R1 2Rw1)C1,LED 的閃爍次數可以通過調節電位器 W1 來控制,圖示數據顯示的頻率應該是 1 ~ 20Hz。當 ADXL50 加速度壓力變送器測量到的加速度值超過預先設定好的加速度值時,圖中的LED發光二極管將會閃爍,同時,將電壓信號輸入到發聲報警裝置上,起到報警的作用。

5.結論

(1)基于 ADXL50 加速度壓力變送器制成的智能化加速壓力變送器裝置成本低、功耗低、使用方便、顯示直觀。同時,該裝置能夠很好的適應環境。

(2)和傳統的壓力變送器相比,ADXL50 加速度壓力變送器信號的采集與處理可以通過直接輸出電壓信號來實現,因此比起其他傳統的 檢測設備,其檢測的準確度更好,實時性更高。