壓力傳感器中選通信號電路設(shè)計范文

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摘要：針對電氣連接器使用中存在的縮針問題，根據(jù)保持力檢測原理，設(shè)計基于薄膜壓力傳感器的多路選通信號調(diào)理電路，包括傳感器信號驅(qū)動電路、信號濾波電路和多路選通電路。將薄膜壓力傳感器集成到運算放大器的反向端，運用CD4051模擬電子開關(guān)和反相器串聯(lián)的方法實現(xiàn)信號的多路選通，并采用一階低通濾波器對傳感器采集到的信號進(jìn)行降噪處理。將一階濾波器設(shè)計成一個模塊，使用示波器對采集的信號斷開和接入濾波模塊進(jìn)行特征觀察，前后對比可知，采集信號經(jīng)過濾波器能較好地去除噪聲。故設(shè)計的硬件電路能達(dá)到測量要求，能對信號進(jìn)行有效不失真的采集。

關(guān)鍵詞：電氣連接器；薄膜傳感器；放大電路；信號選通；濾波

引言

電氣連接器作為一種實現(xiàn)電路接通和斷開功能的機電元件，可以快速方便地完成器件與器件、系統(tǒng)與系統(tǒng)之間的電氣連接和信號傳遞，在航空、電力、軌道交通等行業(yè)中應(yīng)用十分廣泛，它們是連接動車組各車輛間主電路和輔助電路的重要部件[1]。經(jīng)過調(diào)研，電氣連接器失效模式可歸納總結(jié)為：接觸失效、機械失效、環(huán)境失效、其他失效，其中接觸失效是連接器失效的主要模式，連接器出現(xiàn)縮針而引起的電連接器失效占有相當(dāng)大的比例[2]。國內(nèi)的一些學(xué)者對電氣連接器的可靠性進(jìn)行了大量研究，其中，南車青島四方機車文強、董力群[3]等通過動車組在生產(chǎn)制造和運用檢修中出現(xiàn)的實際故障案例，闡述分析電連接器的常見失效模式和失效機理，并提出預(yù)防和檢測方法。張菊華、孔憲寶等[4]針對低頻連接器的產(chǎn)品使用反饋與摸底試驗結(jié)果進(jìn)行分析，總結(jié)出電氣連接器的4種失效模式，并提出改進(jìn)方法。針對航空電連接器的失效原因，浙江大學(xué)錢萍[5]博士推導(dǎo)出其工作條件綜合作用下的可靠性統(tǒng)計模型，針對電連接器在振動、沖擊、碰撞等動態(tài)使用環(huán)境下接觸電阻的研究，西南交通大學(xué)陸建明等[6]給出一種基于瞬斷檢測的電連接器故障檢測系統(tǒng)，針對電連接器正常工作中接觸電阻，河北工業(yè)大學(xué)李奎、劉幗巾等[7]提出脈沖電流法測量接觸電阻進(jìn)而判斷電連接器連接可靠性。國外一些學(xué)者對電連接器接觸可靠性進(jìn)行大量研究，美國學(xué)者HausSeehas[8]通過對電連接器接觸電阻的增加，建立接觸壽命的可靠性統(tǒng)計模型，SawChyn和Sproles[9]對不同參數(shù)的電連接器進(jìn)行詳細(xì)分析，發(fā)現(xiàn)有較大接觸壓力的接觸體更能抵抗外界環(huán)境的干擾。筆者針對一種特定的電氣連接器型號，該型號電氣連接器由6個小模塊構(gòu)成，每一個模塊包含12個插針。為檢測單個模塊各個插針的裝配情況，設(shè)計一種基于薄膜壓力傳感器的多路選通信號調(diào)理電路，通過彈性敏感元件將電氣連接器插針的裝配壓力轉(zhuǎn)變?yōu)楸∧毫鞲衅鞯膽?yīng)變，然后接入筆者設(shè)計的多路選通信號調(diào)理電路，實現(xiàn)了力-電信號的轉(zhuǎn)變，測試系統(tǒng)可以通過采集電壓信號實現(xiàn)對電氣連接器插針縮針工況的檢測。

1基于薄膜壓力傳感器的主體電路結(jié)構(gòu)設(shè)計

在薄膜壓力傳感器設(shè)計完成之后，需要設(shè)計出多路選通信號調(diào)理電路，實現(xiàn)對電氣連接器中12個插針測試點的信號采集，把插針的壓力信號轉(zhuǎn)化為電壓信號，其硬件電路總體設(shè)計框架結(jié)構(gòu)如圖1所示。基于薄膜壓力傳感器的多路選通信號調(diào)理電路包括3個模塊，傳感器信號驅(qū)動電路、信號濾波電路和多路信號選通電路，其硬件連接方式如圖2所示。

1.1傳感器信號驅(qū)動電路的設(shè)計與分析

設(shè)計選擇了微芯科技公司的MCP601系列低功耗運算放大器。該系列放大器運行速度快、開環(huán)增益高、靜態(tài)電流低并具備極寬的帶寬，非常適合于作為A/D轉(zhuǎn)換器的驅(qū)動放大器。電路連接如圖2所示，參考電壓與運算放大器的同相端進(jìn)行連接而傳感器作為電阻連入電路并與運放器的反向端連接。圖中運放器輸出的電壓為Vout，Rs為傳感器電阻，Rf為反饋電阻，Vi為參考輸入電壓。對電路進(jìn)行分析可得，其輸入輸出關(guān)系如下：根據(jù)式（1）可以得出運放器輸出的電壓值與加在運放器同相端上的輸入電壓成線性放大關(guān)系。輸入電壓的微小波動都會造成比例放大，因此參考電壓必須是穩(wěn)定可靠電壓輸入。此外，當(dāng)傳感器阻值趨于無窮大時電路相當(dāng)于電路跟隨器其放大系數(shù)為1，因此選用參考電壓不能太大。綜合考慮，參考電壓選擇為0.1V。由于測試系統(tǒng)所選擇單片機的AD采集模塊的基準(zhǔn)電壓為2.5V，所以電路輸出電壓范圍最好控制在0.1~2.5V。電路輸出的電壓范圍要低于采集基準(zhǔn)電壓，由式（1）可以看出輸出電壓的大小是由反饋電阻和傳感器電阻共同來決定的。在對傳感器測試中發(fā)現(xiàn)薄膜壓力傳感器的阻值Rs范圍在10kΩ~10MΩ之間變化，為使檢測范圍增大，設(shè)計應(yīng)選擇比傳感器最小值略低的電阻值，故取電阻值為8kΩ，輸出電壓為2.5V，代入式（1）中，可得電路中Rf的值為200kΩ。

1.2信號濾波電路的設(shè)計與分析

基于薄膜壓力傳感器的多路選通信號調(diào)理電路設(shè)計完成之后，試驗通過示波器在硬件上對驅(qū)動電路中的傳感器信號進(jìn)行特征觀察，如圖3所示。由圖3可知信號中存在著較多的噪聲，故需對信號調(diào)理電路進(jìn)行濾波電路設(shè)計以最大限度降低噪聲。同時，在各個通道切換過程中，會出現(xiàn)電壓尖峰，這是各個通道的直流電平不同導(dǎo)致的，測試系統(tǒng)程序設(shè)計過程中，可在通道切換后延時一段時間，然后再進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，這樣就可以避免電壓尖峰影響采集信號的準(zhǔn)確性。采用在AD采集端前加入一階低通濾波器以進(jìn)行硬件去噪處理，硬件電路如圖2所示。對信號調(diào)理電路進(jìn)行復(fù)頻域分析，計算其傳遞函數(shù)，通過傳遞函數(shù)獲得系統(tǒng)的頻率特性進(jìn)而對系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)識別。運放電路未加濾波器時其傳遞函數(shù)為：在加入一階低通濾波器后，系統(tǒng)傳遞函數(shù)為：由公式結(jié)構(gòu)上可知該系統(tǒng)傳遞函數(shù)結(jié)構(gòu)是由一個比例環(huán)節(jié)和慣性環(huán)節(jié)組成，慣性環(huán)節(jié)的特點為輸出響應(yīng)需要一  定的時間才能達(dá)到穩(wěn)態(tài)值，故對突變的輸入來說輸出不能立即復(fù)現(xiàn)。式中Rf為反饋電阻，大小為200kΩ，電容C=0.1μF。當(dāng)電阻輸出為2.5V時，此時傳感器電阻為8kΩ，將數(shù)值代入式（3）后得到：當(dāng)傳感器無負(fù)載時其阻值可視為無窮大，傳感器阻值隨著壓力增大而減小。檢測系統(tǒng)中對傳感器進(jìn)行了預(yù)壓力加載，當(dāng)傳感器阻值降到2MΩ時認(rèn)為電阻上已受力。故將2MΩ作為傳感器電阻最大值代入式（3）后可得：驅(qū)動電路在加入低通濾波器后，由圖4可知其截止頻率為1.58kHz，圖5的截止頻率為1.6kHz。故在電路中可認(rèn)為1.6kHz以上的信號被過濾掉了。信號的最大頻率為1.6kHz，為使采集的信號不失真需滿足采樣定律，即采樣頻率應(yīng)大于信號頻率2倍，而選用的單片機最高采樣頻率可達(dá)到200kHz，故完全可以滿足采樣要求。采集信號接入濾波模塊時，使用示波器對采集電壓進(jìn)行觀察，如圖6所示。前后對比可以發(fā)現(xiàn)，采集信號經(jīng)濾波器后能較良好地去除噪聲，高頻噪聲被有效地去除且采集的數(shù)字電壓信號幾乎沒有什么波動，故設(shè)計的硬件系統(tǒng)能達(dá)到測量要求，能對信號進(jìn)行有效不失真的采集。

2結(jié)束語

基于薄膜壓力傳感器，設(shè)計傳感器信號驅(qū)動電路、多路選通信號電路以及濾波電路，并求出濾波電路的截止頻率，可以實現(xiàn)信號有效不失真的采集。在對電氣連接器是否縮針工況進(jìn)行信號采集時，首先將壓阻傳感器集成到同相放大電路中，對壓阻信號進(jìn)行一定程度的放大，以便于和單片機AD采集模塊匹配，通過電子模擬開關(guān)實現(xiàn)多個通道共用一個放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，該信號采集電路結(jié)構(gòu)簡單，檢測效率較高，具有較強的理論和實踐意義。后續(xù)可以考慮將傳感器信號驅(qū)動電路設(shè)計成程控放大的形式，實現(xiàn)在軟件中對放大系數(shù)的控制，同時可將濾波電路進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，提高信號采集系統(tǒng)的精度。

參考文獻(xiàn)：

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［5］錢萍.航天電連接器綜合應(yīng)力加速壽命試驗與統(tǒng)計分析的研究［D］.杭州：浙江大學(xué)，2009.

［6］陸建明.電氣接插件故障檢測技術(shù)研究［D］.成都：西南交通大學(xué)，2008.

［7］李奎，李志剛，陸儉國.接觸電阻新型測量方法的研究［J］.電氣開關(guān)，1997（06）：28-30.

作者：馮新穎 趙世紅 單位：南京中車浦鎮(zhèn)城軌車輛有限責(zé)任公司