壓力傳感器中選通信號電路設計范文

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摘要：針對電氣連接器使用中存在的縮針問題，根據保持力檢測原理，設計基于薄膜壓力傳感器的多路選通信號調理電路，包括傳感器信號驅動電路、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模擬電子開關和反相器串聯的方法實現信號的多路選通，并采用一階低通濾波器對傳感器采集到的信號進行降噪處理。將一階濾波器設計成一個模塊，使用示波器對采集的信號斷開和接入濾波模塊進行特征觀察，前后對比可知，采集信號經過濾波器能較好地去除噪聲。故設計的硬件電路能達到測量要求，能對信號進行有效不失真的采集。

關鍵詞：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、系統與系統之間的電氣連接和信號傳遞，在航空、電力、軌道交通等行業中應用十分廣泛，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]。經過調研，電氣連接器失效模式可歸納總結為：接觸失效、機械失效、環境失效、其他失效，其中接觸失效是連接器失效的主要模式，連接器出現縮針而引起的電連接器失效占有相當大的比例[2]。國內的一些學者對電氣連接器的可靠性進行了大量研究，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制造和運用檢修中出現的實際故障案例，闡述分析電連接器的常見失效模式和失效機理，并提出預防和檢測方法。張菊華、孔憲寶等[4]針對低頻連接器的產品使用反饋與摸底試驗結果進行分析，總結出電氣連接器的4種失效模式，并提出改進方法。針對航空電連接器的失效原因，浙江大學錢萍[5]博士推導出其工作條件綜合作用下的可靠性統計模型，針對電連接器在振動、沖擊、碰撞等動態使用環境下接觸電阻的研究，西南交通大學陸建明等[6]給出一種基于瞬斷檢測的電連接器故障檢測系統，針對電連接器正常工作中接觸電阻，河北工業大學李奎、劉幗巾等[7]提出脈沖電流法測量接觸電阻進而判斷電連接器連接可靠性。國外一些學者對電連接器接觸可靠性進行大量研究，美國學者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計模型，SawChyn和Sproles[9]對不同參數的電連接器進行詳細分析，發現有較大接觸壓力的接觸體更能抵抗外界環境的干擾。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，設計一種基于薄膜壓力傳感器的多路選通信號調理電路，通過彈性敏感元件將電氣連接器插針的裝配壓力轉變為薄膜壓力傳感器的應變，然后接入筆者設計的多路選通信號調理電路，實現了力-電信號的轉變，測試系統可以通過采集電壓信號實現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構設計

在薄膜壓力傳感器設計完成之后，需要設計出多路選通信號調理電路，實現對電氣連接器中12個插針測試點的信號采集，把插針的壓力信號轉化為電壓信號，其硬件電路總體設計框架結構如圖1所示。基于薄膜壓力傳感器的多路選通信號調理電路包括3個模塊，傳感器信號驅動電路、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傳感器信號驅動電路的設計與分析

設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、開環增益高、靜態電流低并具備極寬的帶寬，非常適合于作為A/D轉換器的驅動放大器。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。對電路進行分析可得，其輸入輸出關系如下：根據式（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定可靠電壓輸入。此外，當傳感器阻值趨于無窮大時電路相當于電路跟隨器其放大系數為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。由于測試系統所選擇單片機的AD采集模塊的基準電壓為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現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，設計應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信號濾波電路的設計與分析

基于薄膜壓力傳感器的多路選通信號調理電路設計完成之后，試驗通過示波器在硬件上對驅動電路中的傳感器信號進行特征觀察，如圖3所示。由圖3可知信號中存在著較多的噪聲，故需對信號調理電路進行濾波電路設計以最大限度降低噪聲。同時，在各個通道切換過程中，會出現電壓尖峰，這是各個通道的直流電平不同導致的，測試系統程序設計過程中，可在通道切換后延時一段時間，然后再進行數據采集，這樣就可以避免電壓尖峰影響采集信號的準確性。采用在AD采集端前加入一階低通濾波器以進行硬件去噪處理，硬件電路如圖2所示。對信號調理電路進行復頻域分析，計算其傳遞函數，通過傳遞函數獲得系統的頻率特性進而對系統進行參數識別。運放電路未加濾波器時其傳遞函數為：在加入一階低通濾波器后，系統傳遞函數為：由公式結構上可知該系統傳遞函數結構是由一個比例環節和慣性環節組成，慣性環節的特點為輸出響應需要一  定的時間才能達到穩態值，故對突變的輸入來說輸出不能立即復現。式中Rf為反饋電阻，大小為200kΩ，電容C=0.1μF。當電阻輸出為2.5V時，此時傳感器電阻為8kΩ，將數值代入式（3）后得到：當傳感器無負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。檢測系統中對傳感器進行了預壓力加載，當傳感器阻值降到2MΩ時認為電阻上已受力。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，即采樣頻率應大于信號頻率2倍，而選用的單片機最高采樣頻率可達到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行觀察，如圖6所示。前后對比可以發現，采集信號經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字電壓信號幾乎沒有什么波動，故設計的硬件系統能達到測量要求，能對信號進行有效不失真的采集。

2結束語

基于薄膜壓力傳感器，設計傳感器信號驅動電路、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，可以實現信號有效不失真的采集。在對電氣連接器是否縮針工況進行信號采集時，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，通過電子模擬開關實現多個通道共用一個放大和模數轉換模塊，該信號采集電路結構簡單，檢測效率較高，具有較強的理論和實踐意義。后續可以考慮將傳感器信號驅動電路設計成程控放大的形式，實現在軟件中對放大系數的控制，同時可將濾波電路進行優化設計，提高信號采集系統的精度。

參考文獻：

［1］楊奮為.航天電連接器質量檢驗專題講座第1講航天電連接器的選用［J］.質量與可靠性，2006（4）：51-57.

［2］，于德偉.CRH2型動車組車鉤電氣連接器檢修故障處理［J］.中國新技術新產品，2015（1）：20-20，21.

［3］文強，董力群.動車組電氣連接器常見失效模式分析［J］.電子質量，2014（02）：27-29.

［4］張菊華，孔憲寶.低頻電連接器失效模式的分析［J］.機電元件，1989（1）：36-43.

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

［6］陸建明.電氣接插件故障檢測技術研究［D］.成都：西南交通大學，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，1997（06）：28-30.

作者：馮新穎 趙世紅 單位：南京中車浦鎮城軌車輛有限責任公司