關(guān)于加速智能化壓力變送器的設(shè)計(jì)與研究解析

本文在充分研究加速度壓力變送器的基礎(chǔ)上，根據(jù)具體實(shí)際應(yīng)用，確定其基本框圖，再對(duì)系統(tǒng)的主要芯片和器件進(jìn)行選型。經(jīng)過(guò)分析，非常終選用了 ADXL50 加速度壓力變送器。根據(jù)設(shè)計(jì)所需要求，確立了設(shè)計(jì)方案，并對(duì)壓力變送器外圍電路以及報(bào)警系統(tǒng)電路進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)。

1.引言

加速度壓力變送器能夠通過(guò)感知物體加速度來(lái)判斷物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的一種重要的壓力變送器[1-2] ，加速度壓力變送器應(yīng)用廣泛，醫(yī)療、汽車(chē)工業(yè)、軍事、工程測(cè)量、航空航天[3-4] （包括無(wú)陀螺穩(wěn)定控制[5] 、捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的非自式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、航向指示系統(tǒng)、目標(biāo)姿態(tài)基準(zhǔn)系統(tǒng)、重力測(cè)量系統(tǒng)等）等領(lǐng)域。加速度壓力變送器類(lèi)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(lèi)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(guān)系是非線性關(guān)系，因此，要用具有補(bǔ)償功能的測(cè)量電路對(duì)輸出電容進(jìn)行非線性補(bǔ)償。電容式壓力變送器的原理是將被測(cè)非電量的變化轉(zhuǎn)換為電容量變化的壓力變送器，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為便于測(cè)量和傳輸?shù)碾妷夯螂娏髁康钠骷?。電容壓力變送器與其他類(lèi)型的壓力變送器相比，具有測(cè)量范圍大、高阻抗、動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間短、小功率、精度高、實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量，適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。在不同行業(yè)，不用的測(cè)量方面得到了非常廣泛的應(yīng)用，加速度壓力變送器發(fā)展前途可以說(shuō)是非常好的。

2.設(shè)計(jì)方案

加速智能化壓力變送器包括報(bào)警系統(tǒng)（通過(guò)加速度顯示）、壓力變送器及外圍電路（外圍電路和 ADXL50 數(shù)據(jù)處理），信號(hào)調(diào)理電路（放大電路和濾波電路和絕對(duì)值檢波電路）組成。小型容器是專(zhuān)門(mén)針對(duì)壓力變送器的外圍電路存放設(shè)計(jì)，這樣便于隱藏其內(nèi)部產(chǎn)生屏蔽作用，壓力變送器牢牢粘在 PCB 板上，加速度信號(hào)通過(guò) ADXL50 加速度壓力變送器處理，測(cè)量信號(hào)通過(guò)外圍電路輸出；信號(hào)調(diào)理電路感應(yīng)到壓力變送器傳送來(lái)信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行擴(kuò)大、對(duì)有干擾的波進(jìn)行過(guò)濾；顯示器主要是顯示信號(hào)，非常終顯示于 LED 顯示屏上，該信號(hào)首先經(jīng)過(guò)處理。主要原理是將傳送來(lái)的信息通過(guò)不同的電壓值換算成加速度數(shù)字，從而實(shí)現(xiàn)加速度和頻率的實(shí)時(shí)檢測(cè)；與此同時(shí)，微處理器會(huì)將客戶設(shè)定的加速度電壓值與傳送回來(lái)的加速度電壓值對(duì)比，一旦大于設(shè)定的安全范圍，就會(huì)報(bào)警，提示用戶。

3.壓力變送器及外圍電路的設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的檢測(cè)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(guó) ADI 公司生產(chǎn)。該裝置在單片集成電路被高度集成，敏感元件是關(guān)鍵的元件，采用差動(dòng)電容。閉環(huán)隨動(dòng)式加速度計(jì)的構(gòu)成原理是采用閉環(huán)反饋力平衡技術(shù)配合調(diào)理電路，但是調(diào)理電路的信號(hào)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(cè)量的及時(shí)性而且確保了準(zhǔn)確性。電荷信號(hào)是由傳統(tǒng)的壓力變送器發(fā)出的信號(hào)，而 ADXL50加速度壓力變送器直接輸出電壓信號(hào)，這種輸出方式使得信號(hào)采集更加快速，處理更加便捷，因此，比起其他過(guò)去的檢測(cè)設(shè)備，其表現(xiàn)為準(zhǔn)確度更好，實(shí)時(shí)性更高。ADXL50 采用單電源 +5V 供電，非常大測(cè)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(guò)外接元件，結(jié)合其內(nèi)置的緩沖放大器，可調(diào)節(jié)放大倍數(shù)和 0g 的電平，也可構(gòu)成濾波電路。外圍電路電阻是可變的，通過(guò)控制其大小，電壓輸出端被設(shè)定后設(shè)定可以影響控制壓力變送器，從而達(dá)到 ADXL50壓力變送器在沒(méi)有任何加速度的情況下輸出電壓是 2.5V。緩沖放大器通過(guò)公式計(jì)算其放大倍數(shù)為，即壓力變送器通過(guò)計(jì)算輸出為 0.1V/g。同時(shí)低通濾波器由 RC2 和 CC3 兩個(gè)部分構(gòu)成。

4.加速度壓力變送器報(bào)警系統(tǒng)電路

報(bào)警監(jiān)控電路由 LED 發(fā)光二極管、多諧振蕩器、監(jiān)控電路等組成。其中 555 和 R1、W1、C1 構(gòu)成了多諧振蕩器，且 555 的接地“1”腳連接到檢測(cè)三極管的集成電極。當(dāng)給設(shè)定的電壓一個(gè)定值，一旦超過(guò)這個(gè)定值，電流將擊穿穩(wěn)壓管DW，檢測(cè)管BG1就會(huì)開(kāi)始工作，電源電路通電以后，多諧振蕩器就會(huì)開(kāi)始啟動(dòng)，將會(huì)發(fā)出的振蕩信號(hào)為指令，控制發(fā)光二極管 LED 點(diǎn)亮并且閃爍。

ADXL測(cè)量的加速度數(shù)據(jù)以電壓的形式輸入電壓監(jiān)視端。在實(shí)際情況中加速度的限制隨周?chē)唧w環(huán)境的不同而變化著，單一的加速度限制值不符合實(shí)際的需要，為了適應(yīng)在多種環(huán)境下不同加速度閾值，因此，可以多設(shè)幾個(gè)穩(wěn)壓管DW1、DW2、DW3、DW4，電路可由壓力變送器 K1、K2、K3、K4，這樣就會(huì)有多種加速度閾值的設(shè)定選擇。限流電阻 R3 的阻值和穩(wěn)壓管 DW 的擊穿電壓值通過(guò)檢測(cè)電壓的高低來(lái)選擇。通過(guò)添加晶體管 BG1 產(chǎn)生的作用是可以進(jìn)一步降低 555屬于多諧振蕩器的靜態(tài)能耗。多諧振蕩器通過(guò)振蕩產(chǎn)生的頻率為 f=1.44/(R1 2Rw1)C1，LED 的閃爍次數(shù)可以通過(guò)調(diào)節(jié)電位器 W1 來(lái)控制，圖示數(shù)據(jù)顯示的頻率應(yīng)該是 1 ～ 20Hz。當(dāng) ADXL50 加速度壓力變送器測(cè)量到的加速度值超過(guò)預(yù)先設(shè)定好的加速度值時(shí)，圖中的LED發(fā)光二極管將會(huì)閃爍，同時(shí)，將電壓信號(hào)輸入到發(fā)聲報(bào)警裝置上，起到報(bào)警的作用。

5.結(jié)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(shí)，該裝置能夠很好的適應(yīng)環(huán)境。

（2）和傳統(tǒng)的壓力變送器相比，ADXL50 加速度壓力變送器信號(hào)的采集與處理可以通過(guò)直接輸出電壓信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此比起其他傳統(tǒng)的 檢測(cè)設(shè)備，其檢測(cè)的準(zhǔn)確度更好，實(shí)時(shí)性更高。