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基于ADXL50的振动加速度频率检测装置设计
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摘要：本文主要介绍了一种应用加速度传感器ADXL50设计的新型便携式、低功耗的振动加速度-频率检测装置。该检测装置可用于实时检测导弹发射车在行军或起竖过程中的振动参数（振动加速度和频率）。该装置解决了传统振动检测装置的加速度测量仪器只能固定在一点上进行测量，很难保证稳幅和稳频效果的问题。
关键词：导弹发射车；加速度；频率；ADXL50
中图分类号：TP23 文献标识码A
一、引言
关键词：导弹发射车；加速度；频率；ADXL50
中图分类号：TP23 文献标识码A
一、引言
导弹发射车在载弹行军或起竖过程中，车上导弹都要受到振动冲击的影响。振动幅度和振动频率是表征振动过程的两个主要参数。工程应用中，一般用振动加速度来代替振动幅度，二者都表达了振动过程中的能量概念。导弹发射车在载弹行军或起竖过程中，需要准确而实时地检测振动加速度这个参数，以便于控制行军速度、驾驶状态或起竖过程，保证导弹在行军运输和起竖过程中的安全。一般的振动检测装置上都自带有加速度测量仪，但是传统的振动检测装置的加速度测量仪器只能固定在一点上进行测量，很难保证稳幅和稳频的效果。为了进一步研究导弹发射车在载弹行军或起竖过程中的振动模式，利用加速度传感器ADXL50[1]设计开发了一种低成本、低功耗、使用及携带方便、显示直观的振动加速度-频率检测装置。
二、设计方案
振动加速度-频率检测装置组成框图如图1所示。包括传感器及外围电路、信号调理电路、数据显示电路等三部分。传感器及外围电路封装于小型屏蔽容器内，固定于弹体上，由ADXL50加速度传感器采集振动信号，通过其外围电路输出测量信号；信号调理电路接收到传感器采集来的电信号，对其进行放大、滤波等处理；经过处理后的信号被送入显示部分，将信号的频率和幅度转换成数值形式显示于LED数码管上，实现加速度和频率的实时检测。
三、传感器及外围电路的设计
传感器选用了美国ADI公司生产的ADXL50加速度计作为振动传感器。它被集成在单片集成电路上，采用差动电容[2]作为敏感元件，应用闭环反馈力平衡技术[3]和完整的信号调理电路构成闭环随动式加速度计，其输出电压与其感受的加速度成正比，从而保证了测量的实时性和准确性。传统的传感器输出的是电荷信号，还需要专门的电路将其转换为电压或电流信号，而ADXL50加速度传感器直接输出电压信号，便于信号的采集与处理，因此，其测量的实时性和准确性比传统的检测装置要好。
图2所示为ADXL50的引脚说明。ADXL50采用单电源+5V供电，最大测量范围为±50g(g为重力加速度)，输出电压范围为0.25～4.75V，灵敏度为20mV/g。通过外接元件，结合其内置的缓冲放大器，调节放大倍数和0g时的电平，也可构成滤波电路。
图3为传感器及其外围电路。调节可变电阻RC4，即调节传感器的参考电压输出端，可以使传感器ADXL50在零加速度情况下的输出为2.5V。缓冲放大器放大倍数为 
，即传感器输出为0.1V/g。RC2与CC3构成一低通滤波器[4]，截止频率为303Hz，导弹发射车在行军和起竖过程中振动频率一般不超过200Hz，因而可以满足需求。
四、信号调理电路
传感器及其外围电路的输出信号还需要经过放大、滤波、检波等调理以后才能对其进行分析和处理。信号调理电路包括放大电路、滤波电路和绝对值检波电路三个主要部分。
1、放大电路
图4所示为信号调理电路中的放大器电路，它是一个由运算放大器U1A构成的负反馈放大电路。
调节可变电阻RW2的阻值可进一步微调输出信号的放大倍数，系统的输出信号减去0g（g为重力加速度）时的电平，可使放大器输出电压值恰好为加速度值的1/10，便于进一步进行数字显示，控制小数点的位置，即可显示出实际加速度值。
调节可变电阻RW1的阻值可以微调0g电平，修正信号偏差。图中VSS为-5V供电电源，VCC为+5V供电电源，其余各图与此相同，不予多述。为提高系统集成度，整个系统中使用的四个运算放大器全部由TLC27L4提供。
2、滤波电路
滤波电路如图5所示。选用美国TI公司生产的巴特沃斯四阶开关电容低通滤波器TLC04作为滤波电路的主要组成部分，采用施密特触发器振荡器自定时的双电源供电。
TLC04的截止频率的稳定性只与时钟频率稳定性相关，时钟频率不变，则截止频率不变，因此该滤波电路具有很好的频率稳定性。又因其时钟频率可调，调节时钟电阻RF1即可调节截止频率。巴特沃斯四阶开关电容低通滤波器其幅平方特性为：
其中，l—归一化频率；，
W— 角频率；
WP —最大衰减角频率。
由其幅平方特性可知，当
W
＞
WP
时，其衰减速度比通带内明显加快，衰减指数越大，衰减速度越快，因此，巴特沃斯滤波器又称“最平”的幅频响应滤波器。在此滤波电路中，调节时钟电阻RF1，使时钟-截止频率比为50:1，则可设计截止频率为：
Hz
如前所述，导弹发射车在行军和起竖过程中振动频率一般不超过200Hz，因而该滤波电路可满足检测要求。
3、绝对值检波电路
通过放大和滤波后的加速度信号中还有交流信号，要通过绝对值检波电路对交流信号进行绝对值处理，便于加速度值的进一步数字显示。如图6所示，绝对值检波电路由两个运算放大器U1C和U1D为主，构成共模输入绝对值检波电路。当输入信号 Vin >0时，输出信号 Vout = Vin ；而当 Vin <0时， Vout = - Vin 。
五、数据显示
信号经过信号调理电路放大、滤波、检波等处理后，要通过数据显示系统以数值形式显示出来。数据显示电路包括加速度显示和频率显示两部分。
绝对值检波电路输出的电压信号在数值上等于加速度值的1/10。因此选用JL5135直流数字电压表作为表头，直接通过数码显示输出信号的电压数值，同时设置数字电压表的小数点位置，使之放大10倍后显示值为加速度数值。
把信号调理电路输出的频率信号接入一开环放大器电路，使之成为相应频率的方波信号，利用JL4ZPL-A四位数显自动频率表读出频率数值。
六、电源电路
采用4节1.5V充电干电池供电。为保证各集成电路芯片的正常工作，需提供±5V稳压电源。如图7所示，分别采用TPS7350和TPS6735作为+5V和-5V稳压电源。
七、结束语
振动加速度-频率检测装置成本低、功耗低、使用方便、显示直观，可用于实时检测发射车在行军或起竖过程中的振动参数（振动加速度和频率），而且该装置解决了传统振动检测装置只能固定在一点上进行测量，很难保证稳幅和稳频效果的问题。该装置也可以用于其它车辆和工程应用场合，如起重机、焊接机等。
参考文献：
[1]杨欣荣. 智能仪器原理、设计与发展[M]. 长沙：中南大学出版社，2003
[2]查荣华，郎璧云. 数字电子技术.[M] 上海：同济大学出版社，1991
[3]王伯雄. 测试技术基础[M]. 北京：清华大学出版社，2003
[4]胡广书. 数字信号处理.[M] 北京：清华大学出版社，2003
