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，再對系統(tǒng)的主要芯片和器件進(jìn)行選型。經(jīng)過分析，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感知物體加速度來判斷物體運(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、汽車工業(yè)、軍事、工程測量、航空航天[3-4] （包括無陀螺穩(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)、重力測量系統(tǒng)等）等領(lǐng)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(guān)系是非線性關(guān)系，因此，要用具有補(bǔ)償功能的測量電路對輸出電容進(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型的壓力變送器相比，具有測量范圍大、高阻抗、動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間短、小功率、精度高、實(shí)現(xiàn)非接觸測量，適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。在不同行業(yè)，不用的測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），信號調(diào)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(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(diào)理電路感應(yīng)到壓力變送器傳送來信號，對其進(jìn)行擴(kuò)大、對有干擾的波進(jìn)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(jīng)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(shù)字，從而實(shí)現(xiàn)加速度和頻率的實(shí)時(shí)檢測；與此同時(shí)，微處理器會將客戶設(shè)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(shè)定的安全范圍，就會報(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(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(shí)性而且確保了準(zhǔn)確性。電荷信號是由傳統(tǒng)的壓力變送器發(fā)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(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(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(jì)算其放大倍數(shù)為，即壓力變送器通過計(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，一旦超過這個(gè)定值，電流將擊穿穩(wěn)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(dòng)，將會發(fā)出的振蕩信號為指令，控制發(fā)光二極管 LED 點(diǎn)亮并且閃爍。

ADXL測量的加速度數(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圍具體環(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 的擊穿電壓值通過檢測電壓的高低來選擇。通過添加晶體管 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)可以通過調(diào)節(jié)電位器 W1 來控制，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量到的加速度值超過預(yù)先設(shè)定好的加速度值時(shí)，圖中的LED發(fā)光二極管將會閃爍，同時(shí)，將電壓信號輸入到發(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的采集與處理可以通過直接輸出電壓信號來實(shí)現(xiàn)，因此比起其他傳統(tǒng)的 檢測設(shè)備，其檢測的準(zhǔn)確度更好，實(shí)時(shí)性更高。