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基于加速度傳感器的低功耗沖擊記錄儀的實(shí)現(xiàn) 傳感器技術(shù)指標(biāo)

時(shí)間:2020-07-29    來源:儀多多儀器網(wǎng)    作者:儀多多商城     
隨著工業(yè)自動(dòng)化水平的不斷發(fā)展,產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)測(cè)、控制手段已經(jīng)成為保證產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的不可缺少的一環(huán)。許多對(duì)裝配有較高要求的產(chǎn)品,在運(yùn)輸過程中也同樣對(duì)受到的沖擊有極限要求。受到超過極限的沖擊將給產(chǎn)品帶來傷害,為企業(yè)帶來不必要的損失。為監(jiān)測(cè)運(yùn)輸過程,目前通常的做法是隨產(chǎn)品一起安裝沖擊記錄儀。

當(dāng)前,國(guó)內(nèi)普遍使用的沖擊記錄儀都是機(jī)械式?jīng)_擊記錄儀,其內(nèi)部構(gòu)造像一臺(tái)照相機(jī),有上下兩個(gè)紙帶卷筒,將記錄紙帶放入上紙筒,紙帶的始端插入下紙筒。在紙帶上方有一個(gè)固定記錄筆的金屬橫梁,橫梁上裝有3只記錄筆,分別記錄X、Y、Z 3條軸線方向的沖擊力。這種機(jī)械式?jīng)_擊記錄儀的缺點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:

機(jī)械式?jīng)_擊記錄,記錄紙長(zhǎng)度有限可記錄的沖擊數(shù)據(jù)也就有限,沒有時(shí)間日期標(biāo)志,只有時(shí)間坐標(biāo);記錄沖擊范圍只有±5g,達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)較高的單位(如國(guó)家電力公司)±10g的要求;為達(dá)到三維檢測(cè)的要求,同時(shí)要安裝三臺(tái)才可以,且安裝及讀取都不便;機(jī)械式?jīng)_擊記錄儀使用壓感式記錄紙,一方面國(guó)內(nèi)很少能買到這種紙,另一方面記錄紙?jiān)诔睗竦募竟?jié)或地區(qū)使用時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)卡紙、受潮等現(xiàn)象,從而造成丟失記錄數(shù)據(jù)的嚴(yán)重問題;在運(yùn)輸時(shí)有時(shí)因運(yùn)輸方式的不同如海洋運(yùn)輸時(shí)振動(dòng)幅度過大、振動(dòng)次數(shù)過多、同時(shí)還需要經(jīng)歷鐵路、公路不同的運(yùn)輸方式才能到達(dá)安裝現(xiàn)場(chǎng)等因素,經(jīng)常出現(xiàn)記錄紙不夠長(zhǎng),未到目的地而記錄紙已用完,丟失了很多重要數(shù)據(jù)。

隨著微電子技術(shù)的迅速發(fā)展,特別是電子加速度傳感器技術(shù)和單片機(jī)技術(shù)的迅猛提高,電子智能型沖擊記錄儀應(yīng)運(yùn)而生,為高精密產(chǎn)品的運(yùn)輸提供可靠的保障,給智能貨車技術(shù)的發(fā)展。


圖1:沖擊記錄儀的組成框圖

沖擊記錄儀的總體設(shè)計(jì)方案

本文設(shè)計(jì)的是一種基于電子加速度傳感器的沖擊記錄儀,它的組成原理圖如圖1所示,包括MPS430單片機(jī)及開發(fā)板、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元、實(shí)時(shí)鐘單元、看門狗單元、加速度傳感器、信號(hào)放大與濾波單元、A/D轉(zhuǎn)換單元以及PC機(jī)通訊接口、電源接口、液晶顯示屏接口及單片機(jī)ISP(在系統(tǒng)編程)接口等部分。

該沖擊記錄儀在設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)過程中,主要解決以下幾個(gè)主要問題:加速度傳感器的選擇、低功耗芯片的選擇、主板電路的設(shè)計(jì)。

加速度傳感器的選擇

加速度傳感器是一種能夠測(cè)量加速力的電子設(shè)備,加速力就是當(dāng)物體在加速過程中作用在物體上的力,加速力可以是常量,也可以是變量。加速度傳感器基本的原理就是由于加速度產(chǎn)生某個(gè)介質(zhì)產(chǎn)生變形,通過測(cè)量其變形量并用相關(guān)電路轉(zhuǎn)化成電壓輸出。

隨著微電子科技的飛速發(fā)展,低成本、高性能的電子加速度傳感器得以面世。電子加速度傳感器常分為三種:壓電式、容感式、熱感式。壓電式加速度傳感器運(yùn)用的是壓電效應(yīng),在其內(nèi)部有一個(gè)剛體支撐的質(zhì)量塊,有運(yùn)動(dòng)的情況下質(zhì)量塊會(huì)產(chǎn)生壓力,剛體產(chǎn)生應(yīng)變,把加速度轉(zhuǎn)變成電信號(hào)輸出。容感式加速度傳感器內(nèi)部也存在一個(gè)質(zhì)量塊,從單個(gè)單元來看,它是標(biāo)準(zhǔn)的平板電容器,加速度的變化帶動(dòng)活動(dòng)質(zhì)量塊的移動(dòng)從而改變平板電容兩極的間距和正對(duì)面積,通過測(cè)量電容變化量來計(jì)算加速度。而熱感式加速度傳感器內(nèi)部沒有任何質(zhì)量塊,它的中央有一個(gè)加熱體,周邊是溫度傳感器,里面是密閉的氣腔,工作時(shí)在加熱體的作用下,氣體在內(nèi)部形成一個(gè)熱氣團(tuán),熱氣團(tuán)的比重和周圍的冷氣是有差異的,通過慣性熱氣團(tuán)的移動(dòng)形成的熱場(chǎng)變化讓感應(yīng)器感應(yīng)到加速度值。由于壓電式加速度傳感器內(nèi)部有剛體支撐的存在,通常情況下,壓電式加速度傳感器只能感應(yīng)到“動(dòng)”加速度,而不能感應(yīng)到“靜態(tài)”加速度,也就是我們所說的重力加速度。而容感式和熱感式既能感應(yīng)“動(dòng)”加速度,又能感應(yīng)“靜態(tài)”加速度。

由于沒有任何移動(dòng)部件,而且采用了微機(jī)械加工技術(shù),熱感式加速度傳感器的研發(fā)過程中解決了很多加工上的難題。生產(chǎn)成本低,抗沖擊能力強(qiáng),而且可靠性好,失效率低于10ppm。

熱感式加速度傳感器體積小,低功耗,工作電流應(yīng)在2mA以下,主芯片接口具備標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字接口模式??梢蕴峁﹥蓚€(gè)方向的加速度值,采用兩片即可實(shí)現(xiàn)三維加速度值測(cè)量。經(jīng)過全面比較,本項(xiàng)目確定采用熱感式加速度傳感器,作為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。

低功耗芯片的選擇

機(jī)械式?jīng)_擊記錄儀特有的優(yōu)勢(shì)在于不發(fā)生沖擊時(shí)就不工作,每振動(dòng)一次, 才工作一次。而便攜式?jīng)_擊記錄儀使用電池供電,不管是否發(fā)生沖擊,都在時(shí)刻工作,因此電子元件的功耗就成為影響電子沖擊記錄儀的工作時(shí)間的主要問題。

單片機(jī)作為電路的核心部分,對(duì)整機(jī)性能有重要的影響。經(jīng)過比較研究,美國(guó)TI公司的MSP430,一種采用了較新低功耗技術(shù)新型的單片機(jī),被認(rèn)為適合沖擊記錄儀的工作使用。MSP430工作在1.8~3.6V電壓下,有正常工作模式(AM)和4種低功耗工作模式(LPM1、LPM2、LPM3、LPM4),在電源電壓為3V時(shí),各種模式的工作電流分別為 AM:340uA、LPM1:70uA、LPM2:17uA、LPM3:2uA、LPM4:0.1uA。單片機(jī)可以方便的在各種工作模式之間切換,特別適合在電池供電、便攜式設(shè)備中的應(yīng)用。MSP430也具有非常高的集成度,單片集成了多通道12bit的A/D轉(zhuǎn)換、片內(nèi)精密比較器、多個(gè)具有PWM功能的定時(shí)器、斜邊A/D轉(zhuǎn)換、片內(nèi)USART、看門狗定時(shí)器、片內(nèi)數(shù)控振蕩器(DCO)、大量的I/O端口。MSP430有大容量的片內(nèi)存儲(chǔ)器,有ROM(C型)、OTP(P型)、EPROM(E型)、Flash Memory(F型)4種型號(hào)。

外圍器件與電路有各種存儲(chǔ)器全部采用功耗極低的VMOS芯片以實(shí)現(xiàn)整機(jī)極低功耗的目標(biāo)。

主板電路的設(shè)計(jì)

■ 用雙CPU設(shè)計(jì),可大大減少硬件電路,減少繁瑣的譯碼、邏輯變換,使得系統(tǒng)硬件數(shù)量減少,同時(shí)軟件資源分配及設(shè)計(jì)均相對(duì)獨(dú)立,易于修改程序;
■ 隨機(jī)液晶顯示屏、隨機(jī)輕觸式按鍵;
■ 采樣頻率高于每秒十萬次不間斷采樣,不會(huì)漏過任何一次振動(dòng);
■ 數(shù)據(jù)永久性儲(chǔ)存功能;即使掉電或斷電,記錄儀儲(chǔ)存的數(shù)據(jù)也不會(huì)丟失;
■ 記錄儀的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及顯示的數(shù)據(jù)按大到小順序排列功能,數(shù)據(jù)讀取非常
方便;
■ 可連接GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)、沖擊數(shù)據(jù)和沖擊地點(diǎn)位置、時(shí)間可同時(shí)顯示。

整機(jī)的低功耗控制技術(shù)

有了主要的低功耗芯片,整機(jī)的低功耗控制技術(shù)的采用在設(shè)計(jì)中也是非常重要的環(huán)節(jié)。功耗的控制在這里要通過軟件來實(shí)現(xiàn)。

盡量采用待機(jī)運(yùn)行方式

單片機(jī)MSP430 有4種低功耗工作模式,節(jié)電效果顯著。單片機(jī)在不需要工作時(shí)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)或掉電狀態(tài),需要工作時(shí)再喚醒。在儀器檢測(cè)到較長(zhǎng)時(shí)間的靜止情況后,系統(tǒng)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。開始運(yùn)動(dòng)后,傳感器有輸出,傳感器輸出信號(hào)前端電路變換來喚醒單片機(jī)工作。通過這種管理方式,大大地節(jié)約了在不需要工作時(shí)的功耗。有效地延長(zhǎng)了整機(jī)一次充電的持續(xù)工作時(shí)間。

有效控制外圍器件與電路的功耗

對(duì)外圍器件與電路的功耗采取管理措施,使其在不工作時(shí)進(jìn)入維持狀態(tài)或停止供電,以降低功耗。在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中,存儲(chǔ)器的功耗是比較大的,待機(jī)時(shí)將存儲(chǔ)器狀態(tài)設(shè)置為維持狀態(tài)使功耗顯著下降。

選用運(yùn)算速度快的算法

針對(duì)本項(xiàng)目要處理的數(shù)據(jù)等具體問題,合理選用運(yùn)算速度快、精度高的新算法,能減少CPU運(yùn)行時(shí)間。

盡量用定時(shí)中斷替代軟件延時(shí)

在間斷測(cè)量的情況下,應(yīng)采用外部中斷或內(nèi)部定時(shí)/計(jì)數(shù)中斷,不要采用軟件延時(shí),以減少CPU運(yùn)行時(shí)間。單片機(jī)的外部中斷源不夠用時(shí),可方便地?cái)U(kuò)充。

盡量用靜態(tài)顯示替代動(dòng)態(tài)顯示

選用具有數(shù)據(jù)鎖存、譯碼、驅(qū)動(dòng)和顯示功能的LCD顯示組件,只要組件不掉電,數(shù)據(jù)一直保留,內(nèi)容一直顯示,直到單片機(jī)對(duì)其刷新。

縮短通信時(shí)間

用RS-232通信接口通信時(shí),若通信的數(shù)據(jù)量較大,應(yīng)提高傳輸?shù)牟ㄌ芈?,縮短通信時(shí)間??刹捎酶咝实木幋a方式,如BCD碼的編碼與ASCII碼相比,效率提高一倍。發(fā)送和接收時(shí)不要循環(huán)等待,而應(yīng)采用串行中斷。

硬件軟化

傳統(tǒng)的硬件濾波電路(如有源濾波器)本身耗電可觀,且不需要其工作時(shí)難以控制其不耗電,故功耗相對(duì)較大。改用軟件濾波可克服功耗大的缺點(diǎn)。

降低時(shí)鐘頻率

在滿足運(yùn)算速度要求的前提下,盡量降低時(shí)鐘頻率,可達(dá)到降低功耗的目的。降低時(shí)鐘頻率而不犧牲運(yùn)算速度是目前單片機(jī)技術(shù)發(fā)展的特點(diǎn)之一。

降低供電電壓

當(dāng)外圍器件與電路的工作電壓不能低至單片機(jī)工作電壓的下限或各部分電路的工作電壓下限不盡相同時(shí),不能象單片機(jī)那樣由電池直接供電,可通過DC-DC變換器供電。DC-DC變換器芯片種類較多,大致可分為升壓型、降壓型和極性反轉(zhuǎn)型,供電方式靈活,轉(zhuǎn)換效率高(很多芯片達(dá)90%以上),體積小巧,使用方便。

抗干擾措施

在記錄儀工作的環(huán)境中有各種各樣的干擾,可能會(huì)影響到工作可靠性和精度。必須采用抗干擾措施來保證記錄儀的穩(wěn)定工作。本文設(shè)計(jì)的沖擊記錄儀整機(jī)采用屏蔽網(wǎng)有效地保證記錄儀工作時(shí)不受外界電磁信號(hào)的干擾。GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)不在其中。

結(jié)論

傳統(tǒng)的沖擊記錄儀無論精度,使用的方便程度都受到其結(jié)構(gòu)的限制,很難實(shí)現(xiàn)多功能。全電子智能化是其發(fā)展方向。本文所設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的沖擊記錄儀是在此方向上的一個(gè)探索,相信隨著電子加速度傳感器的不斷進(jìn)步和芯片技術(shù)的飛速發(fā)展,沖擊記錄儀也會(huì)不斷豐富和擴(kuò)充功能,為智能化運(yùn)輸和需要對(duì)振動(dòng)進(jìn)行控制的領(lǐng)域提供更可靠的保障。 【導(dǎo)讀】三軸振動(dòng)傳感器是一種相對(duì)而非接觸一種測(cè)量方式傳感器,又稱為相對(duì)振動(dòng)。它是通過傳感器端部與被測(cè)物體之間的距離變化來測(cè)量物體的振動(dòng)位移或幅值的。 電渦流位



    三軸振動(dòng)傳感器是一種相對(duì)而非接觸一種測(cè)量方式傳感器,又稱為相對(duì)振動(dòng)。它是通過傳感器端部與被測(cè)物體之間的距離變化來測(cè)量物體的振動(dòng)位移或幅值的。


    電渦流位移傳感器具有頻率范圍寬(0~10kHZ),線性工作范圍大、靈敏度高以及非接觸式測(cè)量等優(yōu)點(diǎn);


    主要應(yīng)用于靜態(tài)位移的測(cè)量、動(dòng)態(tài)振動(dòng)位移的測(cè)量、旋轉(zhuǎn)機(jī)械中監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)軸的振動(dòng)測(cè)量。


    外形尺寸參數(shù)

 


    軸振動(dòng)傳感器作用:


    對(duì)于工業(yè)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)軸偏心、軸的磨損程度、不對(duì)中等功能。


    在壓電加速度傳感器的基礎(chǔ)上經(jīng)過專業(yè)化高精密設(shè)計(jì),內(nèi)部嵌入精密積分電路。


    與傳統(tǒng)磁電式相比,由于采用壓電晶體作為敏感元件,內(nèi)部無移動(dòng)部件,不會(huì)發(fā)生退化和磨損;


    且頻率響應(yīng)范圍寬,機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件不容易損壞,動(dòng)態(tài)特性優(yōu)良,抗干擾能力強(qiáng),可長(zhǎng)期可靠工作;


    適用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)各種惡劣環(huán)境下測(cè)量軸承箱體、殼體或結(jié)構(gòu)的絕對(duì)(相對(duì)于自由表面)振動(dòng)。


    該產(chǎn)品在旋轉(zhuǎn)機(jī)械的振動(dòng)故障監(jiān)測(cè)、工程地質(zhì)、地震監(jiān)測(cè)、高層建筑和大型結(jié)構(gòu)物的振動(dòng)、模態(tài)分析、交通橋梁、科研、教學(xué)等領(lǐng)域的振動(dòng)速度均有著廣泛的應(yīng)用和測(cè)量前景。


    特點(diǎn):


    抗振、耐沖擊、過載能力強(qiáng)


    簡(jiǎn)化測(cè)試,輸出直接配接顯示處理儀表


    低頻特性好,頻率范圍寬


    長(zhǎng)期穩(wěn)定性好


    使用方便,無需調(diào)整


    壓電類尺寸小,無活動(dòng)部件,壽命長(zhǎng)、剛度大


    主要技術(shù)參數(shù):


    1.測(cè)量范圍:0-1000mm/s(可選)※0-50g※0-10mm


    2.輸出形式:mA,mv/m/s?,mv/mm/s(根據(jù)客戶需求)


    3.響應(yīng)頻率:10-1000HZ(速度量)


    2-2000HZ(加速度量)


    4.速度方向:傳感器(X,Y)兩相


    5.環(huán)境溫度:-10℃-+70℃


    6.供電電壓:+24DC


    7.殼體材料:304不銹鋼


    8.重量:110克


    9.安裝螺紋:M5,或磁吸座(或特殊定做)


    10.壓電材料:PZT-5


    11.輸出方式:直接引線/5/8-24四芯插座


    使用方法及注意事項(xiàng)


    由于傳感器里有內(nèi)置電路,不允許用高電壓測(cè)試傳感器的芯與外殼之間的絕緣電阻,這樣做極易使傳感器擊穿損壞。


    請(qǐng)用戶切記,否則損壞不予調(diào)換。簡(jiǎn)易的判別方法為:用萬用表的R檔測(cè)試即可,正向約幾十KΩ ~ 100KΩ,反向無窮大。


    公司傳感器的檢定測(cè)試條件:160Hz、4mA、10ms-2 、20±5℃ 。


    傳感器在使用時(shí)不需要調(diào)整、鎖緊,使用方便,但建議在使用時(shí)盡量避免跌落,造成沖擊過大損壞,敬請(qǐng)注意。


    由于傳感器為精密換能儀表,請(qǐng)用戶注意防潮,特別是插頭、插座處的防潮、污染。


    產(chǎn)品保修期為一年,建議定期一年檢測(cè)一次,用戶不得自行拆開,防止人為損壞。超限終身維修,收取材料及維修費(fèi)用。

 





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相關(guān)熱詞:

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選擇電子叉車秤的傳感器

 

     我們大家都知道叉車秤是用來稱重的,那么大家對(duì)叉車秤的傳感器有什么了解么?這里倍微衡器給大家介紹下傳感器在電子叉車秤中的重要作用以及怎么選擇傳感器。

    根據(jù)裝載機(jī)的作業(yè)特點(diǎn),信號(hào)采集部分一般都有稱重傳感器、油壓傳感器、油壓變送器三種,那么需要注意的就是傳感器的防過載、防震動(dòng)、絕緣性、抗干擾的性能。

    一般用傳感器來代替銷軸達(dá)到稱重目的,這樣就對(duì)傳感器的結(jié)構(gòu)和尺寸要求比較高;并且在實(shí)際操作中會(huì)出現(xiàn)度低,安裝不方便,長(zhǎng)期磨損會(huì)損壞零部件;所以沒有廣泛使用的。

    這樣就產(chǎn)生了油壓傳感器,通過液體壓力轉(zhuǎn)換為重力值完成叉車秤稱重,這樣方便快捷,電子叉車秤的度和會(huì)得到很大的提升,同時(shí)安全也得到了保證。

 

 

下面介紹適用于電子叉車秤的壓力傳感器

     一、薄膜壓力傳感器(PPM-216A)本產(chǎn)品采用薄膜技術(shù)并結(jié)合電子叉車秤的特點(diǎn)設(shè)計(jì);通過測(cè)量裝載機(jī)油壓轉(zhuǎn)換成重量信號(hào)。

     主要特性:體積小可以直接安裝,度好、長(zhǎng)期穩(wěn)定性也好;

               康震動(dòng)、過載能力好;

               耐腐蝕、耐高溫、溫度漂移小。

     二、PPM-241A也是通過油壓完成叉車秤稱重的,根據(jù)客戶要求采用數(shù)字電路對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行處理;

     產(chǎn)品特性:型號(hào)打,換算快;

               精度高、穩(wěn)定性好;

               抗干擾能力強(qiáng)。

根據(jù)不同需要使用不同傳感器喔。

更多產(chǎn)品 請(qǐng)登錄 公司:http://www.shbwh7.com

友情提示:由于產(chǎn)品的型號(hào)、規(guī)格較多,所有產(chǎn)品價(jià)格以電議為準(zhǔn)!

 



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