柳 佳 朱政强 陈立功
上海交通大学材料科学与工程学院（200030）
振动焊接即在焊接的过程中施加振动，以保证在焊缝方向上能够稳幅和稳频振动。一般的振动焊接仪器上都自带有加速度测量仪，但是传统的振动焊接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。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。在进行振动焊接时，需要准确而实时地测量加速度这个参数，以便于控制振动过程，保证相关工艺效果。为了进一步研究振动焊接在特定测试板上的振动模式，利用现有条件，围绕加速度传感器ＡＤＸＬ５０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-频率测量仪器。
１ 设计方案
如图１所示，本仪器包括传感器及其外围电路、信号调理电路、加速度-频率显示三部分。传感器及其外围电路封装于小型屏蔽容器内，固定于振动物体上，随之同步振动，输出测量信号；信号调理电路接收电信号，进行放大、滤波等必要处理；经过处理后的信号被送入显示部分，信号的频率和幅度以数值形式显示于ＬＥＤ数码管上，实现加速度和频率的实时测量。
２ 传感器及其外围电路的设计
选用了美国ＡＤＩ公司生产的ＡＤＸＬ５０加速度计作为振动传感器。它被集成于单片集成电路上，采用差动电容作为敏感元件，用闭环反馈力平衡技术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。
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设计图。调节可变电阻Ｒ４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ＲＣ２／ＲＣ３＝５，即传感器输出为０．１Ｖ／ｇ。ＲＣ２与ＣＣ３构成一低通滤波器，截止频率为１／ＲＣ２×ＣＣ３＝３０３Ｈｚ，振动时效和振动焊接的频率一般不超过２００Ｈｚ，因而可以满足需求。
３ 信号调理电路
３．１ 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构成的负反馈放大电路，调节可变电阻ＲＷ２的阻值即可进一步微调输出信号的放大倍数。输出信号减去０ｇ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。调节可变电阻ＲＷ２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，不予赘述。为提高系统集成度，整个系统中使用的四个运放全部由ＴＬＣ２７Ｌ４提供。
３．２ 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，截止频率时钟可调，其时钟-截止频率比为５０∶１，因而设计截止频率为１／１．６９×ＲＦ１×ＣＦ１×５０＝２５１．８Ｈｚ，满足了振动时效和振动焊接工艺的要求。
３．３ 绝对值检波电路
通过绝对值检波电路（如图６所示）可以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。即当输入信号Ｖin＞０时，输出信号Ｖout＝Ｖｉｎ；而当Ｖin＜０时，Ｖout＝－Ｖin。
４ 数据显示
４．１ 加速度值显示
绝对值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。
４．２ 频率值显示
把滤波电路输出的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。
５ 电源部分
整个系统采用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电源。如图７所示，分别采用ＴＰＳ７３５０和ＴＰＳ６７３５作为＋５Ｖ和－５Ｖ稳压电源。
本仪器调试成功后，多次用于振动时效和振动焊接工艺的测控中，如上海宝冶工业安装公司进行的高炉厚板电渣焊振动焊接工艺试验等。该仪器以其便携式的设计、简单直观的使用方式和精确的测量效果得到了相关技术人员的一致好评。
在此基础上，作者将进一步深入研究，开发基于工控机、单片机的振动过程测量与控制系统，最终形成完善的焊接振动时效和振动焊接的测控分析产品系列。
摘自《电子技术应用》
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