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压力传感器中选通信号电路设计

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摘要:针对电气连接器使用中存在的缩针问题,根据保持力检测原理,设计基于薄膜压力传感器的多路选通信号调理电路,包括传感器信号驱动电路、信号滤波电路和多路选通电路。将薄膜压力传感器集成到运算放大器的反向端,运用CD4051模拟电子开关和反相器串联的方法实现信号的多路选通,并采用一阶低通滤波器对传感器采集到的信号进行降噪处理。将一阶滤波器设计成一个模块,使用示波器对采集的信号断开和接入滤波模块进行特征观察,前后对比可知,采集信号经过滤波器能较好地去除噪声。故设计的硬件电路能达到测量要求,能对信号进行有效不失真的采集。

关键词:电气连接器;薄膜传感器;放大电路;信号选通;滤波

引言

电气连接器作为一种实现电路接通和断开功能的机电元件,可以快速方便地完成器件与器件、系统与系统之间的电气连接和信号传递,在航空、电力、轨道交通等行业中应用十分广泛,它们是连接动车组各车辆间主电路和辅助电路的重要部件[1]。经过调研,电气连接器失效模式可归纳总结为:接触失效、机械失效、环境失效、其他失效,其中接触失效是连接器失效的主要模式,连接器出现缩针而引起的电连接器失效占有相当大的比例[2]。国内的一些学者对电气连接器的可靠性进行了大量研究,其中,南车青岛四方机车文强、董力群[3]等通过动车组在生产制造和运用检修中出现的实际故障案例,阐述分析电连接器的常见失效模式和失效机理,并提出预防和检测方法。张菊华、孔宪宝等[4]针对低频连接器的产品使用反馈与摸底试验结果进行分析,总结出电气连接器的4种失效模式,并提出改进方法。针对航空电连接器的失效原因,浙江大学钱萍[5]博士推导出其工作条件综合作用下的可靠性统计模型,针对电连接器在振动、冲击、碰撞等动态使用环境下接触电阻的研究,西南交通大学陆建明等[6]给出一种基于瞬断检测的电连接器故障检测系统,针对电连接器正常工作中接触电阻,河北工业大学李奎、刘帼巾等[7]提出脉冲电流法测量接触电阻进而判断电连接器连接可靠性。国外一些学者对电连接器接触可靠性进行大量研究,美国学者HausSeehas[8]通过对电连接器接触电阻的增加,建立接触寿命的可靠性统计模型,SawChyn和Sproles[9]对不同参数的电连接器进行详细分析,发现有较大接触压力的接触体更能抵抗外界环境的干扰。笔者针对一种特定的电气连接器型号,该型号电气连接器由6个小模块构成,每一个模块包含12个插针。为检测单个模块各个插针的装配情况,设计一种基于薄膜压力传感器的多路选通信号调理电路,通过弹性敏感元件将电气连接器插针的装配压力转变为薄膜压力传感器的应变,然后接入笔者设计的多路选通信号调理电路,实现了力-电信号的转变,测试系统可以通过采集电压信号实现对电气连接器插针缩针工况的检测。

1基于薄膜压力传感器的主体电路结构设计

在薄膜压力传感器设计完成之后,需要设计出多路选通信号调理电路,实现对电气连接器中12个插针测试点的信号采集,把插针的压力信号转化为电压信号,其硬件电路总体设计框架结构如图1所示。基于薄膜压力传感器的多路选通信号调理电路包括3个模块,传感器信号驱动电路、信号滤波电路和多路信号选通电路,其硬件连接方式如图2所示。

1.1传感器信号驱动电路的设计与分析

设计选择了微芯科技公司的MCP601系列低功耗运算放大器。该系列放大器运行速度快、开环增益高、静态电流低并具备极宽的带宽,非常适合于作为A/D转换器的驱动放大器。电路连接如图2所示,参考电压与运算放大器的同相端进行连接而传感器作为电阻连入电路并与运放器的反向端连接。图中运放器输出的电压为Vout,Rs为传感器电阻,Rf为反馈电阻,Vi为参考输入电压。对电路进行分析可得,其输入输出关系如下:根据式(1)可以得出运放器输出的电压值与加在运放器同相端上的输入电压成线性放大关系。输入电压的微小波动都会造成比例放大,因此参考电压必须是稳定可靠电压输入。此外,当传感器阻值趋于无穷大时电路相当于电路跟随器其放大系数为1,因此选用参考电压不能太大。综合考虑,参考电压选择为0.1V。由于测试系统所选择单片机的AD采集模块的基准电压为2.5V,所以电路输出电压范围最好控制在0.1~2.5V。电路输出的电压范围要低于采集基准电压,由式(1)可以看出输出电压的大小是由反馈电阻和传感器电阻共同来决定的。在对传感器测试中发现薄膜压力传感器的阻值Rs范围在10kΩ~10MΩ之间变化,为使检测范围增大,设计应选择比传感器最小值略低的电阻值,故取电阻值为8kΩ,输出电压为2.5V,代入式(1)中,可得电路中Rf的值为200kΩ。

1.2信号滤波电路的设计与分析

基于薄膜压力传感器的多路选通信号调理电路设计完成之后,试验通过示波器在硬件上对驱动电路中的传感器信号进行特征观察,如图3所示。由图3可知信号中存在着较多的噪声,故需对信号调理电路进行滤波电路设计以最大限度降低噪声。同时,在各个通道切换过程中,会出现电压尖峰,这是各个通道的直流电平不同导致的,测试系统程序设计过程中,可在通道切换后延时一段时间,然后再进行数据采集,这样就可以避免电压尖峰影响采集信号的准确性。采用在AD采集端前加入一阶低通滤波器以进行硬件去噪处理,硬件电路如图2所示。对信号调理电路进行复频域分析,计算其传递函数,通过传递函数获得系统的频率特性进而对系统进行参数识别。运放电路未加滤波器时其传递函数为:在加入一阶低通滤波器后,系统传递函数为:由公式结构上可知该系统传递函数结构是由一个比例环节和惯性环节组成,惯性环节的特点为输出响应需要一  定的时间才能达到稳态值,故对突变的输入来说输出不能立即复现。式中Rf为反馈电阻,大小为200kΩ,电容C=0.1μF。当电阻输出为2.5V时,此时传感器电阻为8kΩ,将数值代入式(3)后得到:当传感器无负载时其阻值可视为无穷大,传感器阻值随着压力增大而减小。检测系统中对传感器进行了预压力加载,当传感器阻值降到2MΩ时认为电阻上已受力。故将2MΩ作为传感器电阻最大值代入式(3)后可得:驱动电路在加入低通滤波器后,由图4可知其截止频率为1.58kHz,图5的截止频率为1.6kHz。故在电路中可认为1.6kHz以上的信号被过滤掉了。信号的最大频率为1.6kHz,为使采集的信号不失真需满足采样定律,即采样频率应大于信号频率2倍,而选用的单片机最高采样频率可达到200kHz,故完全可以满足采样要求。采集信号接入滤波模块时,使用示波器对采集电压进行观察,如图6所示。前后对比可以发现,采集信号经滤波器后能较良好地去除噪声,高频噪声被有效地去除且采集的数字电压信号几乎没有什么波动,故设计的硬件系统能达到测量要求,能对信号进行有效不失真的采集。

2结束语

基于薄膜压力传感器,设计传感器信号驱动电路、多路选通信号电路以及滤波电路,并求出滤波电路的截止频率,可以实现信号有效不失真的采集。在对电气连接器是否缩针工况进行信号采集时,首先将压阻传感器集成到同相放大电路中,对压阻信号进行一定程度的放大,以便于和单片机AD采集模块匹配,通过电子模拟开关实现多个通道共用一个放大和模数转换模块,该信号采集电路结构简单,检测效率较高,具有较强的理论和实践意义。后续可以考虑将传感器信号驱动电路设计成程控放大的形式,实现在软件中对放大系数的控制,同时可将滤波电路进行优化设计,提高信号采集系统的精度。

参考文献:

[1]杨奋为.航天电连接器质量检验专题讲座第1讲航天电连接器的选用[J].质量与可靠性,2006(4):51-57.

[2]汪洋,于德伟.CRH2型动车组车钩电气连接器检修故障处理[J].中国新技术新产品,2015(1):20-20,21.

[3]文强,董力群.动车组电气连接器常见失效模式分析[J].电子质量,2014(02):27-29.

[4]张菊华,孔宪宝.低频电连接器失效模式的分析[J].机电元件,1989(1):36-43.

[5]钱萍.航天电连接器综合应力加速寿命试验与统计分析的研究[D].杭州:浙江大学,2009.

[6]陆建明.电气接插件故障检测技术研究[D].成都:西南交通大学,2008.

[7]李奎,李志刚,陆俭国.接触电阻新型测量方法的研究[J].电气开关,1997(06):28-30.

作者:冯新颖 赵世红 单位:南京中车浦镇城轨车辆有限责任公司

压力传感器中选通信号电路设计责任编辑:张雨    阅读:人次