加速度傳感器ADXL50在導(dǎo)彈行軍中的應(yīng)用

摘 要:檢測導(dǎo)彈在車載行軍過程中受到的振動沖擊。采用加速度傳感器ADXL50敏感振動過程中加速度的值，然后通過ADC0809轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，再通過信號處理的方法濾除一些隨機(jī)干擾，最后進(jìn)行顯示與報(bào)警。提出一套完整的測量車載導(dǎo)彈振動沖擊的方案。該方案結(jié)構(gòu)簡潔可靠，能夠測量導(dǎo)彈在車載行軍過程中受到的振動沖擊。在此利用單片集成式加速度傳感器ADXL50和單片機(jī)電路測量振動加速度。

關(guān)鍵詞:電容式加速度傳感器; 車載導(dǎo)彈; 振動沖擊; ADC0809

中圖分類號:TM344.6 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:B

文章編號:1004-373X(2010)12-0147-03

Application of ADXL50 Acceleration Sensor in Missile March

LI Qing-hui， WANG De-peng， ZHANG Hong-yun， SU Ji-ping

(Qingzhou Petty Officer School of the Second Artillery， Qingzhou 262500， China)

Abstract:A project to detect the vibration impact on missiles during transportation is proposed. The ADXL50 acceleration sensor is adopted to detect the value of the acceleration during vibration. The analog signals exported by the ADXL50 are transferred to the digital signals by ADC0809. The random disturbance is eliminated by the signal processing， and then the value of the acceleration is displayed or the alarm is issued if necessary. The project is concise and credible， and can detect the acceleration impact on the missiles during transportation. The monolithic ADXL50 acceleration sensor and SCM circuit is used to detect the vibration acceleration.

Keywords:capacitance acceleration sensor; vehicle missile; vibratory shock;ADC0809

0 引 言

在導(dǎo)彈車載行軍過程中，車上的導(dǎo)彈會受到各種振動的沖擊影響，這種振動沖擊如果過大則會造成導(dǎo)彈的損傷或損壞。在此介紹了一種基于ADXL50單片集成加速度傳感器的加速度測量方法，用于檢測導(dǎo)彈在車載行軍過程中受到的振動沖擊。單片集成加速度傳感器ADXL50體積小、方向性好、精度高、時漂與溫漂小;在+5 V單電源下工作，使用方便，所需外圍元器件少;可靠性很高，在通電時可以承受500g的加速度沖擊，不加電時可以承受2 000g的加速度沖擊而不致?lián)p壞[1]。因此可以應(yīng)用于導(dǎo)彈運(yùn)輸車。

1 設(shè)計(jì)方案

設(shè)計(jì)方案如圖1所示:包括傳感器及外圍電路、信號處理裝置、顯示報(bào)警電路等3部分。傳感器及外圍電路封裝于小型屏蔽容器內(nèi)，固定于導(dǎo)彈載行車上，ADXL50 加速度傳感器采集振動加速度信號，并輸出相應(yīng)的電壓信號;信號處理部分接收到傳感器采集來的模擬電壓信號，對其進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，將加速度的值顯示于LED上，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)判斷與處理，當(dāng)超過安全范圍時給出報(bào)警，提醒司機(jī)注意駕駛。

2 傳感器及外圍電路的設(shè)計(jì)

方案擬采用美國AD公司生產(chǎn)的ADXL50 加速度計(jì)作為加速度傳感器。該器件集成在單片集成電路上，采用差動電容作為敏感元件，直接輸出電壓信號，便于信號的采集與處理。

2.1 ADXL50的主要技術(shù)指標(biāo)

測量靈敏度為19 mV/g;滿刻度測量范圍為±50g;頻率響應(yīng)范圍為DC ~1 kHz;在開關(guān)信號控制下可進(jìn)行自檢;內(nèi)置緩沖放大器，可用于輸出靈敏度及零加速度輸出電平調(diào)節(jié)[2]。

2.2 ADXL50工作原理和基本測量電路

ADXL50是一個完整的加速度測量系統(tǒng)，它將一個傳感器部件和完成加速度測量有關(guān)的電路，包括振蕩器、解調(diào)器、前置放大器、緩沖放大器、參考電源及溫度補(bǔ)償電路等[3-4]。全部集成在一片硅晶片上。芯片封裝于10腳TO100管殼內(nèi)，這10腳的定義如圖2所示[5]。

圖1 加速度檢測方案示意圖

圖2 ADXL50加速度傳感器引腳說明

圖3為加速度傳感器的原理框圖。其中使用了3個外接電容和3個外接電阻。C1用以決定測量系統(tǒng)的帶寬，C1和C2的容量一般選用0~0.22 μF，C3一般為0.1 μF即可。ADXL50在出廠前，廠家已將其前置放大器的測量靈敏度調(diào)整為19 mV/g，其0g時的輸出電壓VPR為1.8 V。因此，若加速度為±50g，則VPR=1.8 V±0.95 V，若加速度為±20g，則VPR=1.8 V±0.38 V。由于在VPR上的信號不標(biāo)準(zhǔn)，不適于讀取進(jìn)行顯示或進(jìn)行數(shù)字化處理。另外，ADXL50前置放大器的注入電流最大只能有25 μA，驅(qū)動能力很小，因此，VPR上的信號要做進(jìn)一步處理，才能滿足要求[7]。一般外接幾個電阻與緩沖放大器構(gòu)成一個放大環(huán)節(jié)，以調(diào)整傳感器的VPR的0g電位，并提高輸出信號的靈敏度。經(jīng)緩沖放大后的加速度信號，其變化范圍最好處于0.5～4.5 V之間，使之距電源的高低兩端都有一定的余量。若加速度正、負(fù)兩方向的變化幅度相近，就可將0g電位調(diào)在2.5 V左右。這樣，正、負(fù)加速度信號在傳感器輸出口Vout上就有±2 V的變化范圍。設(shè)待測加速度的范圍為±50g，則VPR=1.8 V±0.95 V，欲使Vout=2.5 V±2.0 V，就需將信號中的交流分量放大。緩沖放大器的放大系數(shù)為-R3/R1，所以，若取R1=50 kΩ，即可確定R3=105 kΩ。

在圖3中，R2的一端接地，為使0g時Vout=2.5 V，R2應(yīng)滿足條件:R2=(1.8×R3)/(Vout-1.8)=270 kΩ。

圖3 加速度傳感器原理圖

2.3 ADXL50在使用時應(yīng)注意的事項(xiàng)

(1) ADXL50有一個靈敏軸，其方向是從第5腳指向第10腳(即指向管殼定位片)，如圖2所示。傳感器測量的就是沿此軸的加速度。設(shè)此軸為x軸，又設(shè)在傳感器管殼底部平面內(nèi)與x軸垂直的方向?yàn)閥軸。若加速度g的方向與傳感器底部xy平面之間的夾角為α，則加速度g在xy平面上的分量為gxy=gcos α。又設(shè)加速度分量gxy與傳感器靈敏軸之間的夾腳為β，則gxy在靈敏軸上的分量為gx=gxycos β=gcos αcos β。因此，在安裝加速度傳感器時，要盡量使其靈敏軸與加速度的方向一致，否則就得對測量結(jié)果做必要的修改，以免造成過大的誤差。

(2) ADXL50要安裝在電路板上使用。在電路板的共振頻率與待測加速度的頻率相近時，若電路板稍有松動，就會產(chǎn)生共振，使測量結(jié)果偏大，造成誤差。因此，在安裝電路板時，要選擇合適的位置，固定牢靠。在對系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)時，最好在不同的頻率下測試，以便發(fā)現(xiàn)可能的共振問題[7]。

(3) 解調(diào)器濾波電容C1的作用:決定ADXL50的帶寬;對解調(diào)器信號進(jìn)行濾波。

3 信號處理裝置

3.1 ADC0809

ADC0809是一種由單一+5V電源供電，采用逐次逼近轉(zhuǎn)換原理，能夠?qū)? 路0~+5 V輸入模擬電壓進(jìn)行分時轉(zhuǎn)換的通用型可編程A/D轉(zhuǎn)換器。ADC0809 模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的工作時鐘具有寬廣的適用頻率范圍。該模/數(shù)轉(zhuǎn)換器適用的最高有效工作時鐘頻率約為3 MHz，最小模/數(shù)轉(zhuǎn)換的周期可達(dá)24 μs，所以其采樣頻率最高達(dá)到41 kHz。而導(dǎo)彈載行車在行軍和起豎過程中振動頻率一般不超過200 Hz，根據(jù)采樣定理，完全可以滿足測量需要。

3.2 單片機(jī)及其編程

方案擬采用MCS51系列單片機(jī)，它可以直接與ADC0809模/數(shù)轉(zhuǎn)換器相接。3個加速度傳感器采集3個方向的振動信號(左右方向、上下方向、前后方向)，經(jīng)ADC0809轉(zhuǎn)換器的3個輸入端轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，然后由單片機(jī)采集。單片機(jī)主程序首先開辟3個內(nèi)存區(qū)，每個內(nèi)存區(qū)為10個字節(jié)單位，分別用于存儲3個輸入端的采集數(shù)據(jù)，然后依次循環(huán)讀取ADC0809的3個輸入端(IN0，IN1，IN2)的轉(zhuǎn)換結(jié)果，顯示在LED顯示屏上，同時與預(yù)先設(shè)定的固定數(shù)據(jù)進(jìn)行比較:如果處在合格范圍內(nèi)，則繼續(xù)依次循環(huán)讀取下一個輸入端的數(shù)據(jù)，并且存儲每個輸入端最近10次的值;如果讀取的某一個輸入端數(shù)據(jù)超出合格范圍，則先將本數(shù)據(jù)存儲，然后繼續(xù)讀取該輸入端數(shù)據(jù)N(N<9)次，每次讀數(shù)據(jù)后及時存儲，讀完N次后求該輸入端所存儲的10次數(shù)據(jù)的平均值，如果仍然超出合格范圍，則迅速報(bào)警，即通過驅(qū)動電路使喇叭鳴叫、警示燈閃亮。通過這種對數(shù)據(jù)求平均方法，可以濾除一些奇異值等隨機(jī)干擾[8]。

4 結(jié) 語

通過對導(dǎo)彈載行車載彈運(yùn)輸過程的分析，提出了利用單片集成式加速度傳感器ADXL50和單片機(jī)電路來測量振動加速度的一套方案。主要介紹ADXL50單片集成加速度傳感器、單片機(jī)測試系統(tǒng)的組成。并采用平滑濾波的方法濾除一些隨機(jī)干擾。該方案電路簡潔，設(shè)計(jì)的可靠冗余性較高，對于測試車載系統(tǒng)加速度有較好的借鑒作用。

參考文獻(xiàn)

[1]Special linear reference manual analog devices[M][ S.l.] : Analog Devices， 1992.

[2]Analog Devices. Short form designes′ guide[M][ S.l.] : Analog DevicesInc.， 1996.

[3]SHUSTER Mike， BRIANO Bob， KITCHIN CharlesIncreasing the frequency response of the ADLX series acce-lerometers[M]. [ S.l.] : Analog Devices， 1996

[4]KITCHIN CharleUnderstanding accelerometer scale factor and offset adjustments[ M] . [ S.l.] : Analog Devices， 1994.

[5]中國電子學(xué)會敏感技術(shù)分會.傳感器與執(zhí)行器大全(年卷)[M].北京:電子工業(yè)出版社，2000

[6]徐德炳.ADXL50和ADXL05型加速度計(jì)的原理及應(yīng)用:一種單片集成帶有信號調(diào)理電路的加速度傳感器[ J] .電子技術(shù)應(yīng)用，1997(5):22-23.

[7]施維穎，趙祥模.加速度傳感器ADXL50的特性及其對測量精度的影響[ D] .西安:長安大學(xué)，2005.

[8]王伯雄.測試技術(shù)基礎(chǔ)[ M] .北京:清華大學(xué)出版社，2003.

[9]王文濤，耿增建.單軸硅微加速度傳感器的原理與電路設(shè)計(jì)[J] .現(xiàn)代電子技術(shù)，2005，28(14):92-94.

[10]陳財(cái)政，邢動秋.基于Matlab的加速度傳感器振動信號處理方法研究[J] .現(xiàn)代電子技術(shù)，2007，30(7):134-136.