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基于加速度传感器的低功耗冲击记录仪的实现 传感器技术指标

时间:2020-07-29    来源:仪多多仪器网    作者:仪多多商城     
随着工业自动化水平的不断发展,产品质量监测、控制手段已经成为保证产品质量标准的不可缺少的一环。许多对装配有较高要求的产品,在运输过程中也同样对受到的冲击有极限要求。受到超过极限的冲击将给产品带来伤害,为企业带来不必要的损失。为监测运输过程,目前通常的做法是随产品一起安装冲击记录仪。

当前,国内普遍使用的冲击记录仪都是机械式冲击记录仪,其内部构造像一台照相机,有上下两个纸带卷筒,将记录纸带放入上纸筒,纸带的始端插入下纸筒。在纸带上方有一个固定记录笔的金属横梁,横梁上装有3只记录笔,分别记录X、Y、Z 3条轴线方向的冲击力。这种机械式冲击记录仪的缺点主要体现在以下几个方面:

机械式冲击记录,记录纸长度有限可记录的冲击数据也就有限,没有时间日期标志,只有时间坐标;记录冲击范围只有±5g,达不到标准较高的单位(如国家电力公司)±10g的要求;为达到三维检测的要求,同时要安装三台才可以,且安装及读取都不便;机械式冲击记录仪使用压感式记录纸,一方面国内很少能买到这种纸,另一方面记录纸在潮湿的季节或地区使用时经常出现卡纸、受潮等现象,从而造成丢失记录数据的严重问题;在运输时有时因运输方式的不同如海洋运输时振动幅度过大、振动次数过多、同时还需要经历铁路、公路不同的运输方式才能到达安装现场等因素,经常出现记录纸不够长,未到目的地而记录纸已用完,丢失了很多重要数据。

随着微电子技术的迅速发展,特别是电子加速度传感器技术和单片机技术的迅猛提高,电子智能型冲击记录仪应运而生,为高精密产品的运输提供可靠的保障,给智能货车技术的发展。


图1:冲击记录仪的组成框图

冲击记录仪的总体设计方案

本文设计的是一种基于电子加速度传感器的冲击记录仪,它的组成原理图如图1所示,包括MPS430单片机及开发板、数据存储单元、实时钟单元、看门狗单元、加速度传感器、信号放大与滤波单元、A/D转换单元以及PC机通讯接口、电源接口、液晶显示屏接口及单片机ISP(在系统编程)接口等部分。

该冲击记录仪在设计和实现过程中,主要解决以下几个主要问题:加速度传感器的选择、低功耗芯片的选择、主板电路的设计。

加速度传感器的选择

加速度传感器是一种能够测量加速力的电子设备,加速力就是当物体在加速过程中作用在物体上的力,加速力可以是常量,也可以是变量。加速度传感器基本的原理就是由于加速度产生某个介质产生变形,通过测量其变形量并用相关电路转化成电压输出。

随着微电子科技的飞速发展,低成本、高性能的电子加速度传感器得以面世。电子加速度传感器常分为三种:压电式、容感式、热感式。压电式加速度传感器运用的是压电效应,在其内部有一个刚体支撑的质量块,有运动的情况下质量块会产生压力,刚体产生应变,把加速度转变成电信号输出。容感式加速度传感器内部也存在一个质量块,从单个单元来看,它是标准的平板电容器,加速度的变化带动活动质量块的移动从而改变平板电容两极的间距和正对面积,通过测量电容变化量来计算加速度。而热感式加速度传感器内部没有任何质量块,它的中央有一个加热体,周边是温度传感器,里面是密闭的气腔,工作时在加热体的作用下,气体在内部形成一个热气团,热气团的比重和周围的冷气是有差异的,通过惯性热气团的移动形成的热场变化让感应器感应到加速度值。由于压电式加速度传感器内部有刚体支撑的存在,通常情况下,压电式加速度传感器只能感应到“动”加速度,而不能感应到“静态”加速度,也就是我们所说的重力加速度。而容感式和热感式既能感应“动”加速度,又能感应“静态”加速度。

由于没有任何移动部件,而且采用了微机械加工技术,热感式加速度传感器的研发过程中解决了很多加工上的难题。生产成本低,抗冲击能力强,而且可靠性好,失效率低于10ppm。

热感式加速度传感器体积小,低功耗,工作电流应在2mA以下,主芯片接口具备标准的数字接口模式。可以提供两个方向的加速度值,采用两片即可实现三维加速度值测量。经过全面比较,本项目确定采用热感式加速度传感器,作为设计基础。

低功耗芯片的选择

机械式冲击记录仪特有的优势在于不发生冲击时就不工作,每振动一次, 才工作一次。而便携式冲击记录仪使用电池供电,不管是否发生冲击,都在时刻工作,因此电子元件的功耗就成为影响电子冲击记录仪的工作时间的主要问题。

单片机作为电路的核心部分,对整机性能有重要的影响。经过比较研究,美国TI公司的MSP430,一种采用了较新低功耗技术新型的单片机,被认为适合冲击记录仪的工作使用。MSP430工作在1.8~3.6V电压下,有正常工作模式(AM)和4种低功耗工作模式(LPM1、LPM2、LPM3、LPM4),在电源电压为3V时,各种模式的工作电流分别为 AM:340uA、LPM1:70uA、LPM2:17uA、LPM3:2uA、LPM4:0.1uA。单片机可以方便的在各种工作模式之间切换,特别适合在电池供电、便携式设备中的应用。MSP430也具有非常高的集成度,单片集成了多通道12bit的A/D转换、片内精密比较器、多个具有PWM功能的定时器、斜边A/D转换、片内USART、看门狗定时器、片内数控振荡器(DCO)、大量的I/O端口。MSP430有大容量的片内存储器,有ROM(C型)、OTP(P型)、EPROM(E型)、Flash Memory(F型)4种型号。

外围器件与电路有各种存储器全部采用功耗极低的VMOS芯片以实现整机极低功耗的目标。

主板电路的设计

■ 用双CPU设计,可大大减少硬件电路,减少繁琐的译码、逻辑变换,使得系统硬件数量减少,同时软件资源分配及设计均相对独立,易于修改程序;
■ 随机液晶显示屏、随机轻触式按键;
■ 采样频率高于每秒十万次不间断采样,不会漏过任何一次振动;
■ 数据永久性储存功能;即使掉电或断电,记录仪储存的数据也不会丢失;
■ 记录仪的数据存储及显示的数据按大到小顺序排列功能,数据读取非常
方便;
■ 可连接GPS卫星定位系统、冲击数据和冲击地点位置、时间可同时显示。

整机的低功耗控制技术

有了主要的低功耗芯片,整机的低功耗控制技术的采用在设计中也是非常重要的环节。功耗的控制在这里要通过软件来实现。

尽量采用待机运行方式

单片机MSP430 有4种低功耗工作模式,节电效果显著。单片机在不需要工作时进入待机状态或掉电状态,需要工作时再唤醒。在仪器检测到较长时间的静止情况后,系统进入待机状态。开始运动后,传感器有输出,传感器输出信号前端电路变换来唤醒单片机工作。通过这种管理方式,大大地节约了在不需要工作时的功耗。有效地延长了整机一次充电的持续工作时间。

有效控制外围器件与电路的功耗

对外围器件与电路的功耗采取管理措施,使其在不工作时进入维持状态或停止供电,以降低功耗。在单片机应用系统中,存储器的功耗是比较大的,待机时将存储器状态设置为维持状态使功耗显著下降。

选用运算速度快的算法

针对本项目要处理的数据等具体问题,合理选用运算速度快、精度高的新算法,能减少CPU运行时间。

尽量用定时中断替代软件延时

在间断测量的情况下,应采用外部中断或内部定时/计数中断,不要采用软件延时,以减少CPU运行时间。单片机的外部中断源不够用时,可方便地扩充。

尽量用静态显示替代动态显示

选用具有数据锁存、译码、驱动和显示功能的LCD显示组件,只要组件不掉电,数据一直保留,内容一直显示,直到单片机对其刷新。

缩短通信时间

用RS-232通信接口通信时,若通信的数据量较大,应提高传输的波特率,缩短通信时间。可采用高效率的编码方式,如BCD码的编码与ASCII码相比,效率提高一倍。发送和接收时不要循环等待,而应采用串行中断。

硬件软化

传统的硬件滤波电路(如有源滤波器)本身耗电可观,且不需要其工作时难以控制其不耗电,故功耗相对较大。改用软件滤波可克服功耗大的缺点。

降低时钟频率

在满足运算速度要求的前提下,尽量降低时钟频率,可达到降低功耗的目的。降低时钟频率而不牺牲运算速度是目前单片机技术发展的特点之一。

降低供电电压

当外围器件与电路的工作电压不能低至单片机工作电压的下限或各部分电路的工作电压下限不尽相同时,不能象单片机那样由电池直接供电,可通过DC-DC变换器供电。DC-DC变换器芯片种类较多,大致可分为升压型、降压型和极性反转型,供电方式灵活,转换效率高(很多芯片达90%以上),体积小巧,使用方便。

抗干扰措施

在记录仪工作的环境中有各种各样的干扰,可能会影响到工作可靠性和精度。必须采用抗干扰措施来保证记录仪的稳定工作。本文设计的冲击记录仪整机采用屏蔽网有效地保证记录仪工作时不受外界电磁信号的干扰。GPS卫星定位系统不在其中。

结论

传统的冲击记录仪无论精度,使用的方便程度都受到其结构的限制,很难实现多功能。全电子智能化是其发展方向。本文所设计实现的冲击记录仪是在此方向上的一个探索,相信随着电子加速度传感器的不断进步和芯片技术的飞速发展,冲击记录仪也会不断丰富和扩充功能,为智能化运输和需要对振动进行控制的领域提供更可靠的保障。 【导读】三轴振动传感器是一种相对而非接触一种测量方式传感器,又称为相对振动。它是通过传感器端部与被测物体之间的距离变化来测量物体的振动位移或幅值的。 电涡流位



    三轴振动传感器是一种相对而非接触一种测量方式传感器,又称为相对振动。它是通过传感器端部与被测物体之间的距离变化来测量物体的振动位移或幅值的。


    电涡流位移传感器具有频率范围宽(0~10kHZ),线性工作范围大、灵敏度高以及非接触式测量等优点;


    主要应用于静态位移的测量、动态振动位移的测量、旋转机械中监测转轴的振动测量。


    外形尺寸参数

 


    轴振动传感器作用:


    对于工业实时在线监测轴偏心、轴的磨损程度、不对中等功能。


    在压电加速度传感器的基础上经过专业化高精密设计,内部嵌入精密积分电路。


    与传统磁电式相比,由于采用压电晶体作为敏感元件,内部无移动部件,不会发生退化和磨损;


    且频率响应范围宽,机械运动部件不容易损坏,动态特性优良,抗干扰能力强,可长期可靠工作;


    适用于工业现场各种恶劣环境下测量轴承箱体、壳体或结构的绝对(相对于自由表面)振动。


    该产品在旋转机械的振动故障监测、工程地质、地震监测、高层建筑和大型结构物的振动、模态分析、交通桥梁、科研、教学等领域的振动速度均有着广泛的应用和测量前景。


    特点:


    抗振、耐冲击、过载能力强


    简化测试,输出直接配接显示处理仪表


    低频特性好,频率范围宽


    长期稳定性好


    使用方便,无需调整


    压电类尺寸小,无活动部件,寿命长、刚度大


    主要技术参数:


    1.测量范围:0-1000mm/s(可选)※0-50g※0-10mm


    2.输出形式:mA,mv/m/s?,mv/mm/s(根据客户需求)


    3.响应频率:10-1000HZ(速度量)


    2-2000HZ(加速度量)


    4.速度方向:传感器(X,Y)两相


    5.环境温度:-10℃-+70℃


    6.供电电压:+24DC


    7.壳体材料:304不锈钢


    8.重量:110克


    9.安装螺纹:M5,或磁吸座(或特殊定做)


    10.压电材料:PZT-5


    11.输出方式:直接引线/5/8-24四芯插座


    使用方法及注意事项


    由于传感器里有内置电路,不允许用高电压测试传感器的芯与外壳之间的绝缘电阻,这样做极易使传感器击穿损坏。


    请用户切记,否则损坏不予调换。简易的判别方法为:用万用表的R档测试即可,正向约几十KΩ ~ 100KΩ,反向无穷大。


    公司传感器的检定测试条件:160Hz、4mA、10ms-2 、20±5℃ 。


    传感器在使用时不需要调整、锁紧,使用方便,但建议在使用时尽量避免跌落,造成冲击过大损坏,敬请注意。


    由于传感器为精密换能仪表,请用户注意防潮,特别是插头、插座处的防潮、污染。


    产品保修期为一年,建议定期一年检测一次,用户不得自行拆开,防止人为损坏。超限终身维修,收取材料及维修费用。

 





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选择电子叉车秤的传感器

 

     我们大家都知道叉车秤是用来称重的,那么大家对叉车秤的传感器有什么了解么?这里倍微衡器给大家介绍下传感器在电子叉车秤中的重要作用以及怎么选择传感器。

    根据装载机的作业特点,信号采集部分一般都有称重传感器、油压传感器、油压变送器三种,那么需要注意的就是传感器的防过载、防震动、绝缘性、抗干扰的性能。

    一般用传感器来代替销轴达到称重目的,这样就对传感器的结构和尺寸要求比较高;并且在实际操作中会出现度低,安装不方便,长期磨损会损坏零部件;所以没有广泛使用的。

    这样就产生了油压传感器,通过液体压力转换为重力值完成叉车秤称重,这样方便快捷,电子叉车秤的度和会得到很大的提升,同时安全也得到了保证。

 

 

下面介绍适用于电子叉车秤的压力传感器

     一、薄膜压力传感器(PPM-216A)本产品采用薄膜技术并结合电子叉车秤的特点设计;通过测量装载机油压转换成重量信号。

     主要特性:体积小可以直接安装,度好、长期稳定性也好;

               康震动、过载能力好;

               耐腐蚀、耐高温、温度漂移小。

     二、PPM-241A也是通过油压完成叉车秤称重的,根据客户要求采用数字电路对传感器信号进行处理;

     产品特性:型号打,换算快;

               精度高、稳定性好;

               抗干扰能力强。

根据不同需要使用不同传感器喔。

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友情提示:由于产品的型号、规格较多,所有产品价格以电议为准!

 



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