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摘要：針對(duì)電氣連接器使用中存在的縮針問(wèn)題，根據(jù)保持力檢測(cè)原理，設(shè)計(jì)基于薄膜壓力傳感器的多路選通信號(hào)調(diào)理電路，包括傳感器信號(hào)驅(qū)動(dòng)電路、信號(hào)濾波電路和多路選通電路。將薄膜壓力傳感器集成到運(yùn)算放大器的反向端，運(yùn)用CD4051模擬電子開(kāi)關(guān)和反相器串聯(lián)的方法實(shí)現(xiàn)信號(hào)的多路選通，并采用一階低通濾波器對(duì)傳感器采集到的信號(hào)進(jìn)行降噪處理。將一階濾波器設(shè)計(jì)成一個(gè)模塊，使用示波器對(duì)采集的信號(hào)斷開(kāi)和接入濾波模塊進(jìn)行特征觀察，前后對(duì)比可知，采集信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波器能較好地去除噪聲。故設(shè)計(jì)的硬件電路能達(dá)到測(cè)量要求，能對(duì)信號(hào)進(jìn)行有效不失真的采集。

關(guān)鍵詞：電氣連接器；薄膜傳感器；放大電路；信號(hào)選通；濾波

引言

電氣連接器作為一種實(shí)現(xiàn)電路接通和斷開(kāi)功能的機(jī)電元件，可以快速方便地完成器件與器件、系統(tǒng)與系統(tǒng)之間的電氣連接和信號(hào)傳遞，在航空、電力、軌道交通等行業(yè)中應(yīng)用十分廣泛，它們是連接動(dòng)車(chē)組各車(chē)輛間主電路和輔助電路的重要部件[1]。經(jīng)過(guò)調(diào)研，電氣連接器失效模式可歸納總結(jié)為：接觸失效、機(jī)械失效、環(huán)境失效、其他失效，其中接觸失效是連接器失效的主要模式，連接器出現(xiàn)縮針而引起的電連接器失效占有相當(dāng)大的比例[2]。國(guó)內(nèi)的一些學(xué)者對(duì)電氣連接器的可靠性進(jìn)行了大量研究，其中，南車(chē)青島四方機(jī)車(chē)文強(qiáng)、董力群[3]等通過(guò)動(dòng)車(chē)組在生產(chǎn)制造和運(yùn)用檢修中出現(xiàn)的實(shí)際故障案例，闡述分析電連接器的常見(jiàn)失效模式和失效機(jī)理，并提出預(yù)防和檢測(cè)方法。張菊華、孔憲寶等[4]針對(duì)低頻連接器的產(chǎn)品使用反饋與摸底試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，總結(jié)出電氣連接器的4種失效模式，并提出改進(jìn)方法。針對(duì)航空電連接器的失效原因，浙江大學(xué)錢(qián)萍[5]博士推導(dǎo)出其工作條件綜合作用下的可靠性統(tǒng)計(jì)模型，針對(duì)電連接器在振動(dòng)、沖擊、碰撞等動(dòng)態(tài)使用環(huán)境下接觸電阻的研究，西南交通大學(xué)陸建明等[6]給出一種基于瞬斷檢測(cè)的電連接器故障檢測(cè)系統(tǒng)，針對(duì)電連接器正常工作中接觸電阻，河北工業(yè)大學(xué)李奎、劉幗巾等[7]提出脈沖電流法測(cè)量接觸電阻進(jìn)而判斷電連接器連接可靠性。國(guó)外一些學(xué)者對(duì)電連接器接觸可靠性進(jìn)行大量研究，美國(guó)學(xué)者HausSeehas[8]通過(guò)對(duì)電連接器接觸電阻的增加，建立接觸壽命的可靠性統(tǒng)計(jì)模型，SawChyn和Sproles[9]對(duì)不同參數(shù)的電連接器進(jìn)行詳細(xì)分析，發(fā)現(xiàn)有較大接觸壓力的接觸體更能抵抗外界環(huán)境的干擾。筆者針對(duì)一種特定的電氣連接器型號(hào)，該型號(hào)電氣連接器由6個(gè)小模塊構(gòu)成，每一個(gè)模塊包含12個(gè)插針。為檢測(cè)單個(gè)模塊各個(gè)插針的裝配情況，設(shè)計(jì)一種基于薄膜壓力傳感器的多路選通信號(hào)調(diào)理電路，通過(guò)彈性敏感元件將電氣連接器插針的裝配壓力轉(zhuǎn)變?yōu)楸∧毫鞲衅鞯膽?yīng)變，然后接入筆者設(shè)計(jì)的多路選通信號(hào)調(diào)理電路，實(shí)現(xiàn)了力-電信號(hào)的轉(zhuǎn)變，測(cè)試系統(tǒng)可以通過(guò)采集電壓信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)電氣連接器插針縮針工況的檢測(cè)。

1基于薄膜壓力傳感器的主體電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在薄膜壓力傳感器設(shè)計(jì)完成之后，需要設(shè)計(jì)出多路選通信號(hào)調(diào)理電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)電氣連接器中12個(gè)插針測(cè)試點(diǎn)的信號(hào)采集，把插針的壓力信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，其硬件電路總體設(shè)計(jì)框架結(jié)構(gòu)如圖1所示。基于薄膜壓力傳感器的多路選通信號(hào)調(diào)理電路包括3個(gè)模塊，傳感器信號(hào)驅(qū)動(dòng)電路、信號(hào)濾波電路和多路信號(hào)選通電路，其硬件連接方式如圖2所示。

1.1傳感器信號(hào)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)與分析

設(shè)計(jì)選擇了微芯科技公司的MCP601系列低功耗運(yùn)算放大器。該系列放大器運(yùn)行速度快、開(kāi)環(huán)增益高、靜態(tài)電流低并具備極寬的帶寬，非常適合于作為A/D轉(zhuǎn)換器的驅(qū)動(dòng)放大器。電路連接如圖2所示，參考電壓與運(yùn)算放大器的同相端進(jìn)行連接而傳感器作為電阻連入電路并與運(yùn)放器的反向端連接。圖中運(yùn)放器輸出的電壓為Vout，Rs為傳感器電阻，Rf為反饋電阻，Vi為參考輸入電壓。對(duì)電路進(jìn)行分析可得，其輸入輸出關(guān)系如下：根據(jù)式（1）可以得出運(yùn)放器輸出的電壓值與加在運(yùn)放器同相端上的輸入電壓成線(xiàn)性放大關(guān)系。輸入電壓的微小波動(dòng)都會(huì)造成比例放大，因此參考電壓必須是穩(wěn)定可靠電壓輸入。此外，當(dāng)傳感器阻值趨于無(wú)窮大時(shí)電路相當(dāng)于電路跟隨器其放大系數(shù)為1，因此選用參考電壓不能太大。綜合考慮，參考電壓選擇為0.1V。由于測(cè)試系統(tǒng)所選擇單片機(jī)的AD采集模塊的基準(zhǔn)電壓為2.5V，所以電路輸出電壓范圍最好控制在0.1~2.5V。電路輸出的電壓范圍要低于采集基準(zhǔn)電壓，由式（1）可以看出輸出電壓的大小是由反饋電阻和傳感器電阻共同來(lái)決定的。在對(duì)傳感器測(cè)試中發(fā)現(xiàn)薄膜壓力傳感器的阻值Rs范圍在10kΩ~10MΩ之間變化，為使檢測(cè)范圍增大，設(shè)計(jì)應(yīng)選擇比傳感器最小值略低的電阻值，故取電阻值為8kΩ，輸出電壓為2.5V，代入式（1）中，可得電路中Rf的值為200kΩ。

1.2信號(hào)濾波電路的設(shè)計(jì)與分析

基于薄膜壓力傳感器的多路選通信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)完成之后，試驗(yàn)通過(guò)示波器在硬件上對(duì)驅(qū)動(dòng)電路中的傳感器信號(hào)進(jìn)行特征觀察，如圖3所示。由圖3可知信號(hào)中存在著較多的噪聲，故需對(duì)信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行濾波電路設(shè)計(jì)以最大限度降低噪聲。同時(shí)，在各個(gè)通道切換過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)電壓尖峰，這是各個(gè)通道的直流電平不同導(dǎo)致的，測(cè)試系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)過(guò)程中，可在通道切換后延時(shí)一段時(shí)間，然后再進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，這樣就可以避免電壓尖峰影響采集信號(hào)的準(zhǔn)確性。采用在AD采集端前加入一階低通濾波器以進(jìn)行硬件去噪處理，硬件電路如圖2所示。對(duì)信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行復(fù)頻域分析，計(jì)算其傳遞函數(shù)，通過(guò)傳遞函數(shù)獲得系統(tǒng)的頻率特性進(jìn)而對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)識(shí)別。運(yùn)放電路未加濾波器時(shí)其傳遞函數(shù)為：在加入一階低通濾波器后，系統(tǒng)傳遞函數(shù)為：由公式結(jié)構(gòu)上可知該系統(tǒng)傳遞函數(shù)結(jié)構(gòu)是由一個(gè)比例環(huán)節(jié)和慣性環(huán)節(jié)組成，慣性環(huán)節(jié)的特點(diǎn)為輸出響應(yīng)需要一  定的時(shí)間才能達(dá)到穩(wěn)態(tài)值，故對(duì)突變的輸入來(lái)說(shuō)輸出不能立即復(fù)現(xiàn)。式中Rf為反饋電阻，大小為200kΩ，電容C=0.1μF。當(dāng)電阻輸出為2.5V時(shí)，此時(shí)傳感器電阻為8kΩ，將數(shù)值代入式（3）后得到：當(dāng)傳感器無(wú)負(fù)載時(shí)其阻值可視為無(wú)窮大，傳感器阻值隨著壓力增大而減小。檢測(cè)系統(tǒng)中對(duì)傳感器進(jìn)行了預(yù)壓力加載，當(dāng)傳感器阻值降到2MΩ時(shí)認(rèn)為電阻上已受力。故將2MΩ作為傳感器電阻最大值代入式（3）后可得：驅(qū)動(dòng)電路在加入低通濾波器后，由圖4可知其截止頻率為1.58kHz，圖5的截止頻率為1.6kHz。故在電路中可認(rèn)為1.6kHz以上的信號(hào)被過(guò)濾掉了。信號(hào)的最大頻率為1.6kHz，為使采集的信號(hào)不失真需滿(mǎn)足采樣定律，即采樣頻率應(yīng)大于信號(hào)頻率2倍，而選用的單片機(jī)最高采樣頻率可達(dá)到200kHz，故完全可以滿(mǎn)足采樣要求。采集信號(hào)接入濾波模塊時(shí)，使用示波器對(duì)采集電壓進(jìn)行觀察，如圖6所示。前后對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，采集信號(hào)經(jīng)濾波器后能較良好地去除噪聲，高頻噪聲被有效地去除且采集的數(shù)字電壓信號(hào)幾乎沒(méi)有什么波動(dòng)，故設(shè)計(jì)的硬件系統(tǒng)能達(dá)到測(cè)量要求，能對(duì)信號(hào)進(jìn)行有效不失真的采集。

2結(jié)束語(yǔ)

基于薄膜壓力傳感器，設(shè)計(jì)傳感器信號(hào)驅(qū)動(dòng)電路、多路選通信號(hào)電路以及濾波電路，并求出濾波電路的截止頻率，可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)有效不失真的采集。在對(duì)電氣連接器是否縮針工況進(jìn)行信號(hào)采集時(shí)，首先將壓阻傳感器集成到同相放大電路中，對(duì)壓阻信號(hào)進(jìn)行一定程度的放大，以便于和單片機(jī)AD采集模塊匹配，通過(guò)電子模擬開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)多個(gè)通道共用一個(gè)放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，該信號(hào)采集電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，檢測(cè)效率較高，具有較強(qiáng)的理論和實(shí)踐意義。后續(xù)可以考慮將傳感器信號(hào)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)成程控放大的形式，實(shí)現(xiàn)在軟件中對(duì)放大系數(shù)的控制，同時(shí)可將濾波電路進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高信號(hào)采集系統(tǒng)的精度。

參考文獻(xiàn)：

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作者：馮新穎 趙世紅 單位：南京中車(chē)浦鎮(zhèn)城軌車(chē)輛有限責(zé)任公司