吳倩穎，類成華，孫繼松，陳 寧

(鋼研納克檢測技術(shù)股份有限公司，北京 100084)

1 引 言

擺錘式?jīng)_擊試驗機用于測量金屬材料在動態(tài)負荷下的抗沖擊能力，在金屬測試領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。普通的沖擊試驗機只能按照能量守恒定律，測量試樣斷裂后的吸收功，定性反映材料的抗沖擊性能。而儀器化沖擊試驗機可以記錄整個沖擊過程中的力值、位移數(shù)據(jù)，計算曲線的力值特征點、位移特征點、能量特征點，從而定量測量材料的彈性特征、塑性特征和斷裂性能參數(shù)，反映材料的韌脆性質(zhì)，推動材料研究的進一步發(fā)展。儀器化沖擊試驗機實現(xiàn)沖擊力值的采集，最重要的部分就是由錘刃傳感器、信號調(diào)理放大系統(tǒng)、AD采集板卡等組成的力值信號測量系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 沖擊力測量系統(tǒng)

其中，由于錘刃傳感器的高靈敏度、易受干擾的特性，對信號調(diào)理系統(tǒng)的設(shè)計要求較高。普通的儀表放大器應(yīng)用在儀器化沖擊試驗機錘刃傳感器信號調(diào)理系統(tǒng)中，采集的力值信號噪聲干擾較大，或者在響應(yīng)頻率、采集頻率上無法滿足要求。本文利用ADI公司的一款高速儀表放大器設(shè)計信號調(diào)理系統(tǒng)，具有響應(yīng)頻率快、抗干擾能力強等優(yōu)勢，可充分滿足儀器化沖擊試驗機力值采集的要求。

2 力值采集系統(tǒng)指標(biāo)要求

儀器化沖擊試驗機錘刃傳感器為典型的應(yīng)變式電阻傳感器，由應(yīng)變片組成全橋電路，測量微小機械變化量。儀器化沖擊試驗機需要在幾毫秒時間內(nèi)測量到錘刃傳感器的受力，因此錘刃傳感器的采集系統(tǒng)需要能夠高速采集傳感器的力值信號。根據(jù)《鋼材 夏比V型缺口擺錘沖擊試驗 儀器化試驗方法》(GB/T 19748-2005)[1]的規(guī)定，對于動態(tài)信號的記錄，其采樣頻率必須為250kHz(4μs)以上，推薦采用12位模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器。本文所述的信號調(diào)理電路及后面的AD采集卡的采樣頻率都在1MHz以上，遠遠高于國標(biāo)中的要求。

3 信號調(diào)理系統(tǒng)硬件設(shè)計

本文以ADI公司的低功耗高速放大芯片為核心設(shè)計傳感器信號調(diào)理電路。該芯片是一款低成本、低功耗、極低噪聲、超低偏置電流的高速儀表放大器，特別適合各種信號調(diào)理和數(shù)據(jù)采集使用。這款產(chǎn)品具有極高的共模抑制比(CMRR)，可以在寬溫度范圍內(nèi)提取淹沒在高頻共模噪聲中的低電平信號。該芯片的帶寬為10MHz，壓擺率為35V/μs，0.001%(G=10)建立時間為0.6μs，能夠放大高速信號，即便是在高增益的情況下，電流反饋構(gòu)架也能保證高性能。例如，當(dāng)G=100時，帶寬為2MHz，建立時間為0.8μs。同時，該芯片具有出色的失真性能，適合振動分析等要求苛刻的應(yīng)用。

錘刃傳感器的信號調(diào)理系統(tǒng)設(shè)計分為電源設(shè)計和傳感器信號放大電路設(shè)計兩部分。其中，電源設(shè)計的主要目標(biāo)是完成電源電壓的轉(zhuǎn)換和濾波，為高速放大器提供低噪聲穩(wěn)定電源；傳感器信號放大電路設(shè)計以ADI公司的高速放大芯片為核心，完成錘刃傳感器信號的濾波、放大和輸出電阻的匹配。

3.1 電源設(shè)計

儀器化沖擊試驗機的錘刃傳感器具有很高的靈敏度，輸出很小的電壓信號，微小的電壓信號易受到外界環(huán)境的干擾，因此對電源的性能要求很高。電源部分由220V交流直接供電，通過變壓器和整流橋后，將整流后的電壓接到穩(wěn)壓芯片LT1962和LT1964上，輸出穩(wěn)定的±5V電壓為傳感器信號放大芯片提供穩(wěn)定電源。LT1962是一款低噪聲低壓差的正線性穩(wěn)壓器，可提供300mA的輸出電流，低壓差電壓可達270mV,靜態(tài)電流為30μA[2],采用其中的5V輸出電壓。LT1962穩(wěn)壓器的最大特點是低噪聲，附加0.01μF的旁路電容使用，輸出噪聲低至20μVRMS(10Hz至100kHz)。LT1964為低噪聲低壓差負電壓穩(wěn)壓器，性能與LT1962類似，用于輸出-5V電壓，與LT1962一起使用，為傳感器放大芯片提供10V電壓。電路原理圖如圖2所示。

圖2 電源設(shè)計電路

3.2 電路設(shè)計

傳感器信號調(diào)理電路以ADI高速放大器為核心設(shè)計電路，該芯片的主要性能指標(biāo)如下。

低功耗：最大電源電流2.3mA。

交流特性：帶寬10MHz(G=1)；帶寬2MHz(G=100)；0.001%建立時間：0.6μs(G=10)；CMRR：80dB(20kHz,G=1)；壓擺率：35V/μs。

直流性能：CMRR 94dB(最小值，G=1)；輸入失調(diào)電壓漂移 0.2μV/℃(最大值)；最大增益漂移 1ppm/℃(G=1)；輸入偏置電流 500pA(最大值)。

輸入過壓保護可超過反向電源40V；±2.5V至±18V雙電源供電(5V至36V單電源供電)；增益通過單個電阻設(shè)置(G=1至10000)。

以該芯片為核心的傳感器信號調(diào)理電路如圖3所示。

圖3 信號調(diào)理電路

輸入采用低通濾波網(wǎng)絡(luò)，用于濾除高頻噪聲信號。電阻R8用于確定系統(tǒng)的增益，系統(tǒng)增益與電阻R8的計算公式：R8=9.9kΩ/(G-1)，其中G為系統(tǒng)需要的增益值。

根據(jù)錘刃傳感器的靈敏度，高速放大器的供電電壓以及后續(xù)的AD采集板卡的電壓輸入范圍，將該系統(tǒng)的系統(tǒng)增益定為100，故R8的值計算為100Ω，選用1%精度的電阻。

4 測試結(jié)果

目前，該錘刃傳感器信號調(diào)理系統(tǒng)已運用在鋼研納克檢測技術(shù)股份有限公司的儀器化沖擊試驗機上，與后端AD采集板卡配合使用，形成了完整的信號采集系統(tǒng)。國家標(biāo)準(zhǔn)《鋼材 夏比V型缺口擺錘沖擊試驗 儀器化試驗方法》(GB/T 19748-2005)要求由力傳感器、放大器及記錄儀等組成的力值測量系統(tǒng)，至少應(yīng)有100kHz的響應(yīng)頻率。對于鋼試樣，其信號上升時間應(yīng)不大于3.5μs。沖擊力測量系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)的評定，可通過測量力-時間或力-位移曲線上第一個峰值對應(yīng)的載荷值進行簡化。經(jīng)驗表明，對于鋼材V型缺口試樣，當(dāng)試樣接觸點到錘刃應(yīng)變片中心的距離為11mm～15mm,且沖擊速度為5m/s～5.5m/s,如果第一個載荷峰值大于8kN，則認為沖擊力測量系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)符合儀器化沖擊試驗要求[3]。

下面選取該力值測量系統(tǒng)的試驗結(jié)果進行分析，分別選取低能量、中能量、高能量、超高能量試樣的結(jié)果進行分析。試樣均來自客戶現(xiàn)場的測試試樣，選擇的采集頻率為1MHz，得到未經(jīng)處理的力-時間原始曲線，如圖4-圖7所示。

圖4 低能量試樣力-時間曲線

圖5 中能量試樣力-時間曲線

圖6 高能量試樣力-時間曲線

通過對不同特性試樣的沖擊力進行采集，可以看出，4條原始力值-時間曲線第一個峰值的載荷均大于8kN，符合國標(biāo)中對沖擊力測量系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)要求。同時，采集頻率是從1MHz到20MHz可選，采集頻率遠遠高于國家標(biāo)準(zhǔn)的要求。從曲線中可以看出， 系統(tǒng)的噪聲干擾很小， 為后續(xù)曲線的處理和擬合、特征點的計算奠定了很好的硬件基礎(chǔ)，使測量數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確可靠。

圖7 超高能量試樣力-時間曲線

5 結(jié) 論

目前，該傳感器信號調(diào)理電路和后置的AD采集板卡配合使用，已成功運用在鋼研納克檢測技術(shù)股份有限公司儀器化沖擊試驗機上。通過測試人員的反復(fù)測試和在客戶現(xiàn)場對不同性能材料的沖擊試驗，結(jié)果表明，該系統(tǒng)完全符合國家標(biāo)準(zhǔn)中對沖擊力測量系統(tǒng)的要求，具有優(yōu)越的性能，為沖擊力值測試提供了穩(wěn)定、準(zhǔn)確、可靠的試驗裝備。