仪器化冲击试验机锤刃传感器信号调理系统设计

吴倩颖，类成华，孙继松，陈 宁

(钢研纳克检测技术股份有限公司，北京 100084)

1 引 言

摆锤式冲击试验机用于测量金属材料在动态负荷下的抗冲击能力，在金属测试领域有着广泛的应用。普通的冲击试验机只能按照能量守恒定律，测量试样断裂后的吸收功，定性反映材料的抗冲击性能。而仪器化冲击试验机可以记录整个冲击过程中的力值、位移数据，计算曲线的力值特征点、位移特征点、能量特征点，从而定量测量材料的弹性特征、塑性特征和断裂性能参数，反映材料的韧脆性质，推动材料研究的进一步发展。仪器化冲击试验机实现冲击力值的采集，最重要的部分就是由锤刃传感器、信号调理放大系统、AD采集板卡等组成的力值信号测量系统，如图1所示。

图1 冲击力测量系统

其中，由于锤刃传感器的高灵敏度、易受干扰的特性，对信号调理系统的设计要求较高。普通的仪表放大器应用在仪器化冲击试验机锤刃传感器信号调理系统中，采集的力值信号噪声干扰较大，或者在响应频率、采集频率上无法满足要求。本文利用ADI公司的一款高速仪表放大器设计信号调理系统，具有响应频率快、抗干扰能力强等优势，可充分满足仪器化冲击试验机力值采集的要求。

2 力值采集系统指标要求

仪器化冲击试验机锤刃传感器为典型的应变式电阻传感器，由应变片组成全桥电路，测量微小机械变化量。仪器化冲击试验机需要在几毫秒时间内测量到锤刃传感器的受力，因此锤刃传感器的采集系统需要能够高速采集传感器的力值信号。根据《钢材 夏比V型缺口摆锤冲击试验 仪器化试验方法》(GB/T 19748-2005)[1]的规定，对于动态信号的记录，其采样频率必须为250kHz(4μs)以上，推荐采用12位模拟数字转换器。本文所述的信号调理电路及后面的AD采集卡的采样频率都在1MHz以上，远远高于国标中的要求。

3 信号调理系统硬件设计

本文以ADI公司的低功耗高速放大芯片为核心设计传感器信号调理电路。该芯片是一款低成本、低功耗、极低噪声、超低偏置电流的高速仪表放大器，特别适合各种信号调理和数据采集使用。这款产品具有极高的共模抑制比(CMRR)，可以在宽温度范围内提取淹没在高频共模噪声中的低电平信号。该芯片的带宽为10MHz，压摆率为35V/μs，0.001%(G=10)建立时间为0.6μs，能够放大高速信号，即便是在高增益的情况下，电流反馈构架也能保证高性能。例如，当G=100时，带宽为2MHz，建立时间为0.8μs。同时，该芯片具有出色的失真性能，适合振动分析等要求苛刻的应用。

锤刃传感器的信号调理系统设计分为电源设计和传感器信号放大电路设计两部分。其中，电源设计的主要目标是完成电源电压的转换和滤波，为高速放大器提供低噪声稳定电源；传感器信号放大电路设计以ADI公司的高速放大芯片为核心，完成锤刃传感器信号的滤波、放大和输出电阻的匹配。

3.1 电源设计

仪器化冲击试验机的锤刃传感器具有很高的灵敏度，输出很小的电压信号，微小的电压信号易受到外界环境的干扰，因此对电源的性能要求很高。电源部分由220V交流直接供电，通过变压器和整流桥后，将整流后的电压接到稳压芯片LT1962和LT1964上，输出稳定的±5V电压为传感器信号放大芯片提供稳定电源。LT1962是一款低噪声低压差的正线性稳压器，可提供300mA的输出电流，低压差电压可达270mV,静态电流为30μA[2],采用其中的5V输出电压。LT1962稳压器的最大特点是低噪声，附加0.01μF的旁路电容使用，输出噪声低至20μVRMS(10Hz至100kHz)。LT1964为低噪声低压差负电压稳压器，性能与LT1962类似，用于输出-5V电压，与LT1962一起使用，为传感器放大芯片提供10V电压。电路原理图如图2所示。

图2 电源设计电路

3.2 电路设计

传感器信号调理电路以ADI高速放大器为核心设计电路，该芯片的主要性能指标如下。

低功耗：最大电源电流2.3mA。

交流特性：带宽10MHz(G=1)；带宽2MHz(G=100)；0.001%建立时间：0.6μs(G=10)；CMRR：80dB(20kHz,G=1)；压摆率：35V/μs。

直流性能：CMRR 94dB(最小值，G=1)；输入失调电压漂移 0.2μV/℃(最大值)；最大增益漂移 1ppm/℃(G=1)；输入偏置电流 500pA(最大值)。

输入过压保护可超过反向电源40V；±2.5V至±18V双电源供电(5V至36V单电源供电)；增益通过单个电阻设置(G=1至10000)。

以该芯片为核心的传感器信号调理电路如图3所示。

图3 信号调理电路

输入采用低通滤波网络，用于滤除高频噪声信号。电阻R8用于确定系统的增益，系统增益与电阻R8的计算公式：R8=9.9kΩ/(G-1)，其中G为系统需要的增益值。

根据锤刃传感器的灵敏度，高速放大器的供电电压以及后续的AD采集板卡的电压输入范围，将该系统的系统增益定为100，故R8的值计算为100Ω，选用1%精度的电阻。

4 测试结果

目前，该锤刃传感器信号调理系统已运用在钢研纳克检测技术股份有限公司的仪器化冲击试验机上，与后端AD采集板卡配合使用，形成了完整的信号采集系统。国家标准《钢材 夏比V型缺口摆锤冲击试验 仪器化试验方法》(GB/T 19748-2005)要求由力传感器、放大器及记录仪等组成的力值测量系统，至少应有100kHz的响应频率。对于钢试样，其信号上升时间应不大于3.5μs。冲击力测量系统的动态响应的评定，可通过测量力-时间或力-位移曲线上第一个峰值对应的载荷值进行简化。经验表明，对于钢材V型缺口试样，当试样接触点到锤刃应变片中心的距离为11mm～15mm,且冲击速度为5m/s～5.5m/s,如果第一个载荷峰值大于8kN，则认为冲击力测量系统的动态响应符合仪器化冲击试验要求[3]。

下面选取该力值测量系统的试验结果进行分析，分别选取低能量、中能量、高能量、超高能量试样的结果进行分析。试样均来自客户现场的测试试样，选择的采集频率为1MHz，得到未经处理的力-时间原始曲线，如图4-图7所示。

图4 低能量试样力-时间曲线

图5 中能量试样力-时间曲线

图6 高能量试样力-时间曲线

通过对不同特性试样的冲击力进行采集，可以看出，4条原始力值-时间曲线第一个峰值的载荷均大于8kN，符合国标中对冲击力测量系统的动态响应要求。同时，采集频率是从1MHz到20MHz可选，采集频率远远高于国家标准的要求。从曲线中可以看出， 系统的噪声干扰很小， 为后续曲线的处理和拟合、特征点的计算奠定了很好的硬件基础，使测量数据更加准确可靠。

图7 超高能量试样力-时间曲线

5 结 论

目前，该传感器信号调理电路和后置的AD采集板卡配合使用，已成功运用在钢研纳克检测技术股份有限公司仪器化冲击试验机上。通过测试人员的反复测试和在客户现场对不同性能材料的冲击试验，结果表明，该系统完全符合国家标准中对冲击力测量系统的要求，具有优越的性能，为冲击力值测试提供了稳定、准确、可靠的试验装备。