头盔冲击试验台传感器与信号调理模块的研究

摘要

目前，市面上出售的各式头盔中，很多质量都不能达到国家的安全标准，人们佩带劣质头盔就失去了安全防护的作用。检测头盔质量的头盔冲击试验台采集头盔上承受的冲击力强度物理量后，所得到的信号必须经过信号调理才能保证后续处理的准确性和可靠性。结合头盔冲击试验台中信号的特点，本论文主要对传感器和信号调理电路进行了一定的研究，并具体实现。 在头盔冲击试验台中，将钢锤放在头盔上方lm的地方，让它作落体运动，冲击头盔。冲击产生的冲击力通过传感器转化为电信号。为了更好地转化冲击产生的冲击力，使用的传感器要合理，这里选用的传感器是由箔式应变片搭建的惠斯登电桥电路。这种测量电路具有很高的灵敏度，而且具有测量范围宽、电路结构简单、精度高、容易实现温度补偿等优点，能很好的满足应变测量的要求。 从传感器出来的电信号非常微弱，需要经过信号调理模块将其调理成数据采集芯片中模数转换能够识别的范围。信号调理模块包括放大电路，滤波电路，隔离电路等的设计。在本论文中，针对头盔冲击试验中传感器输出信号微弱的特点，放大电路使用的是仪用放大器，在本文中选用的是AD620；由于信号频率集中在低频段，滤波电路采用的是二阶RC有源低通滤波电路，较好地解决了无源滤波器在低频范围使用时体积大的问题，更为重要的是二阶RC有源滤波器在通带内有稳定的增益和很强的带负载能力；信号调理的最后部分是隔离电路，本论文中的隔离电路使用惠普(HP)公司的高线性模拟光耦HCNR200来实现，它是利用线性模拟光耦的功能来完成对干扰信号的有效隔离。 微弱的电信号经过调理模块后，与数据采集系统中模数转换(ADC)的输入范围相匹配，从而提高数据采集系统的准确性和可靠性，以便对数据进行分析。在本论文中，数据采集部分是选用C8051F020芯片来实现。使用该芯片上集成的12位ADC模块将输入的电信号(即调理后的信号)转换成数字信号，然后对该信号进行相关的处理。 从数据采集系统出来的数据经过软件处理后，对数据进行分析就可以判断该头盔是否符合国家标准头盔的质量要求。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章引言

1.1课题背景和意义

1.2国内外相关试验台的现状与前景

1.3头盔冲击试验台研究的内容

1.4本论文研究的主要内容

第2章传感器的性能分析与选择

2.1传感器的相关概念

2.1.1传感器的静态特性

2.1.2传感器的动态特性

2.1.3传感器的对外接口及其它指标

2.2传感器选择原则

2.3几种主要压力传感器及特点

2.4应变式力传感器

2.4.1应变片的形式

2.4.2应变片工作原理

2.4.3箔式应变片的优点

2.5金属应变压力传感器的稳定性

2.6金属应变压力传感器的特性

2.7惠斯登电桥电路

2.8误差来源

第3章信号调理电路的设计

3.1放大电路的设计

3.1.1放大器的选用

3.1.2仪用放大器的特点

3.1.3放大电路的设计

3.2滤波电路的设计

3.2.1滤波器介绍

3.2.2滤波电路及其传递函数

3.2.3滤波器电路元件参数的设计与计算

3.3隔离

3.3.1隔离的概念

3.3.2 HCNR200内部结构

3.3.3基本工作原理

第4章数据采集系统

4.1数据采集与数据采集系统

4.2数据采集的任务

4.3 C8051F020介绍

4.3.1单片机的选择

4.3.2与8051完全兼容的C8051F020

4.3.3 12位模/数转换器

4.3.4 C8051F020 ADC的特征

4.3.5 C8051F020ADC的实际应用

第5章试验数据分析

第6章小结

参考文献

致谢

附录