摘要：头盔冲击试验台是用来检测生产出来的头盔是否符合国家的安全标准。在头盔冲击试验台中，重物落到头盔上有冲击力，传感器将力信号转化成电信号后，调理电路将微弱的电信号进行调理，使从传感器出来的信号满足数据采集系统中模数转换的范围。调理电路包括集成放大器AD524，四阶低通滤波器，隔离，线性化等。这个试验台的传感器信号调理模块不需要市场上功能繁多的调理模块，容易自己实现。
关键词：信号调理；应变片；放大；滤波
中图分类号：TP271+.6 文献标识码：A文章编号：1009-3044(2007)05-11388-02
1 引言
头盔冲击试验台是用来检测头盔是否符合国家的安全标准，头盔冲击试验台利用标准重锤的自由落体产生的重力完成对头盔的冲击，重物落在头盔产生的信号是冲击力，冲击力通过传感器转化为电参数，但是从传感器出来的电参数很微弱，并且受到噪声、失调和增益误差的影响，在电信号送到采集系统处理之前，必须先将信号进行处理，即信号调理，使信号与数据采集系统中的模数转换的输入范围相匹配，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。整个冲击试验台的基本过程如图一，本文主要讨论的是传感器的选择和信号调理模块这两个部分。
图1 试验台的原理框图
2 传感器的选择
传感器的特性是信号调理电路所需考虑的主要因素。传感器将被测的物理量转换为数据采集系统能测量到的电信号。 如力传感器，是利用某些材料受力变形后电阻值发生变化的原理制成的敏感元件；又如温度传感器，通过热传导对流原理达到热平衡，这时的示值即为被测对象的温度。选用不同的传感器，可以完成对不同物理量的测试。在头盔冲击试验台中，是力参数转化为电参数，所以选用力传感器，在这里采用金属电阻应变片。将应变片贴在头盔上，重物落在头盔上时头盔有变形，应变片随着头盔的变形一起伸缩，应变片的电阻随着应变片的变形而变化。应变片具有以下特点：
（1）测量范围广；
（2）精度高。高精度传感器的误差可达0.1%或更高；
（3）输出特性的线性度好；
（4）性能稳定，工作可靠；
（5）能在恶劣的环境下工作。
一般应变片的敏感栅使用的是铜铬合金，电阻变化率为常数，与应变成正比例关系，ΔR/R= K*△L/L=K×ε。R为应变片原来的的阻值，ΔR为伸长或压缩所引起的电阻变化，K为比例常数，ε为应变。
要精确地测量微小的电阻变化是非常困难的，一般的电阻计无法达到要求，所以采用惠斯登电桥电路来提高灵敏度。惠斯登电桥电路如图2所示。
图2 惠斯登电桥
RG1、RG2是应变片, R1、R2是固定电阻。通过对惠斯登电桥施加电压VEXC，测量系统就可以测定VMEAS。在无应力状态下，RG1/RG2= R1/R2，VMEAS＝0V，这种情况是电桥平衡。施加力后，应变片的阻值发生了变化，就会导致VMEAS的变化：
电阻电桥输出的电压差分信号（其输出范围从几十到几百毫伏）与传感器受到的压力和对电桥施加的激励电压成比例。
在头盔冲击试验台中，为了能更准确的分析信号，分别在头盔的前后左右四个方向安装四个惠斯登电桥，这样得到的数据更全面。
3 信号调理
信号调理是计算机数据采集和控制系统的重要组成部分，它的前端接现场的各种模拟传感器，后端接模/数换器，即把来自传感器的微弱模拟信号经过可变增益放大电路、滤波电路，再经过隔离和线性化等一系列处理，去掉无用信号，将有用信号处理成数据采集中模/数转换器可以处理的数据范围，提高数据采集系统的准确性和可靠性。
3.1 放大
从传感器出来的信号非常微弱，信号要进行放大以提高分辨率，使信号的最大压值和ADC的最大输入值相等，这样可以提高精度。从传感器输出的信号还包含工频、静电和电磁耦合等共模干扰，这就要求放大电路具有很高的共模抑制比、高增益、性能稳定，尤其是零点漂移、增益、稳定性等指标要求很高，具有这种特点的放大器称为仪用放大器。图三为单运放组成的仪用放大器。
由单运放组成的仪用放大器需要精密匹配的外接电阻，这样才能保证最大的共模抑制比。此外还要考虑放大器的输入电路与传感器的输出阻抗的匹配问题。在头盔冲击试验台中，采用的是集成仪用放大器AD524。AD524是种精确的仪用放大器，适合高精确度的数据采集系统。它具有低的增益误差和高的共模抑制比，当增益为1000时，共模抑制比可达120dB，增益误差最大为±2％。它的非线性误差在±0.01％之内。当增益固定在1,10,100和1000时，AD524不需要外部元器件；可以通过改变外围电路来设置增益，只需一个外部电阻就能设置放大倍数为1～1000，能确保高增益精密放大所需的低失调电压、低失调电压漂移和低噪声等性能指标。
图3 仪用放大器
3.2 滤波
放大后的下一步是滤波。滤波是为了避免模数转换环节对模拟信号采样时产生频谱混叠现象，所以在模数转换环节之前要对信号进行滤波，滤波可以有效的虑除干扰信号，消除噪声信号。在这个测试系统中，重物的自由落体频率主要为 10Hz左右，来自电源线和机械设备的50Hz的干扰是这个系统的主要干扰，所以这个试验台选用低通滤波器，去除50Hz的噪声，让直流、低频交流信号通过。
图四是由运放、电阻和电容搭建的一个二阶低通滤波器。在这个头盔冲击实验台中，采用的是四阶低通滤波器。由两个二阶低通滤波器级联，就可以得到四阶低通滤波器。
图4 二阶低通滤波器
3.3 隔离
隔离也是信号调理中的重要环节。一方面，被测控的系统可能产生瞬时高电压，这一瞬间高压可能会损坏计算机和数据采集系统，从安全的角度考虑，需要将传感器信号同计算机隔离开，使系统得到安全保证。另一方面，信号调理模块通过传感器与现场相连，在传递有效信号给采集系统时，每次都以“地”为基准，如果在两“地”之间存在电位差，就可能导致地环路的产生，从而造成采集的信号不准确；如果电位差太大，可能影响测量系统的安全。带有隔离功能的信号调理电路就允许接地的信号输入，输入和输出存在电位差时，不会损坏仪器，保证测量的安全。因此，隔离是信号调理模块中不可缺少的部分。可以采用变压器、光或电容耦合等方法在被测系统与采集测试系统之间传递信号，避免直接的电流或物理连接，达到隔离的效果。头盔冲击试验台这个测试系统采用的是电容耦合的方法实现隔离的效果。
3.4 线性化
线性化也是调理模块中的一个重要功能。由于传感器中的电信号对于被测对象的变化具有非线性响应，电容耦合也是非线性的，直接使用电信号将使测量结果不准确，因而需要对输出信号进行线性化处理。这个功能是通过系统中的驱动程序和一些应用软件对信号进行线性化处理来实现。
4 结束语
传感器的选择和信号调理模块是头盔冲击试验台中的关键部分，以上是对这两个部分的研究和探讨。头盔冲击试验台的实现对检测头盔的质量很有实际意义，对保障人身安全着重要的作用。
参考文献：
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[2]刘宗玉.基于虚拟仪器的自动测试系统的研究[D].西北工业大学 2001.
[3]罗霄华.计算机数据采集系统的信号调理实现方法[J].山西电子技术 2000(2).
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