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[摘 要]对螺旋压力机压力信号测量与最大压力显示系统进行了研究.在硬件设计上采取多种措施，解决了微小信号萃取、避免外界干扰、高增益信号稳定及快速采集瞬间信号并保持峰值等问题.设计的电路对一般微小信号处理、峰值采集及显示具有参考价值.
[关键词]压力测量；微小信号；电路设计；峰值采集
中图分类号：TP311.52 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2019）09-0102-01
压力测量大量应用在机械加工、产品称重和容器压力检测中.根据不同的测量对象，所采取的方法也各有不同.螺旋压力机兼有模锻锤、机械压力机等多种锻压机械的作用，万能性强，可用于模锻、冲裁、拉深等工艺.本文研究的压力测量系统是对机械加工中螺旋压力机的最大压力测量，并保持其峰值.
测试此类信号需要采集系统在预定值到达时能迅速反应，从而采集到有效信号，并在停止打击期间不采集信号，因此，通常采用平衡电桥作为压力传感器，但其信号非常微弱，约为几十微伏.由于工作现场环境恶劣，因此保障差模信号的快速萃取、去除共模信号和抗外界电磁干扰，使设备稳定工作是要重点考虑的问题。
1电阻应变片的灵敏度
根据螺旋压力机的工作方式，其单次打击的“速度—变形”曲线是一个离散的尖峰脉冲信号，
脉冲宽度在0.1s以内，对于这种瞬间出现的峰值信号，根据机械加工领域的传统经验，大多采用平衡电桥传感器检测压力值.常见的压力应变电阻有金属导体电阻和半导体扩散硅电阻。金属电阻阻值为R=ρLA金属导体电阻受压或受拉时，在力的作用下，电阻的长度L、截面积A和电阻率ρ均可发生变化，从而引起电阻的变化.电阻的相对变化量与其他3个量相对变化率的关系为如果选择半导体材料的应变电阻，其灵敏系数KS=（50～80）Km，比应变电阻效应要更大些.但半导体应变电阻的温度系数比金属或合金材料电阻的温度系数高1～3个数量级，更容易产生桥路零点漂移和灵敏度漂移，使测量产生误差，此误差对微小信号的影响将是致命的.因此，比较后选择金属导体电阻为桥路电阻.由此可见，压力和温度变化都可引起平衡电桥的不平衡，因此桥路的安装位置应是压力机打压时变形敏感部位，以最大可能地得到压力的变化值，并尽可能远离热加工部件.在现场局限条件下，对电桥电路采取温度补偿设计，使采集的信号更准确地反映压力变化值.
2平衡电桥的设计
采用全桥设计灵敏度高，差动信号输出可以有效地改善电桥的温度误差、非线性误差.图1为带有提高共模抑制比的平衡电桥电路设计.
与桥路电阻的变化为线性关系，此电压反映了压力变化的差模信号[1].
图1中的RA，RB以及电容C的作用是滤除桥路周围各种干扰信号的进入，提高壓力差模信号的萃取。为减少电磁干扰，采用绞股线将桥路连接至信号处理模块，使信号回路面积尽可能小。
3信号处理与峰值保持
平衡电桥的输出信号即使采取了上述方法去除一定的干扰，但仍含有较大的共模信号，因而需使用差动放大芯片作为信号检测。
3.1信号调理电路设计
AD521为具有差分输入和精确可编程输入/输出增益的仪用放大模块.放大增益Af=Rs/Rg=100kΩ/100Ω，可达到1000倍，从而可将微伏级的压力信号放大至毫伏，再经二级放大与数字处理器匹配.通常将Rs固定为100kΩ，Rg在0.1～100kΩ范围可调.由器件参数可知，AD521可以满足压力机滑块打击的瞬态信号检测，适合作为动态测量信号萃取的初级放大器.用仪用放大芯片AD521实现检测压力差动信号的电路设计如图2所示[2-3].
3.2峰值保持电路设计
在检测压力最大值的数据时，采用PKD01芯片设计峰值保持电路.PKD01芯片是跨导型运算放大器，因而具有响应速度快、通频带宽、线性度好、峰值保持精度高等优点。对于瞬变脉冲的峰值信号，通过选择适当的外接保持电容即可快速、准确地检测并保持峰值脉冲数值，直至发送RST复位信号进行清除为止.其电路设计如图3所示.
4测试结果显示
在控制要求不高、现场条件恶劣或户外使用的情况下，峰值保持电路后级采用外购智能仪表显示压力值的设计方案，不失为一种最经济、便捷的方法.智能仪表是生产现场较常用的一种简单控制数字显示仪表，对于信号前期要求不高，可适用多种不同电压输入信号及电流信号.可通过对智能仪表的参数设置（如测量上限、测量下限、报警上限、报警下限、小数点位置、输入信号类型等），满足测量信号的要求。一组校正信号的测量结果，由数据表明，测量结果与信号电压线性度非常吻合，达到设计显示要求。
5结语
本文通过对螺旋压力机压力测试及最大值显示系统的电路硬件设计与实现，主要解决了微小信号的检测和处理的关键问题.采取特殊设计与外购部件的有效配置方案，以最小最简方式设计和实现了压力检测及显示系统的研制.当然，也可采取数据采集卡与计算机连接，通过软件程序显示压力信号并保持峰值显示.
参考文献：
[1]冯仪.数控电动螺旋压力机控制与检测技术研究[D].武汉：华中科技大学，2009.
[2]高歌.AltiumDesigner电子设计应用教程[M].北京：清华大学出版社，2011.
[3]李树楠.高精度数据采集放大器AD522及其应用[J].国外电子元器件，2001（7）：41-43.
[关键词]压力测量；微小信号；电路设计；峰值采集
中图分类号：TP311.52 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2019）09-0102-01
压力测量大量应用在机械加工、产品称重和容器压力检测中.根据不同的测量对象，所采取的方法也各有不同.螺旋压力机兼有模锻锤、机械压力机等多种锻压机械的作用，万能性强，可用于模锻、冲裁、拉深等工艺.本文研究的压力测量系统是对机械加工中螺旋压力机的最大压力测量，并保持其峰值.
测试此类信号需要采集系统在预定值到达时能迅速反应，从而采集到有效信号，并在停止打击期间不采集信号，因此，通常采用平衡电桥作为压力传感器，但其信号非常微弱，约为几十微伏.由于工作现场环境恶劣，因此保障差模信号的快速萃取、去除共模信号和抗外界电磁干扰，使设备稳定工作是要重点考虑的问题。
1电阻应变片的灵敏度
根据螺旋压力机的工作方式，其单次打击的“速度—变形”曲线是一个离散的尖峰脉冲信号，
脉冲宽度在0.1s以内，对于这种瞬间出现的峰值信号，根据机械加工领域的传统经验，大多采用平衡电桥传感器检测压力值.常见的压力应变电阻有金属导体电阻和半导体扩散硅电阻。金属电阻阻值为R=ρLA金属导体电阻受压或受拉时，在力的作用下，电阻的长度L、截面积A和电阻率ρ均可发生变化，从而引起电阻的变化.电阻的相对变化量与其他3个量相对变化率的关系为如果选择半导体材料的应变电阻，其灵敏系数KS=（50～80）Km，比应变电阻效应要更大些.但半导体应变电阻的温度系数比金属或合金材料电阻的温度系数高1～3个数量级，更容易产生桥路零点漂移和灵敏度漂移，使测量产生误差，此误差对微小信号的影响将是致命的.因此，比较后选择金属导体电阻为桥路电阻.由此可见，压力和温度变化都可引起平衡电桥的不平衡，因此桥路的安装位置应是压力机打压时变形敏感部位，以最大可能地得到压力的变化值，并尽可能远离热加工部件.在现场局限条件下，对电桥电路采取温度补偿设计，使采集的信号更准确地反映压力变化值.
2平衡电桥的设计
采用全桥设计灵敏度高，差动信号输出可以有效地改善电桥的温度误差、非线性误差.图1为带有提高共模抑制比的平衡电桥电路设计.
与桥路电阻的变化为线性关系，此电压反映了压力变化的差模信号[1].
图1中的RA，RB以及电容C的作用是滤除桥路周围各种干扰信号的进入，提高壓力差模信号的萃取。为减少电磁干扰，采用绞股线将桥路连接至信号处理模块，使信号回路面积尽可能小。
3信号处理与峰值保持
平衡电桥的输出信号即使采取了上述方法去除一定的干扰，但仍含有较大的共模信号，因而需使用差动放大芯片作为信号检测。
3.1信号调理电路设计
AD521为具有差分输入和精确可编程输入/输出增益的仪用放大模块.放大增益Af=Rs/Rg=100kΩ/100Ω，可达到1000倍，从而可将微伏级的压力信号放大至毫伏，再经二级放大与数字处理器匹配.通常将Rs固定为100kΩ，Rg在0.1～100kΩ范围可调.由器件参数可知，AD521可以满足压力机滑块打击的瞬态信号检测，适合作为动态测量信号萃取的初级放大器.用仪用放大芯片AD521实现检测压力差动信号的电路设计如图2所示[2-3].
3.2峰值保持电路设计
在检测压力最大值的数据时，采用PKD01芯片设计峰值保持电路.PKD01芯片是跨导型运算放大器，因而具有响应速度快、通频带宽、线性度好、峰值保持精度高等优点。对于瞬变脉冲的峰值信号，通过选择适当的外接保持电容即可快速、准确地检测并保持峰值脉冲数值，直至发送RST复位信号进行清除为止.其电路设计如图3所示.
4测试结果显示
在控制要求不高、现场条件恶劣或户外使用的情况下，峰值保持电路后级采用外购智能仪表显示压力值的设计方案，不失为一种最经济、便捷的方法.智能仪表是生产现场较常用的一种简单控制数字显示仪表，对于信号前期要求不高，可适用多种不同电压输入信号及电流信号.可通过对智能仪表的参数设置（如测量上限、测量下限、报警上限、报警下限、小数点位置、输入信号类型等），满足测量信号的要求。一组校正信号的测量结果，由数据表明，测量结果与信号电压线性度非常吻合，达到设计显示要求。
5结语
本文通过对螺旋压力机压力测试及最大值显示系统的电路硬件设计与实现，主要解决了微小信号的检测和处理的关键问题.采取特殊设计与外购部件的有效配置方案，以最小最简方式设计和实现了压力检测及显示系统的研制.当然，也可采取数据采集卡与计算机连接，通过软件程序显示压力信号并保持峰值显示.
参考文献：
[1]冯仪.数控电动螺旋压力机控制与检测技术研究[D].武汉：华中科技大学，2009.
[2]高歌.AltiumDesigner电子设计应用教程[M].北京：清华大学出版社，2011.
[3]李树楠.高精度数据采集放大器AD522及其应用[J].国外电子元器件，2001（7）：41-43.