應(yīng)變式加速度測試系統(tǒng)與信號處理設(shè)計(jì)

1、應(yīng)變式加速度測試系統(tǒng)與信號處理設(shè)計(jì) 年 級: 學(xué) 號: 姓 名: 專 業(yè): 指導(dǎo)老師: 年 月 測試專業(yè)傳感器與信號處理課程設(shè)計(jì)任務(wù)書本課程設(shè)計(jì)采用低頻應(yīng)變式加速度傳感器為振動(dòng)信號檢出器，對車輛振動(dòng)檢測系統(tǒng)進(jìn)行較全面的設(shè)計(jì)。主要內(nèi)容包括：傳感器設(shè)計(jì)，供橋電源設(shè)計(jì)，信號調(diào)理器設(shè)計(jì)，仿真分析，測試信號分析與處理等。通過該課程設(shè)計(jì)，使同學(xué)們初步掌握傳感器與測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟和方法，以及信號分析與處理的基本技術(shù)，培養(yǎng)同學(xué)們的設(shè)計(jì)能力。一、應(yīng)變式加速度傳感器概念能感受規(guī)定的被測量并按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號輸出的器件或裝置，稱為傳感器，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。應(yīng)變式加速度傳感器是一種低頻傳感器，由彈

2、性梁，質(zhì)量塊，應(yīng)變片及電橋等組成，質(zhì)量塊在加速度作用下，產(chǎn)生慣性力使彈性梁變形來獲取信號，是車輛振動(dòng)測量常用傳感器。二、測試系統(tǒng)的組成1、應(yīng)變式加速度傳感器，檢出振動(dòng)信號；2、供橋電源（恒流源）及系統(tǒng)電源；3、信號調(diào)理器：放大器、濾波器及積分電路等。三、應(yīng)變式加速度傳感器技術(shù)指標(biāo)量程：50 g；頻率范圍：0.01149Hz；非線性誤差：0.05靈敏度：0.001(v/g)外殼尺寸：不大于16mm16mm20mm；重量：不大于15g；供橋電壓：2V24V（DC）。測試系統(tǒng)其它部分的技術(shù)指標(biāo)應(yīng)與傳感器指標(biāo)相匹配。四、設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容1、測試系統(tǒng)2、仿真分析3、測試實(shí)驗(yàn)4、測試信號分析與處理目 錄設(shè)計(jì)

3、計(jì)算1一、加速度測試系統(tǒng)的原理與結(jié)構(gòu)1二、傳感器設(shè)計(jì)11.應(yīng)變式加速度傳感器簡介：12.設(shè)計(jì)計(jì)算：23.設(shè)計(jì)結(jié)果:4三、信號調(diào)理器設(shè)計(jì)51、電橋放大器設(shè)計(jì)：62、 濾波器設(shè)計(jì)93、 積分電路設(shè)計(jì)124、 有效值、峰值檢測電路設(shè)計(jì)17四、供橋電源設(shè)計(jì)211.設(shè)計(jì)指標(biāo)212.小型變壓器設(shè)計(jì)原理213.穩(wěn)壓電路圖主要原件、性能225.電路設(shè)計(jì)、原件選取原則23五、傳感器、信號調(diào)理器電路總成24六、加速度信號測試與信號分析處理251. 振動(dòng)加速度信號測試252. 信號分析處理26七、總結(jié)28附錄 數(shù)據(jù)處理程序29設(shè)計(jì)計(jì)算一、加速度測試系統(tǒng)的原理與結(jié)構(gòu)應(yīng)變式加速度傳感器是一種能夠測量加速度、速度和位移的

4、傳感器。通常由質(zhì)量塊、阻尼器、彈性元件、敏感元件和適調(diào)電路等部分組成。應(yīng)變式加速度傳感器通常是將應(yīng)變片貼在各種彈性敏感元件上組合而成，當(dāng)彈性敏感元件受到外作用力、力矩、壓力、位移加速度等各種參數(shù)作用時(shí)，將產(chǎn)生位移、應(yīng)力和應(yīng)變，此時(shí)，電阻應(yīng)變片就可將其轉(zhuǎn)換為電阻的變化。對于應(yīng)變片材料，當(dāng)沿著一定方向?qū)ζ涫┝Χ顾冃螘r(shí)，內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它的兩個(gè)相對的表面上便產(chǎn)生符號相反的電荷；當(dāng)外力去掉后，又重新恢復(fù)不帶電的狀態(tài)；當(dāng)作用力的方向改變時(shí)，電荷的極性也隨著改變。 當(dāng)振動(dòng)頻率遠(yuǎn)低于傳感器的固有頻率時(shí)，傳感器的輸出電壓與作用力成正比。電信號經(jīng)前置放大器放大，即可由一般測量儀器測試出電壓大小，從

5、而得出物體的加速度。壓電材料可分為壓電晶體和壓電陶瓷兩大類，因壓電陶瓷的壓電系數(shù)比壓電晶體的大，且采用壓電陶瓷制作的壓電式傳感器的靈敏度較高，故本系統(tǒng)壓電元件采用壓電陶瓷，極化方向在厚度方向。當(dāng)加速度傳感器和被測物一起受到?jīng)_擊振動(dòng)時(shí)，壓電元件受質(zhì)量塊慣性力的作用，根據(jù)測量的電壓就可求得加速度。應(yīng)變式加速度傳感器放大器低通濾波器積分電路峰值檢測器供橋電源（恒流源）及系統(tǒng)電源數(shù)據(jù)采集計(jì)算機(jī)分析處理信號調(diào)理器29圖 1 應(yīng)變式加速度測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖二、傳感器設(shè)計(jì)1.應(yīng)變式加速度傳感器簡介：應(yīng)變式加速度傳感器是一種能夠測量加速度、速度和位移的傳感器。通常由質(zhì)量塊、阻尼器、彈性元件、敏感元件和適調(diào)電路

6、等部分組成。應(yīng)變式加速度傳感器通常是將應(yīng)變片貼在各種彈性敏感元件上組合而成，當(dāng)彈性敏感元件受到外作用力、力矩、壓力、位移加速度等各種參數(shù)作用時(shí)，將產(chǎn)生位移、應(yīng)力和應(yīng)變，此時(shí)，電阻應(yīng)變片就可將其轉(zhuǎn)換為電阻的變化。這種傳感器可用不同彈性的敏感元件形式完成多種參數(shù)的轉(zhuǎn)換，構(gòu)成檢測各種參數(shù)的應(yīng)變式傳感器。電阻應(yīng)變片就是傳感器中的轉(zhuǎn)換元件，它是電阻應(yīng)變式傳感器的核心元件。應(yīng)變式加速度傳感器具有成本低、質(zhì)量輕和體積小的特點(diǎn)應(yīng)變式加速度傳感器應(yīng)用范圍廣泛，一般來講它有六種檢測感應(yīng)功能：傾斜度檢測、運(yùn)動(dòng)檢測、定位檢測、震動(dòng)檢測、振動(dòng)檢測和自由落下檢測。應(yīng)變式加速度傳感器廣泛應(yīng)用于各工業(yè)生產(chǎn)部門和科學(xué)實(shí)驗(yàn)中，除

7、了被廣泛應(yīng)用于航空航天、武器系統(tǒng)、汽車、消費(fèi)電子等產(chǎn)業(yè)里，在振動(dòng)試驗(yàn)、地震監(jiān)測、爆破工程、地基測量、地礦勘測等領(lǐng)域也有廣泛的應(yīng)用。圖 2 傳感器結(jié)構(gòu)簡圖2.設(shè)計(jì)計(jì)算：1. 初步確定梁和質(zhì)塊的結(jié)構(gòu)參數(shù)根據(jù)給定的傳感器結(jié)構(gòu)尺寸和設(shè)計(jì)指標(biāo)，初步確定彈性梁和質(zhì)塊的結(jié)構(gòu)參數(shù)：梁長度：L (mm)；11mm梁厚度：h (mm)；0.8mm梁寬度：b (mm)；6mm質(zhì)量塊半徑：r (mm)；4mm質(zhì)量塊厚度：c (mm)；4mm2. 總質(zhì)量及等效質(zhì)量計(jì)算殼體質(zhì)量：m0=殼體體積殼體材料密度 (g) 質(zhì)量塊質(zhì)量：m1=質(zhì)量塊體積質(zhì)量塊材料密度 (g) 彈性梁質(zhì)量：m2=梁體積梁材料密度 (g) 質(zhì)量塊等效質(zhì)

8、量(慣性質(zhì)量)：M=m1+m26 (kg)硅油質(zhì)量： m3=充油空間硅油密度 (g)由上面給出的數(shù)據(jù)可得：m0=8.563g,m1=3.1567g，m2=0.413g，m3=1.585g, M=0.003226kg 。3. 計(jì)算梁的最大允許撓度撓度反映梁質(zhì)量塊的活動(dòng)空間H=R-R2-(B2)2(mm)W0=R-H-(c+0.5h)（mm）要求：Wmaxw0 計(jì)算得：w0=0.724mm4. 梁應(yīng)變靈敏度計(jì)算(單臂)一個(gè)g作用時(shí)，質(zhì)量塊產(chǎn)生的慣性力：Fg=MgN=M9.807N=0.03163N貼片處梁長(根據(jù)應(yīng)變片尺寸決定)：Lx L-3（mm）設(shè)置于4mm處梁應(yīng)變靈敏度(貼片處的應(yīng)變)：g=

9、6FgLxEbh2(/g)= 8.9810-7/g5. 梁根部應(yīng)變檢查梁根部允許最大應(yīng)變：L max 0.0004 ()50g作用時(shí)，質(zhì)量塊產(chǎn)生的慣性力：Fa=MaN=50Fg梁根部應(yīng)變：g=6FaLEbh2L max如梁根部應(yīng)變超限，則修改參數(shù)重新計(jì)算。計(jì)算得g=6FaLEbh2=1.23610-4 0.0004 ()6. 梁寬度檢查取梁材料的許用應(yīng)力系數(shù)為0.5，則許用應(yīng)力為：T=0.5b(N/m2)由許用應(yīng)力計(jì)算梁的最小允許端寬：bmin=6FaLh2Tm如給定寬度值小于bmin，則重新給定。計(jì)算得bmin=6FaLh2Tm=0.249mm ，符合條件。7. 梁自由端撓度檢查梁自由端最大

10、允許撓度w0前面已計(jì)算出。梁自由端最大動(dòng)撓度：wg=4FaL3Ebh3m要求： wmax T，以滿足在積分時(shí)間內(nèi)電容能直接放電。RC積分電路的積分特性也不是固定的，由RC和T的值決定。其傳遞函數(shù)為：，幅頻特性為：，相頻特性為：，誤差為：，積分電路的對數(shù)曲線為：。其對數(shù)曲線如下所示。通過上圖發(fā)現(xiàn)，對數(shù)曲線存在兩個(gè)極端狀態(tài)：當(dāng)時(shí)，A（）1，L（）0；當(dāng)時(shí)，。逼近斜線的部分才能起到積分作用。此時(shí)：。3、 有源積分電路設(shè)計(jì)、電路圖、繪出積分網(wǎng)絡(luò)曲線有源積分電路具有頻率范圍寬，誤差小的特點(diǎn)。設(shè)計(jì)要求(1)按最低測量頻率0.1Hz 確定積分器的低端截止頻率，該頻率處衰減為3dB；(2)按最高測量頻率149

11、 Hz確定積分網(wǎng)絡(luò)的最高工作頻率點(diǎn)，此處衰減為25-30dB；(3)根據(jù)上面兩個(gè)要求，確定積分網(wǎng)絡(luò)的積分曲線條數(shù)。低端截止頻率：，取C=1F，則，。高端衰減為25-30dB。衰減公式為：，解得：。頻率并未達(dá)到最高測量頻率149Hz的要求，因此要設(shè)計(jì)第二條積分曲線。將第一條積分曲線的最高工作頻率作為第二條積分曲線的低端截止頻率，即：，則，取C=1F，則，。高端衰減為25-30dB。列衰減公式得，解得：。發(fā)現(xiàn)，頻率并未達(dá)到最高測量頻率149Hz的要求，因此下面進(jìn)行第三條積分曲線的設(shè)計(jì)。將第二條積分曲線的最高工作頻率作為第三條積分曲線的低端截止頻率，即：，則，取C=1F，則，。高端衰減為25-30d

12、B。列衰減公式得，解得：。發(fā)現(xiàn)，頻率達(dá)到最高測量頻率149Hz的要求，積分網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)結(jié)束。（4） 電路仿真圖 10 積分網(wǎng)絡(luò)（2 分）圖 11 積分器仿真（2 分）4、 有效值、峰值檢測電路設(shè)計(jì)1. 振動(dòng)系統(tǒng)的主要檢測量對振動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行檢測時(shí)，通常采取時(shí)域參數(shù)分析法。其主要檢測量峰值和有效值。（1） 均方根值（有效值）（RMS）：信號的均方根值為：（2）峰值（Peak）：峰值的定義為信號中最大值與最小值之差的一半：（3）峰值因子（Crest Factor）：（4）峭度因子（Kurtosis）：對于零均值的振動(dòng)信號峭度K定義為：其中p(x)為x(t)的概率密度分布函數(shù)。對于離散序列的振動(dòng)信號，峭度

13、K的計(jì)算式為：現(xiàn)對峰值和有效值進(jìn)行測量。2. 峰值測量原理、測量過程、設(shè)計(jì)計(jì)算（1） 正峰值檢測器：基本計(jì)算關(guān)系式為：式中，為電壓轉(zhuǎn)換速率，為輸出短路電流；為的輸入偏置電流；為的反向電流；為的漏電流。設(shè)計(jì)時(shí)，選擇，先選取，然后通過仿真方法調(diào)整。峰值檢測器一般選用高阻抗運(yùn)算放大器CF356，是一種JFET輸入運(yùn)算放大器，主要交流參數(shù)為：電壓轉(zhuǎn)換速率：；輸入偏置電流：；輸出短路電流：。高速開關(guān)二極管：選用IN4148，其反向電流為：。存儲(chǔ)電容，選用BAW型：反向電流為：；漏電流為：。設(shè)計(jì)計(jì)算：設(shè)計(jì)時(shí)，取，然后通過仿真調(diào)整。波形峰值上升時(shí)間取為：，則波峰值上升速率為：，要求。式中，為電橋放大器輸出的

14、峰值電壓。f為加速度信號頻率，即。存儲(chǔ)電容的值在之間選取，要求：。檢查的放電時(shí)間：存儲(chǔ)電容上的電壓從10V降到1V，即時(shí)，所需的時(shí)間大約為500s。根據(jù)所選元件的交流參數(shù)計(jì)算：要求：。（2） 負(fù)峰值檢測器負(fù)峰值檢測器設(shè)計(jì)計(jì)算方法同正峰值檢測器相同。（3） 正、負(fù)峰值檢測器將正峰值檢測器與負(fù)峰值檢測器并聯(lián)，便組成了正、負(fù)峰值檢測器。圖 12 峰值檢測電路（2 分）3. 有效值檢測電路原理、設(shè)計(jì)計(jì)算對于正弦信號，在沒有干擾的情況下，其振動(dòng)峰值a peak就是它的幅值A(chǔ)，而有效值a RMS 、絕對均值 a 和峰值A(chǔ)之間的關(guān)系如下： （1）絕對均值：表示振動(dòng)信號經(jīng)整流后得等效直流量（強(qiáng)度）。表達(dá)式：（

15、2）有效值：反映振動(dòng)的強(qiáng)弱。表達(dá)式：其中，T為測量周期。在幅值A(chǔ)為已知的前提下，可以簡單地采用模擬計(jì)算來得到絕對均值和有效值，不必再設(shè)計(jì)復(fù)雜的檢測電路。圖 13 有效值檢測電路（2 分）4. 峰值、有效值檢測器仿真峰值、有效值檢測器仿真電路及結(jié)果如下：圖 14 峰值、有效值檢測器仿真（2 分）四、供橋電源設(shè)計(jì)該電源為電橋、放大器和濾波器用電源，由集成穩(wěn)壓器組成，性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單。1.設(shè)計(jì)指標(biāo)輸入為220V，輸出為兩檔：檔：，對稱輸出，供信號調(diào)理電路用；檔：，連續(xù)可調(diào)，為恒流供橋電源。紋波電壓和穩(wěn)壓系數(shù)分別為：2.小型變壓器設(shè)計(jì)原理小型變壓器設(shè)計(jì)是根據(jù)變壓器的副邊輸出功率來進(jìn)行的，設(shè)計(jì)內(nèi)容包括

16、：（1）求副邊總視在功率；（2）由副邊總視在功率計(jì)算原邊輸入視在功率和電流；（3）根據(jù)功率和電流設(shè)計(jì)變壓器。副邊總視在功率為所有輸出功率之和，按最大輸出計(jì)算，考慮到整流電路和二極管的壓降(0.7V)，必須對副邊電壓加以修正（修正系數(shù)取為1.11），再加0.7V 壓降，有U io= u i 1.11+20.7V,Ioimax= i檔輸出總電流1.11mA則變壓器副邊輸出總視在功率為：PSO=UOiIOimaxVA原邊視在功率、原邊電流分別為：PSO=PSO,Iin=PSiU式中，小型變壓器效率=0.70.9，空載時(shí)磁場電流系數(shù)=1.11.2 計(jì)算得：檔：；檔：。3.穩(wěn)壓電路圖主要原件、性能CW7

17、812：正穩(wěn)壓器，最大輸入電壓為 35V，最小為14.5V，當(dāng)輸入19V 時(shí)，輸出為12V，輸出電流 1.5A，加散熱片。CW7912：正穩(wěn)壓器，最大輸入電壓為35 V，最小為14V，當(dāng)輸入19V 時(shí)，輸出為-12 V，輸出電流1.5A，加散熱片。CW317：可調(diào)三端式集成穩(wěn)壓器，輸出電壓為1.237V，輸出電流為1.5A，最大輸出壓差為：UIN-UOUT=40 (V)，最小輸出壓差為3V。1、 固定式三端穩(wěn)壓器：CW7812（正）、CW7912（負(fù)）。2、 可調(diào)式三端穩(wěn)壓器：CW317、CW337。輸出電壓：式中。經(jīng)計(jì)算得。5. 電路設(shè)計(jì)、原件選取原則整流二極管的選擇反向擊穿電壓：（為副邊輸

18、出電壓）額定工作電流：（集成穩(wěn)壓器的最大輸出電流）濾波電容的耐壓值：濾波電容估算：式中：電容放電電流，取t電容放電時(shí)間，取t=0.01s輸入端電壓峰峰值分別為穩(wěn)壓管輸入和輸出電壓和分別為紋波電壓和穩(wěn)壓系數(shù)。圖 15 雙極性輸出電源電路（2 分）圖 16 電源電路總成（2 分）五、傳感器、信號調(diào)理器電路總成將前面設(shè)計(jì)的所有電路，按下面結(jié)構(gòu)框圖形式組成電路總成?？傻茫簣D 17 傳感器、信號調(diào)理器電路總成（2 分）六、加速度信號測試與信號分析處理1. 振動(dòng)加速度信號測試a)測試對象測試對象為一實(shí)心圓柱形懸臂梁。通過對該懸臂梁進(jìn)行敲擊得到振動(dòng)加速度信號，并通過上文中設(shè)計(jì)的應(yīng)變式加速度傳感器和信號調(diào)理電

19、路進(jìn)行信號的采集。b)測試系統(tǒng)原理應(yīng)變式加速度傳感器是一種低頻傳感器，由彈性梁，質(zhì)量塊，應(yīng)變片及電橋等組成，質(zhì)量塊在加速度作用下，產(chǎn)生慣性力使彈性梁變形來獲取信號。當(dāng)彈性梁上的壓電材料受一定方向力而使自己變形時(shí)，內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象。同時(shí)在它的兩個(gè)相對的表面上便產(chǎn)生符號相反的電荷；當(dāng)外力去掉后，又重新恢復(fù)不帶電的狀態(tài)；當(dāng)作用力的方向改變時(shí)，電荷的極性也隨著改變。c)測試過程將支座與待測物剛性地固定在一起。當(dāng)待測物運(yùn)動(dòng)時(shí)，支座與待測物以同一加速度運(yùn)動(dòng)，壓電元件受到質(zhì)量塊與加速度相反方向的慣性力的作用，在晶體的兩個(gè)表面上產(chǎn)生交變電壓。當(dāng)振動(dòng)頻率遠(yuǎn)低于傳感器的固有頻率時(shí)，傳感器的輸出電壓與作用力成正比

20、。電信號經(jīng)前置放大器放大，即可由一般測量儀器測試出電壓大小，從而得出物體的加速度。壓電傳感器電壓放大器電路AD轉(zhuǎn)換計(jì)算機(jī)采集圖 18 測試系統(tǒng)原理框圖（2 分）2. 信號分析處理經(jīng)數(shù)據(jù)采樣過后，共得到1024個(gè)數(shù)據(jù)，采樣頻率為5000Hz。可得原始數(shù)據(jù)的時(shí)域圖：圖 19 振動(dòng)加速度測試信號的時(shí)域波形圖（2 分）原始數(shù)據(jù)的幅頻特性圖（1） 對數(shù)據(jù)進(jìn)行零均值化零均值化的目的是去除直流分量，因?yàn)樾盘柧迪喈?dāng)于一個(gè)直流分量，其傅里葉變換是在處的沖激函數(shù)，若不去除均值，在作譜分析時(shí)，將在處出現(xiàn)一個(gè)大的譜峰，影響在左右的頻譜曲線，產(chǎn)生較大誤差，因此需零均值化處理。得零均值化后的數(shù)據(jù)：零均值化處理后的時(shí)域圖

21、（2） 對數(shù)據(jù)進(jìn)行消除趨勢項(xiàng)處理振動(dòng)信號采集時(shí)由于傳感器周圍的環(huán)境干擾等測量值常會(huì)偏離基線,偏離基線的大小會(huì)隨時(shí)間變化的過程稱為信號的趨勢項(xiàng)。趨勢會(huì)使時(shí)域中的相關(guān)分析和頻率中的功率譜分析產(chǎn)生較大誤差,甚至使低頻譜完全失真。因此信號分析中要消除趨勢項(xiàng)，本文采用最小二乘法去除趨勢項(xiàng)，并在matlab上實(shí)現(xiàn)算法編程，處理結(jié)果如下：消除趨勢項(xiàng)處理后的時(shí)域圖（3） 最終，對數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT變換，求得數(shù)據(jù)的幅頻特性曲線，得固有頻率為1.606105Hz圖 20 振動(dòng)加速度測試信號的頻譜圖（2 分）七、 總結(jié)應(yīng)變式加速度傳感器是一種能夠測量加速度、速度和位移的傳感器。通常由質(zhì)量塊、阻尼器、彈性元件、敏感元件和適調(diào)電路等部分組成。應(yīng)變式加速度傳感器通常是將應(yīng)變片貼在各種彈性敏感元件上組合而成，當(dāng)彈性敏感元件受到外作用力、力矩、壓力、位移加速度等各種參數(shù)作用時(shí)，將產(chǎn)生位移、應(yīng)力和應(yīng)變，此時(shí)，電阻應(yīng)變片就可將其轉(zhuǎn)換為電阻的變化。這種傳感器可用不同彈性的敏感元件形式完成多種參數(shù)的轉(zhuǎn)換，構(gòu)成檢測各種參數(shù)的應(yīng)變式傳感器。電阻應(yīng)變片就是傳感器中的轉(zhuǎn)換元件，它是電阻應(yīng)變式傳感器的核心元件。應(yīng)變式