1、應變式加速度測試系統與信號處理設計 年 級: 學 號: 姓 名: 專 業: 指導老師: 年 月 測試專業傳感器與信號處理課程設計任務書本課程設計采用低頻應變式加速度傳感器為振動信號檢出器，對車輛振動檢測系統進行較全面的設計。主要內容包括：傳感器設計，供橋電源設計，信號調理器設計，仿真分析，測試信號分析與處理等。通過該課程設計，使同學們初步掌握傳感器與測試系統的設計步驟和方法，以及信號分析與處理的基本技術，培養同學們的設計能力。一、應變式加速度傳感器概念能感受規定的被測量并按一定規律轉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換元件組成。應變式加速度傳感器是一種低頻傳感器，由彈

2、性梁，質量塊，應變片及電橋等組成，質量塊在加速度作用下，產生慣性力使彈性梁變形來獲取信號，是車輛振動測量常用傳感器。二、測試系統的組成1、應變式加速度傳感器，檢出振動信號；2、供橋電源（恒流源）及系統電源；3、信號調理器：放大器、濾波器及積分電路等。三、應變式加速度傳感器技術指標量程：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）。測試系統其它部分的技術指標應與傳感器指標相匹配。四、設計的主要內容1、測試系統2、仿真分析3、測試實驗4、測試信號分析與處理目 錄設計

3、計算1一、加速度測試系統的原理與結構1二、傳感器設計11.應變式加速度傳感器簡介：12.設計計算：23.設計結果:4三、信號調理器設計51、電橋放大器設計：62、 濾波器設計93、 積分電路設計124、 有效值、峰值檢測電路設計17四、供橋電源設計211.設計指標212.小型變壓器設計原理213.穩壓電路圖主要原件、性能225.電路設計、原件選取原則23五、傳感器、信號調理器電路總成24六、加速度信號測試與信號分析處理251. 振動加速度信號測試252. 信號分析處理26七、總結28附錄 數據處理程序29設計計算一、加速度測試系統的原理與結構應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。通常由質量塊、阻尼器、彈性元件、敏感元件和適調電路等部分組成。應變式加速度傳感器通常是將應變片貼在各種彈性敏感元件上組合而成，當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作用時，將產生位移、應力和應變，此時，電阻應變片就可將其轉換為電阻的變化。對于應變片材料，當沿著一定方向對其施力而使它變形時，內部就產生極化現象，同時在它的兩個相對的表面上便產生符號相反的電荷；當外力去掉后，又重新恢復不帶電的狀態；當作用力的方向改變時，電荷的極性也隨著改變。 當振動頻率遠低于傳感器的固有頻率時，傳感器的輸出電壓與作用力成正比。電信號經前置放大器放大，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，故本系統壓電元件采用壓電陶瓷，極化方向在厚度方向。當加速度傳感器和被測物一起受到沖擊振動時，壓電元件受質量塊慣性力的作用，根據測量的電壓就可求得加速度。應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）及系統電源數據采集計算機分析處理信號調理器29圖 1 應變式加速度測試系統的結構框圖二、傳感器設計1.應變式加速度傳感器簡介：應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。通常由質量塊、阻尼器、彈性元件、敏感元件和適調電路

6、等部分組成。應變式加速度傳感器通常是將應變片貼在各種彈性敏感元件上組合而成，當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作用時，將產生位移、應力和應變，此時，電阻應變片就可將其轉換為電阻的變化。這種傳感器可用不同彈性的敏感元件形式完成多種參數的轉換，構成檢測各種參數的應變式傳感器。電阻應變片就是傳感器中的轉換元件，它是電阻應變式傳感器的核心元件。應變式加速度傳感器具有成本低、質量輕和體積小的特點應變式加速度傳感器應用范圍廣泛，一般來講它有六種檢測感應功能：傾斜度檢測、運動檢測、定位檢測、震動檢測、振動檢測和自由落下檢測。應變式加速度傳感器廣泛應用于各工業生產部門和科學實驗中，除

7、了被廣泛應用于航空航天、武器系統、汽車、消費電子等產業里，在振動試驗、地震監測、爆破工程、地基測量、地礦勘測等領域也有廣泛的應用。圖 2 傳感器結構簡圖2.設計計算：1. 初步確定梁和質塊的結構參數根據給定的傳感器結構尺寸和設計指標，初步確定彈性梁和質塊的結構參數：梁長度：L (mm)；11mm梁厚度：h (mm)；0.8mm梁寬度：b (mm)；6mm質量塊半徑：r (mm)；4mm質量塊厚度：c (mm)；4mm2. 總質量及等效質量計算殼體質量：m0=殼體體積殼體材料密度 (g) 質量塊質量：m1=質量塊體積質量塊材料密度 (g) 彈性梁質量：m2=梁體積梁材料密度 (g) 質量塊等效質

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

9、6FgLxEbh2(/g)= 8.9810-7/g5. 梁根部應變檢查梁根部允許最大應變：L max 0.0004 ()50g作用時，質量塊產生的慣性力：Fa=MaN=50Fg梁根部應變：g=6FaLEbh2L max如梁根部應變超限，則修改參數重新計算。計算得g=6FaLEbh2=1.23610-4 0.0004 ()6. 梁寬度檢查取梁材料的許用應力系數為0.5，則許用應力為：T=0.5b(N/m2)由許用應力計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前面已計算出。梁自由端最大動撓度：wg=4FaL3Ebh3m要求： wmax T，以滿足在積分時間內電容能直接放電。RC積分電路的積分特性也不是固定的，由RC和T的值決定。其傳遞函數為：，幅頻特性為：，相頻特性為：，誤差為：，積分電路的對數曲線為：。其對數曲線如下所示。通過上圖發現，對數曲線存在兩個極端狀態：當時，A（）1，L（）0；當時，。逼近斜線的部分才能起到積分作用。此時：。3、 有源積分電路設計、電路圖、繪出積分網絡曲線有源積分電路具有頻率范圍寬，誤差小的特點。設計要求(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確定積分網絡的最高工作頻率點，此處衰減為25-30dB；(3)根據上面兩個要求，確定積分網絡的積分曲線條數。低端截止頻率：，取C=1F，則，。高端衰減為25-30dB。衰減公式為：，解得：。頻率并未達到最高測量頻率149Hz的要求，因此要設計第二條積分曲線。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：。發現，頻率并未達到最高測量頻率149Hz的要求，因此下面進行第三條積分曲線的設計。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：。發現，頻率達到最高測量頻率149Hz的要求，積分網絡的設計結束。（4） 電路仿真圖 10 積分網絡（2 分）圖 11 積分器仿真（2 分）4、 有效值、峰值檢測電路設計1. 振動系統的主要檢測量對振動系統進行檢測時，通常采取時域參數分析法。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）：對于零均值的振動信號峭度K定義為：其中p(x)為x(t)的概率密度分布函數。對于離散序列的振動信號，峭度

13、K的計算式為：現對峰值和有效值進行測量。2. 峰值測量原理、測量過程、設計計算（1） 正峰值檢測器：基本計算關系式為：式中，為電壓轉換速率，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。設計時，選擇，先選取，然后通過仿真方法調整。峰值檢測器一般選用高阻抗運算放大器CF356，是一種JFET輸入運算放大器，主要交流參數為：電壓轉換速率：；輸入偏置電流：；輸出短路電流：。高速開關二極管：選用IN4148，其反向電流為：。存儲電容，選用BAW型：反向電流為：；漏電流為：。設計計算：設計時，取，然后通過仿真調整。波形峰值上升時間取為：，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。存儲電容的值在之間選取，要求：。檢查的放電時間：存儲電容上的電壓從10V降到1V，即時，所需的時間大約為500s。根據所選元件的交流參數計算：要求：。（2） 負峰值檢測器負峰值檢測器設計計算方法同正峰值檢測器相同。（3） 正、負峰值檢測器將正峰值檢測器與負峰值檢測器并聯，便組成了正、負峰值檢測器。圖 12 峰值檢測電路（2 分）3. 有效值檢測電路原理、設計計算對于正弦信號，在沒有干擾的情況下，其振動峰值a peak就是它的幅值A，而有效值a RMS 、絕對均值 a 和峰值A之間的關系如下： （1）絕對均值：表示振動信號經整流后得等效直流量（強度）。表達式：（

15、2）有效值：反映振動的強弱。表達式：其中，T為測量周期。在幅值A為已知的前提下，可以簡單地采用模擬計算來得到絕對均值和有效值，不必再設計復雜的檢測電路。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果如下：圖 14 峰值、有效值檢測器仿真（2 分）四、供橋電源設計該電源為電橋、放大器和濾波器用電源，由集成穩壓器組成，性能穩定、結構簡單。1.設計指標輸入為220V，輸出為兩檔：檔：，對稱輸出，供信號調理電路用；檔：，連續可調，為恒流供橋電源。紋波電壓和穩壓系數分別為：2.小型變壓器設計原理小型變壓器設計是根據變壓器的副邊輸出功率來進行的，設計內容包括

16、：（1）求副邊總視在功率；（2）由副邊總視在功率計算原邊輸入視在功率和電流；（3）根據功率和電流設計變壓器。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，空載時磁場電流系數=1.11.2 計算得：檔：；檔：。3.穩壓電路圖主要原件、性能CW7

17、812：正穩壓器，最大輸入電壓為 35V，最小為14.5V，當輸入19V 時，輸出為12V，輸出電流 1.5A，加散熱片。CW7912：正穩壓器，最大輸入電壓為35 V，最小為14V，當輸入19V 時，輸出為-12 V，輸出電流1.5A，加散熱片。CW317：可調三端式集成穩壓器，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、 固定式三端穩壓器：CW7812（正）、CW7912（負）。2、 可調式三端穩壓器：CW317、CW337。輸出電壓：式中。經計算得。5. 電路設計、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電容放電時間，取t=0.01s輸入端電壓峰峰值分別為穩壓管輸入和輸出電壓和分別為紋波電壓和穩壓系數。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、信號調理器電路總成將前面設計的所有電路，按下面結構框圖形式組成電路總成。可得：圖 17 傳感器、信號調理器電路總成（2 分）六、加速度信號測試與信號分析處理1. 振動加速度信號測試a)測試對象測試對象為一實心圓柱形懸臂梁。通過對該懸臂梁進行敲擊得到振動加速度信號，并通過上文中設計的應變式加速度傳感器和信號調理電

19、路進行信號的采集。b)測試系統原理應變式加速度傳感器是一種低頻傳感器，由彈性梁，質量塊，應變片及電橋等組成，質量塊在加速度作用下，產生慣性力使彈性梁變形來獲取信號。當彈性梁上的壓電材料受一定方向力而使自己變形時，內部就產生極化現象。同時在它的兩個相對的表面上便產生符號相反的電荷；當外力去掉后，又重新恢復不帶電的狀態；當作用力的方向改變時，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。當待測物運動時，支座與待測物以同一加速度運動，壓電元件受到質量塊與加速度相反方向的慣性力的作用，在晶體的兩個表面上產生交變電壓。當振動頻率遠低于傳感器的固有頻率時，傳感器的輸出電壓與作用力成正比

20、。電信號經前置放大器放大，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轉換計算機采集圖 18 測試系統原理框圖（2 分）2. 信號分析處理經數據采樣過后，共得到1024個數據，采樣頻率為5000Hz。可得原始數據的時域圖：圖 19 振動加速度測試信號的時域波形圖（2 分）原始數據的幅頻特性圖（1） 對數據進行零均值化零均值化的目的是去除直流分量，因為信號均值相當于一個直流分量，其傅里葉變換是在處的沖激函數，若不去除均值，在作譜分析時，將在處出現一個大的譜峰，影響在左右的頻譜曲線，產生較大誤差，因此需零均值化處理。得零均值化后的數據：零均值化處理后的時域圖

21、（2） 對數據進行消除趨勢項處理振動信號采集時由于傳感器周圍的環境干擾等測量值常會偏離基線,偏離基線的大小會隨時間變化的過程稱為信號的趨勢項。趨勢會使時域中的相關分析和頻率中的功率譜分析產生較大誤差,甚至使低頻譜完全失真。因此信號分析中要消除趨勢項，本文采用最小二乘法去除趨勢項，并在matlab上實現算法編程，處理結果如下：消除趨勢項處理后的時域圖（3） 最終，對數據進行FFT變換，求得數據的幅頻特性曲線，得固有頻率為1.606105Hz圖 20 振動加速度測試信號的頻譜圖（2 分）七、 總結應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。通常由質量塊、阻尼器、彈性元件、敏感元件和適調電路等部分組成。應變式加速度傳感器通常是將應變片貼在各種彈性敏感元件上組合而成，當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作用時，將產生位移、應力和應變，此時，電阻應變片就可將其轉換為電阻的變化。這種傳感器可用不同彈性的敏感元件形式完成多種參數的轉換，構成檢測各種參數的應變式傳感器。電阻應變片就是傳感器中的轉換元件，它是電阻應變式傳感器的核心元件。應變式