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高振動環(huán)境下的阻尼解決方案
2018-02-25 22:48:41·
汽車工程師們經(jīng)常會面臨的挑戰(zhàn)是：在嘈雜的環(huán)境（包括外來的高頻、高振動等）中測量低水平、低頻率的振動。其信號源可能包括寬頻帶的隨機振動，或測量目標頻率外不必要的結構共振產(chǎn)生的信號。目前用于這些測試常用的方法是選用帶寬非常寬的，有高Q值（無阻尼）的加速度傳感器，比如壓電式加速度計。如果安裝部位的振動包含
汽車工程師們經(jīng)常會面臨的挑戰(zhàn)是：在嘈雜的環(huán)境（包括外來的高頻、高振動等）中測量低水平、低頻率的振動。其信號源可能包括寬頻帶的隨機振動，或測量目標頻率外不必要的結構共振產(chǎn)生的信號。
目前用于這些測試常用的方法是選用帶寬非常寬的，有高Q值（無阻尼）的加速度傳感器，比如壓電式加速度計。如果安裝部位的振動包含與無阻尼加速度計固有頻率相近的頻率，則會引起共振峰值。如果增益值設置不當?shù)脑?，這個共振峰值會在用戶的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中導致波形扭曲。另一方面，為補償諧振點的放大效應而調(diào)小增益，在低頻測量的情況下會大幅降低傳感器的分辨率。
避免上述問題最常見的方法就是在數(shù)據(jù)采集過程中采用低通濾波。然而，用戶可能在毫無察覺的情況下使用錯誤的波形。
精量電子（MEAS）提供機械阻尼式加速度傳感器作為獨一無二的解決方案。MEAS一直以來都以Entran和FGP兩個品牌提供液態(tài)阻尼的硅應變片加速度傳感器。具體方法是通過混合選定粘度的硅油，以達到室溫下0.7的臨界阻尼。液態(tài)阻尼的缺點是液體的粘度會隨著溫度的變化而產(chǎn)生明顯的變化，冷的時候會頻率響應過度阻尼，熱的時候又會欠阻尼。
MEAS最新推出一系列小型壓阻式擠壓氣膜阻尼加速度傳感器。產(chǎn)品采用微硅機電(MEMS)技術，將三層堆疊的微加工晶圓粘合。切割分離后的芯片的最上一層成為傳感器的頂部，最下一層為基底，中間的一層包括質(zhì)量塊，懸臂梁，和電路基板，見圖1。電阻被離子布植在應變敏感的懸臂梁上，以建立一個四橋臂的動態(tài)惠斯通電橋。
氣阻尼最顯著的優(yōu)點就是介質(zhì)（空氣）的粘度受溫度影響相對較小。MEAS壓阻傳感器的質(zhì)量塊被兩個平行的表面夾在中間，在空隙部分填充惰性氣體。阻尼系數(shù)由芯片頂部和基底上與質(zhì)量塊的氣隙的高度決定，如果質(zhì)量塊移動緩慢，氣膜所受的壓力??；當氣膜以很高的頻率移動時，氣體被困在空隙里而且受到擠壓，從而釋放機械能，以達到阻尼的目的。
可以把加速度傳感器的控制功能視為一個單自由度裝置，而且仿效質(zhì)量彈簧阻尼器的固有頻率和阻尼因數(shù)。選擇臨界阻尼0.7的目的是防止加速度計的諧振峰值，并且保證使用頻段的平坦性。
阻尼實際上可以擴展給定固有頻率的可用通帶。例如：基于±5%的振幅誤差（±0.43dB），由于高Q值的影響，無阻尼的固有頻率一定會高于傳感器線性測試最大頻率的五分之一。然而一個帶有0.7臨界阻尼的加速度計的最大測試頻率最多是固有頻率的一半。因此，帶阻尼加速度計的可用帶寬是無阻尼加速度計的2.5倍。另外，帶阻尼加速度計比無阻尼的加速度計更堅固，從而也提高了產(chǎn)品的可靠性。
阻尼潛在的缺點是相移。無阻尼的加速度計的通帶相移非常小，而且可以通過諧振很快就會消失。帶阻尼加速度計的相位隨著頻率逐漸變化。但是只要相位變化是線性的，波形就不會改變，只是存在時間延遲。
機械阻尼優(yōu)點的一個典型范例是某制造商需要進行發(fā)動機的擺動測試，測試人員要在0.5 ~ 5Hz的帶寬范圍內(nèi)測量幾百個毫g的加速度。可是發(fā)動機在300Hz的頻率產(chǎn)生了100g的尖峰，使無阻尼的加速度計達到飽和。MEAS為客戶提供了機械阻尼加速度計，不必要的發(fā)動機噪聲被過濾掉了，客戶獲取了精準的測量結果。
現(xiàn)場測試證明機械阻尼技術在苛刻的動態(tài)環(huán)境中可以進行高分辨率，低頻率，甚至DC的振動測量。
目前用于這些測試常用的方法是選用帶寬非常寬的，有高Q值（無阻尼）的加速度傳感器，比如壓電式加速度計。如果安裝部位的振動包含與無阻尼加速度計固有頻率相近的頻率，則會引起共振峰值。如果增益值設置不當?shù)脑?，這個共振峰值會在用戶的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中導致波形扭曲。另一方面，為補償諧振點的放大效應而調(diào)小增益，在低頻測量的情況下會大幅降低傳感器的分辨率。
避免上述問題最常見的方法就是在數(shù)據(jù)采集過程中采用低通濾波。然而，用戶可能在毫無察覺的情況下使用錯誤的波形。
精量電子（MEAS）提供機械阻尼式加速度傳感器作為獨一無二的解決方案。MEAS一直以來都以Entran和FGP兩個品牌提供液態(tài)阻尼的硅應變片加速度傳感器。具體方法是通過混合選定粘度的硅油，以達到室溫下0.7的臨界阻尼。液態(tài)阻尼的缺點是液體的粘度會隨著溫度的變化而產(chǎn)生明顯的變化，冷的時候會頻率響應過度阻尼，熱的時候又會欠阻尼。
MEAS最新推出一系列小型壓阻式擠壓氣膜阻尼加速度傳感器。產(chǎn)品采用微硅機電(MEMS)技術，將三層堆疊的微加工晶圓粘合。切割分離后的芯片的最上一層成為傳感器的頂部，最下一層為基底，中間的一層包括質(zhì)量塊，懸臂梁，和電路基板，見圖1。電阻被離子布植在應變敏感的懸臂梁上，以建立一個四橋臂的動態(tài)惠斯通電橋。
氣阻尼最顯著的優(yōu)點就是介質(zhì)（空氣）的粘度受溫度影響相對較小。MEAS壓阻傳感器的質(zhì)量塊被兩個平行的表面夾在中間，在空隙部分填充惰性氣體。阻尼系數(shù)由芯片頂部和基底上與質(zhì)量塊的氣隙的高度決定，如果質(zhì)量塊移動緩慢，氣膜所受的壓力??；當氣膜以很高的頻率移動時，氣體被困在空隙里而且受到擠壓，從而釋放機械能，以達到阻尼的目的。
可以把加速度傳感器的控制功能視為一個單自由度裝置，而且仿效質(zhì)量彈簧阻尼器的固有頻率和阻尼因數(shù)。選擇臨界阻尼0.7的目的是防止加速度計的諧振峰值，并且保證使用頻段的平坦性。
阻尼實際上可以擴展給定固有頻率的可用通帶。例如：基于±5%的振幅誤差（±0.43dB），由于高Q值的影響，無阻尼的固有頻率一定會高于傳感器線性測試最大頻率的五分之一。然而一個帶有0.7臨界阻尼的加速度計的最大測試頻率最多是固有頻率的一半。因此，帶阻尼加速度計的可用帶寬是無阻尼加速度計的2.5倍。另外，帶阻尼加速度計比無阻尼的加速度計更堅固，從而也提高了產(chǎn)品的可靠性。
阻尼潛在的缺點是相移。無阻尼的加速度計的通帶相移非常小，而且可以通過諧振很快就會消失。帶阻尼加速度計的相位隨著頻率逐漸變化。但是只要相位變化是線性的，波形就不會改變，只是存在時間延遲。
機械阻尼優(yōu)點的一個典型范例是某制造商需要進行發(fā)動機的擺動測試，測試人員要在0.5 ~ 5Hz的帶寬范圍內(nèi)測量幾百個毫g的加速度。可是發(fā)動機在300Hz的頻率產(chǎn)生了100g的尖峰，使無阻尼的加速度計達到飽和。MEAS為客戶提供了機械阻尼加速度計，不必要的發(fā)動機噪聲被過濾掉了，客戶獲取了精準的測量結果。
現(xiàn)場測試證明機械阻尼技術在苛刻的動態(tài)環(huán)境中可以進行高分辨率，低頻率，甚至DC的振動測量。
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