课程设计（论文）-应变式加速度测试系统与信号处理设计.docx

应变式加速度测试系统与信号处理设计 年 级: 学 号: 姓 名: 专 业: 指导老师: 年 月 测试专业传感器与信号处理课程设计任务书本课程设计采用低频应变式加速度传感器为振动信号检出器，对车辆振动检测系统进行较全面的设计。主要内容包括：传感器设计，供桥电源设计，信号调理器设计，仿真分析，测试信号分析与处理等。通过该课程设计，使同学们初步掌握传感器与测试系统的设计步骤和方法，以及信号分析与处理的基本技术，培养同学们的设计能力。一、应变式加速度传感器概念能感受规定的被测量并按一定规律转换成可用信号输出的器件或装置，称为传感器，通常由敏感元件和转换元件组成。应变式加速度传感器是一种低频传感器，由弹性梁，质量块，应变片及电桥等组成，质量块在加速度作用下，产生惯性力使弹性梁变形来获取信号，是车辆振动测量常用传感器。二、测试系统的组成1、应变式加速度传感器，检出振动信号；2、供桥电源（恒流源）及系统电源；3、信号调理器：放大器、滤波器及积分电路等。三、应变式加速度传感器技术指标量程：50 g；频率范围：0.01149Hz；非线性误差：0.05灵敏度：0.001(v/g)外壳尺寸：不大于16mm16mm20mm；重量：不大于15g；供桥电压：2V24V（DC）。测试系统其它部分的技术指标应与传感器指标相匹配。四、设计的主要内容1、测试系统2、仿真分析3、测试实验4、测试信号分析与处理目 录设计计算1一、加速度测试系统的原理与结构1二、传感器设计11.应变式加速度传感器简介：12.设计计算：23.设计结果:4三、信号调理器设计51、电桥放大器设计：62、 滤波器设计93、 积分电路设计124、 有效值、峰值检测电路设计17四、供桥电源设计211.设计指标212.小型变压器设计原理213.稳压电路图主要原件、性能225.电路设计、原件选取原则23五、传感器、信号调理器电路总成24六、加速度信号测试与信号分析处理251. 振动加速度信号测试252. 信号分析处理26七、总结28附录 数据处理程序29设计计算一、加速度测试系统的原理与结构应变式加速度传感器是一种能够测量加速度、速度和位移的传感器。通常由质量块、阻尼器、弹性元件、敏感元件和适调电路等部分组成。应变式加速度传感器通常是将应变片贴在各种弹性敏感元件上组合而成，当弹性敏感元件受到外作用力、力矩、压力、位移加速度等各种参数作用时，将产生位移、应力和应变，此时，电阻应变片就可将其转换为电阻的变化。对于应变片材料，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，内部就产生极化现象，同时在它的两个相对的表面上便产生符号相反的电荷；当外力去掉后，又重新恢复不带电的状态；当作用力的方向改变时，电荷的极性也随着改变。 当振动频率远低于传感器的固有频率时，传感器的输出电压与作用力成正比。电信号经前置放大器放大，即可由一般测量仪器测试出电压大小，从而得出物体的加速度。压电材料可分为压电晶体和压电陶瓷两大类，因压电陶瓷的压电系数比压电晶体的大，且采用压电陶瓷制作的压电式传感器的灵敏度较高，故本系统压电元件采用压电陶瓷，极化方向在厚度方向。当加速度传感器和被测物一起受到冲击振动时，压电元件受质量块惯性力的作用，根据测量的电压就可求得加速度。应变式加速度传感器放大器低通滤波器积分电路峰值检测器供桥电源（恒流源）及系统电源数据采集计算机分析处理信号调理器29图 1 应变式加速度测试系统的结构框图二、传感器设计1.应变式加速度传感器简介：应变式加速度传感器是一种能够测量加速度、速度和位移的传感器。通常由质量块、阻尼器、弹性元件、敏感元件和适调电路等部分组成。应变式加速度传感器通常是将应变片贴在各种弹性敏感元件上组合而成，当弹性敏感元件受到外作用力、力矩、压力、位移加速度等各种参数作用时，将产生位移、应力和应变，此时，电阻应变片就可将其转换为电阻的变化。这种传感器可用不同弹性的敏感元件形式完成多种参数的转换，构成检测各种参数的应变式传感器。电阻应变片就是传感器中的转换元件，它是电阻应变式传感器的核心元件。应变式加速度传感器具有成本低、质量轻和体积小的特点应变式加速度传感器应用范围广泛，一般来讲它有六种检测感应功能：倾斜度检测、运动检测、定位检测、震动检测、振动检测和自由落下检测。应变式加速度传感器广泛应用于各工业生产部门和科学实验中，除了被广泛应用于航空航天、武器系统、汽车、消费电子等产业里，在振动试验、地震监测、爆破工程、地基测量、地矿勘测等领域也有广泛的应用。图 2 传感器结构简图2.设计计算：1. 初步确定梁和质块的结构参数根据给定的传感器结构尺寸和设计指标，初步确定弹性梁和质块的结构参数：梁长度：L (mm)；11mm梁厚度：h (mm)；0.8mm梁宽度：b (mm)；6mm质量块半径：r (mm)；4mm质量块厚度：c (mm)；4mm2. 总质量及等效质量计算壳体质量：m0=壳体体积壳体材料密度 (g) 质量块质量：m1=质量块体积质量块材料密度 (g) 弹性梁质量：m2=梁体积梁材料密度 (g) 质量块等效质量(惯性质量)：M=m1+m26 (kg)硅油质量： m3=充油空间硅油密度 (g)由上面给出的数据可得：m0=8.563g,m1=3.1567g，m2=0.413g，m3=1.585g, M=0.003226kg 。3. 计算梁的最大允许挠度挠度反映梁质量块的活动空间H=R-R2-(B2)2(mm)W0=R-H-(c+0.5h)（mm）要求：Wmaxw0 计算得：w0=0.724mm4. 梁应变灵敏度计算(单臂)一个g作用时，质量块产生的惯性力：Fg=MgN=M9.807N=0.03163N贴片处梁长(根据应变片尺寸决定)：Lx L-3（mm）设置于4mm处梁应变灵敏度(贴片处的应变)：g=6FgLxEbh2(/g)= 8.9810-7/g5. 梁根部应变检查梁根部允许最大应变：L max 0.0004 ()50g作用时，质量块产生的惯性力：Fa=MaN=50Fg梁根部应变：g=6FaLEbh2L max如梁根部应变超限，则修改参数重新计算。计算得g=6FaLEbh2=1.23610-4 0.0004 ()6. 梁宽度检查取梁材料的许用应力系数为0.5，则许用应力为：T=0.5b(N/m2)由许用应力计算梁的最小允许端宽：bmin=6FaLh2Tm如给定宽度值小于bmin，则重新给定。计算得bmin=6FaLh2Tm=0.249mm ，符合条件。7. 梁自由端挠度检查梁自由端最大允许挠度w0前面已计算出。梁自由端最大动挠度：wg=4FaL3Ebh3m要求： wmax T，以满足在积分时间内电容能直接放电。RC积分电路的积分特性也不是固定的，由RC和T的值决定。其传递函数为：，幅频特性为：，相频特性为：，误差为：，积分电路的对数曲线为：。其对数曲线如下所示。通过上图发现，对数曲线存在两个极端状态：当时，A（）1，L（）0；当时，。逼近斜线的部分才能起到积分作用。此时：。3、 有源积分电路设计、电路图、绘出积分网络曲线有源积分电路具有频率范围宽，误差小的特点。设计要求(1)按最低测量频率0.1Hz 确定积分器的低端截止频率，该频率处衰减为3dB；(2)按最高测量频率149 Hz确定积分网络的最高工作频率点，此处衰减为25-30dB；(3)根据上面两个要求，确定积分网络的积分曲线条数。低端截止频率：，取C=1F，则，。高端衰减为25-30dB。衰减公式为：，解得：。频率并未达到最高测量频率149Hz的要求，因此要设计第二条积分曲线。将第一条积分曲线的最高工作频率作为第二条积分曲线的低端截止频率，即：，则，取C=1F，则，。高端衰减为25-30dB。列衰减公式得，解得：。发现，频率并未达到最高测量频率149Hz的要求，因此下面进行第三条积分曲线的设计。将第二条积分曲线的最高工作频率作为第三条积分曲线的低端截止频率，即：，则，取C=1F，则，。高端衰减为25-30dB。列衰减公式得，解得：。发现，频率达到最高测量频率149Hz的要求，积分网络的设计结束。（4） 电路仿真图 10 积分网络（2 分）图 11 积分器仿真（2 分）4、 有效值、峰值检测电路设计1. 振动系统的主要检测量对振动系统进行检测时，通常采取时域参数分析法。其主要检测量峰值和有效值。（1） 均方根值（有效值）（RMS）：信号的均方根值为：（2）峰值（Peak）：峰值的定义为信号中最大值与最小值之差的一半：（3）峰值因子（Crest Factor）：（4）峭度因子（Kurtosis）：对于零均值的振动信号峭度K定义为：其中p(x)为x(t)的概率密度分布函数。对于离散序列的振动信号，峭度K的计算式为：现对峰值和有效值进行测量。2. 峰值测量原理、测量过程、设计计算（1） 正峰值检测器：基本计算关系式为：式中，为电压转换速率，为输出短路电流；为的输入偏置电流；为的反向电流；为的漏电流。设计时，选择，先选取，然后通过仿真方法调整。峰值检测器一般选用高阻抗运算放大器CF356，是一种JFET输入运算放大器，主要交流参数为：电压转换速率：；输入偏置电流：；输出短路电流：。高速开关二极管：选用IN4148，其反向电流为：。存储电容，选用BAW型：反向电流为：；漏电流为：。设计计算：设计时，取，然后通过仿真调整。波形峰值上升时间取为：，则波峰值上升速率为：，要求。式中，为电桥放大器输出的峰值电压。f为加速度信号频率，即。存储电容的值在之间选取，要求：。检查的放电时间：存储电容上的电压从10V降到1V，即时，所需的时间大约为500s。根据所选元件的交流参数计算：要求：。（2） 负峰值检测器负峰值检测器设计计算方法同正峰值检测器相同。（3） 正、负峰值检测器将正峰值检测器与负峰值检测器并联，便组成了正、负峰值检测器。图 12 峰值检测电路（2 分）3. 有效值检测电路原理、设计计算对于正弦信号，在没有干扰的情况下，其振动峰值a peak就是它的幅值A，而有效值a RMS 、绝对均值 a 和峰值A之间的关系如下： （1）绝对均值：表示振动信号经整流后得等效直流量（强度）。表达式：（2）有效值：反映振动的强弱。表达式：其中，T为测量周期。在幅值A为已知的前提下，可以简单地采用模拟计算来得到绝对均值和有效值，不必再设计复杂的检测电路。图 13 有效值检测电路（2 分）4. 峰值、有效值检测器仿真峰值、有效值检测器仿真电路及结果如下：图 14 峰值、有效值检测器仿真（2 分）四、供桥电源设计该电源为电桥、放大器和滤波器用电源，由集成稳压器组成，性能稳定、结构简单。1.设计指标输入为220V，输出为两档：档：，对称输出，供信号调理电路用；档：，连续可调，为恒流供桥电源。纹波电压和稳压系数分别为：2.小型变压器设计原理小型变压器设计是根据变压器的副边输出功率来进行的，设计内容包括：（1）求副边总视在功率；（2）由副边总视在功率计算原边输入视在功率和电流；（3）根据功率和电流设计变压器。副边总视在功率为所有输出功率之和，按最大输出计算，考虑到整流电路和二极管的压降(0.7V)，必须对副边电压加以修正（修正系数取为1.11），再加0.7V 压降，有U io= u i 1.11+20.7V,Ioimax= i档输出总电流1.11mA则变压器副边输出总视在功率为：PSO=UOiIOimaxVA原边视在功率、原边电流分别为：PSO=PSO,Iin=PSiU式中，小型变压器效率=0.70.9，空载时磁场电流系数=1.11.2 计算得：档：；档：。3.稳压电路图主要原件、性能CW7812：正稳压器，最大输入电压为 35V，最小为14.5V，当输入19V 时，输出为12V，输出电流 1.5A，加散热片。CW7912：正稳压器，最大输入电压为35 V，最小为14V，当输入19V 时，输出为-12 V，输出电流1.5A，加散热片。CW317：可调三端式集成稳压器，输出电压为1.237V，输出电流为1.5A，最大输出压差为：UIN-UOUT=40 (V)，最小输出压差为3V。1、 固定式三端稳压器：CW7812（正）、CW7912（负）。2、 可调式三端稳压器：CW317、CW337。输出电压：式中。经计算得。5. 电路设计、原件选取原则整流二极管的选择反向击穿电压：（为副边输出电压）额定工作电流：（集成稳压器的最大输出电流）滤波电容的耐压值：滤波电容估算：式中：电容放电电流，取t电容放电时间，取t=0.01s输入端电压峰峰值分别为稳压管输入和输出电压和分别为纹波电压和稳压系数。图 15 双极性输出电源电路（2 分）图 16 电源电路总成（2 分）五、传感器、信号调理器电路总成将前面设计的所有电路，按下面结构框图形式组成电路总成。可得：图 17 传感器、信号调理器电路总成（2 分）六、加速度信号测试与信号分析处理1. 振动加速度信号测试a)测试对象测试对象为一实心圆柱形悬臂梁。通过对该悬臂梁进行敲击得到振动加速度信号，并通过上文中设计的应变式加速度传感器和信号调理电路进行信号的采集。b)测试系统原理应变式加速度传感器是一种低频传感器，由弹性梁，质量块，应变片及电桥等组成，质量块在加速度作用下，产生惯性力使弹性梁变形来获取信号。当弹性梁上的压电材料受一定方向力而使自己变形时，内部就产生极化现象。同时在它的两个相对的表面上便产生符号相反的电荷；当外力去掉后，又重新恢复不带电的状态；当作用力的方向改变时，电荷的极性也随着改变。c)测试过程将支座与待测物刚性地固定在一起。当待测物运动时，支座与待测物以同一加速度运动，压电元件受到质量块与加速度相反方向的惯性力的作用，在晶体的两个表面上产生交变电压。当振动频率远低于传感器的固有频率时，传感器的输出电压与作用力成正比。电信号经前置放大器放大，即可由一般测量仪器测试出电压大小，从而得出物体的加速度。压电传感器电压放大器电路AD转换计算机采集图 18 测试系统原理框图（2 分）2. 信号分析处理经数据采样过后，共得到1024个数据，采样频率为5000Hz。可得原始数据的时域图：图 19 振动加速度测试信号的时域波形图（2 分）原始数据的幅频特性图（1） 对数据进行零均值化零均值化的目的是去除直流分量，因为信号均值相当于一个直流分量，其傅里叶变换是在处的冲激函数，若不去除均值，在作谱分析时，将在处出现一个大的谱峰，影响在左右的频谱曲线，产生较大误差，因此需零均值化处理。得零均值化后的数据：零均值化处理后的时域图（2） 对数据进行消除趋势项处理振动信号采集时由于传感器周围的环境干扰等测量值常会偏离基线,偏离基线的大小会随时间变化的过程称为信号的趋势项。趋势会使时域中的相关分析和频率中的功率谱分析产生较大误差,甚至使低频谱完全失真。因此信号分析中要消除趋势项，本文采用最小二乘法去除趋势项，并在matlab上实现算法编程，处理结果如下：消除趋势项处理后的时域图（3） 最终，对数据进行FFT变换，求得数据的幅频特性曲线，得固有频率为1.606105Hz图 20 振动加速度测试信号的频谱图（2 分）七、 总结应变式加速度传感器是一种能够测量加速度、速度和位移的传感器。通常由质量块、阻尼器、弹性元件、敏感元件和适调电路等部分组成。应变式加速度传感器通常是将应变片贴在各种弹性敏感元件上组合而成，当弹性敏感元件受到外作用力、力矩、压力、位移加速度等各种参数作用时，将产生位移、应力和应变，此时，电阻应变片就可将其转换为电阻的变化。这种传感器可用不同弹性的敏感元件形式完成多种参数的转换，构成检测各种参数的应变式传感器。电阻应变片就是传感器中的转换元件，它是电阻应变式传感器的核心元件。应变式