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高振动环境下的阻尼解决方案
2018-02-25 22:48:41·
汽车工程师们经常会面临的挑战是：在嘈杂的环境（包括外来的高频、高振动等）中测量低水平、低频率的振动。其信号源可能包括宽频带的随机振动，或测量目标频率外不必要的结构共振产生的信号。目前用于这些测试常用的方法是选用带宽非常宽的，有高Q值（无阻尼）的加速度传感器，比如压电式加速度计。如果安装部位的振动包含
汽车工程师们经常会面临的挑战是：在嘈杂的环境（包括外来的高频、高振动等）中测量低水平、低频率的振动。其信号源可能包括宽频带的随机振动，或测量目标频率外不必要的结构共振产生的信号。
目前用于这些测试常用的方法是选用带宽非常宽的，有高Q值（无阻尼）的加速度传感器，比如压电式加速度计。如果安装部位的振动包含与无阻尼加速度计固有频率相近的频率，则会引起共振峰值。如果增益值设置不当的话，这个共振峰值会在用户的数据采集系统中导致波形扭曲。另一方面，为补偿谐振点的放大效应而调小增益，在低频测量的情况下会大幅降低传感器的分辨率。
避免上述问题最常见的方法就是在数据采集过程中采用低通滤波。然而，用户可能在毫无察觉的情况下使用错误的波形。
精量电子（MEAS）提供机械阻尼式加速度传感器作为独一无二的解决方案。MEAS一直以来都以Entran和FGP两个品牌提供液态阻尼的硅应变片加速度传感器。具体方法是通过混合选定粘度的硅油，以达到室温下0.7的临界阻尼。液态阻尼的缺点是液体的粘度会随着温度的变化而产生明显的变化，冷的时候会频率响应过度阻尼，热的时候又会欠阻尼。
MEAS最新推出一系列小型压阻式挤压气膜阻尼加速度传感器。产品采用微硅机电(MEMS)技术，将三层堆叠的微加工晶圆粘合。切割分离后的芯片的最上一层成为传感器的顶部，最下一层为基底，中间的一层包括质量块，悬臂梁，和电路基板，见图1。电阻被离子布植在应变敏感的悬臂梁上，以建立一个四桥臂的动态惠斯通电桥。
气阻尼最显著的优点就是介质（空气）的粘度受温度影响相对较小。MEAS压阻传感器的质量块被两个平行的表面夹在中间，在空隙部分填充惰性气体。阻尼系数由芯片顶部和基底上与质量块的气隙的高度决定，如果质量块移动缓慢，气膜所受的压力小；当气膜以很高的频率移动时，气体被困在空隙里而且受到挤压，从而释放机械能，以达到阻尼的目的。
可以把加速度传感器的控制功能视为一个单自由度装置，而且仿效质量弹簧阻尼器的固有频率和阻尼因数。选择临界阻尼0.7的目的是防止加速度计的谐振峰值，并且保证使用频段的平坦性。
阻尼实际上可以扩展给定固有频率的可用通带。例如：基于±5%的振幅误差（±0.43dB），由于高Q值的影响，无阻尼的固有频率一定会高于传感器线性测试最大频率的五分之一。然而一个带有0.7临界阻尼的加速度计的最大测试频率最多是固有频率的一半。因此，带阻尼加速度计的可用带宽是无阻尼加速度计的2.5倍。另外，带阻尼加速度计比无阻尼的加速度计更坚固，从而也提高了产品的可靠性。
阻尼潜在的缺点是相移。无阻尼的加速度计的通带相移非常小，而且可以通过谐振很快就会消失。带阻尼加速度计的相位随着频率逐渐变化。但是只要相位变化是线性的，波形就不会改变，只是存在时间延迟。
机械阻尼优点的一个典型范例是某制造商需要进行发动机的摆动测试，测试人员要在0.5 ~ 5Hz的带宽范围内测量几百个毫g的加速度。可是发动机在300Hz的频率产生了100g的尖峰，使无阻尼的加速度计达到饱和。MEAS为客户提供了机械阻尼加速度计，不必要的发动机噪声被过滤掉了，客户获取了精准的测量结果。
现场测试证明机械阻尼技术在苛刻的动态环境中可以进行高分辨率，低频率，甚至DC的振动测量。
目前用于这些测试常用的方法是选用带宽非常宽的，有高Q值（无阻尼）的加速度传感器，比如压电式加速度计。如果安装部位的振动包含与无阻尼加速度计固有频率相近的频率，则会引起共振峰值。如果增益值设置不当的话，这个共振峰值会在用户的数据采集系统中导致波形扭曲。另一方面，为补偿谐振点的放大效应而调小增益，在低频测量的情况下会大幅降低传感器的分辨率。
避免上述问题最常见的方法就是在数据采集过程中采用低通滤波。然而，用户可能在毫无察觉的情况下使用错误的波形。
精量电子（MEAS）提供机械阻尼式加速度传感器作为独一无二的解决方案。MEAS一直以来都以Entran和FGP两个品牌提供液态阻尼的硅应变片加速度传感器。具体方法是通过混合选定粘度的硅油，以达到室温下0.7的临界阻尼。液态阻尼的缺点是液体的粘度会随着温度的变化而产生明显的变化，冷的时候会频率响应过度阻尼，热的时候又会欠阻尼。
MEAS最新推出一系列小型压阻式挤压气膜阻尼加速度传感器。产品采用微硅机电(MEMS)技术，将三层堆叠的微加工晶圆粘合。切割分离后的芯片的最上一层成为传感器的顶部，最下一层为基底，中间的一层包括质量块，悬臂梁，和电路基板，见图1。电阻被离子布植在应变敏感的悬臂梁上，以建立一个四桥臂的动态惠斯通电桥。
气阻尼最显著的优点就是介质（空气）的粘度受温度影响相对较小。MEAS压阻传感器的质量块被两个平行的表面夹在中间，在空隙部分填充惰性气体。阻尼系数由芯片顶部和基底上与质量块的气隙的高度决定，如果质量块移动缓慢，气膜所受的压力小；当气膜以很高的频率移动时，气体被困在空隙里而且受到挤压，从而释放机械能，以达到阻尼的目的。
可以把加速度传感器的控制功能视为一个单自由度装置，而且仿效质量弹簧阻尼器的固有频率和阻尼因数。选择临界阻尼0.7的目的是防止加速度计的谐振峰值，并且保证使用频段的平坦性。
阻尼实际上可以扩展给定固有频率的可用通带。例如：基于±5%的振幅误差（±0.43dB），由于高Q值的影响，无阻尼的固有频率一定会高于传感器线性测试最大频率的五分之一。然而一个带有0.7临界阻尼的加速度计的最大测试频率最多是固有频率的一半。因此，带阻尼加速度计的可用带宽是无阻尼加速度计的2.5倍。另外，带阻尼加速度计比无阻尼的加速度计更坚固，从而也提高了产品的可靠性。
阻尼潜在的缺点是相移。无阻尼的加速度计的通带相移非常小，而且可以通过谐振很快就会消失。带阻尼加速度计的相位随着频率逐渐变化。但是只要相位变化是线性的，波形就不会改变，只是存在时间延迟。
机械阻尼优点的一个典型范例是某制造商需要进行发动机的摆动测试，测试人员要在0.5 ~ 5Hz的带宽范围内测量几百个毫g的加速度。可是发动机在300Hz的频率产生了100g的尖峰，使无阻尼的加速度计达到饱和。MEAS为客户提供了机械阻尼加速度计，不必要的发动机噪声被过滤掉了，客户获取了精准的测量结果。
现场测试证明机械阻尼技术在苛刻的动态环境中可以进行高分辨率，低频率，甚至DC的振动测量。
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