应变式加速度测试系统与信号处理设计

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：0.01～149Hz；非线性误差：≤0.05灵敏度：≥0.001(v/g)外壳尺寸：不大于16mm×16mm×20mm；重量：不大于15g；供桥电压：2V～24V（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 (1)1.应变式加速度传感器简介： (1)2.设计计算： (2)3.设计结果: (4)三、信号调理器设计 (5)1、电桥放大器设计： (6)2、滤波器设计 (9)3、积分电路设计 (12)4、有效值、峰值检测电路设计 (17)四、供桥电源设计 (21)1.设计指标 (21)2.小型变压器设计原理 (21)3.稳压电路图主要原件、性能 (22)5.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 (25)1. 振动加速度信号测试 (25)2. 信号分析处理 (26)七、总结 (28)附录数据处理程序 (29)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。

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：W max<w0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：F g=Mg(N)=M×9.807(N)=0.03163N 贴片处梁长(根据应变片尺寸决定)：L x≥ L-3（mm）设置于4mm处梁应变灵敏度(贴片处的应变)：εg=6F g L xEbℎ2(ε/g)= 8.98×10−7ε/g5.梁根部应变检查梁根部允许最大应变：εL max≤0.0004 (ε)50g作用时，质量块产生的惯性力：F a=Ma(N)=50×F g梁根部应变：εg=6F a LEbℎ2(ε)≤εL max如梁根部应变超限，则修改参数重新计算。

计算得εg=6F a LEbℎ2(ε)=1.236×10−4≤ 0.0004 (ε)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：σT=0.5×σb(N/m2)由许用应力计算梁的最小允许端宽：b min=6F a Lℎ2σT(m)如给定宽度值小于b min，则重新给定。

计算得b min=6F a Lℎ2σT(m)=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：w g=4F a L3Ebℎ3(m)要求：w max < w0，若不满足要求，修改参数重新计算。

计算得w g=4F a L3Ebℎ3(m)=0.0124mm，小于0.724mm，符合条件。

8.传感器固有频率计算无阻尼固有频率：f n=12π√Ebℎ34ML3(Hz)有阻尼固有频率：f c=f n√1−ζ2(Hz)其中，阻尼比取为：ζ= 0.5。

有阻尼固有频率应大于传感器的最高工作频率。

计算得：f n=998.36Hzf c=864.6Hz9.检查最高工作频率处的非线性误差通过MATLAB做bode图来进行幅频曲线的检查程序如下：num=[39349034.58]den=[1 6272.88 39349034.58 ]sys=tf(num,den)bode(sys)后附bode 图 图410. 计算传感器灵敏度单臂工作时电桥输出电压：U 0≈−14U E δ=−14U E △RR工作片的电阻变化率与梁应变灵敏度成正比，比例系数为K (灵敏度系数)：δg =△R R=Kεg传感器灵敏度即为电桥灵敏度(一个g 作用时的输出电压)S u ≈−14U E δg =−14U E Kεg (v/g)11. 三种电桥工作方式电桥由四个臂组成，分单臂、双臂和四臂(全桥)工作三种情况，其中双臂和四臂工作时采用差动方式。

三种工作方式下的电桥灵敏度单臂工作:S u ≈−14U E Kεg (v/g)双臂工作：:S u ≈−12U E Kεg (v/g) 四臂工作：:S u ≈−U E Kεg (v/g)选择四臂工作模式，得电桥灵敏度S u ≈−12U E Kεg (v/g)= 0.0020205＞0.001(v/g)，符合条件。

3.设计结果:梁材料：弹簧钢5号（弹性模量211/1020.2M N E ⨯=,密度3/83.7cm g =ρ，抗拉强度27/10131m N b ⨯=σ）质量块材料：碳钢（弹性模量 E = 2 ⋅109N/m 2，密度 θ = 7.85g/cm 3） 壳体材料：硬铝（弹性模量 E = 0.72 ⋅1011N/m 2，密度 θ = 2.86g/cm 3） 硅油：甲基硅油（密度 ρ = 0.95(g/cm 3 )，阻尼比ς = 0.5）应变片：硅应变片E （基底尺寸245mm ⨯，硅片尺寸306.04.03mm ⨯⨯）表 1结构尺寸表 2传感器性能2C=8mm2R=8mm图 3 设计结果简图（4）传感器幅频特性计算及评价图 4 传感器幅频特性三、信号调理器设计信号调理器是传感器的二次仪器，其作用是对传感器输出的微弱信号进放大和处理，滤去干扰，获得所需的信号，并为 A/D 转换提供具有足够能量的模拟信号。

设计内容：电桥放大器、恒流电源、调零电路、标定电路等技术要求：频率范围：0.1～149Hz；非线性误差：≤0.05灵敏度：≥0.001(v/g)1、 电桥放大器设计：电桥放大器由电桥、供桥电源、调零电路、标定电路、运算放大器等组成,可用于放大微弱的电流，提高测试系统的性能。

本设计采用的是电源接地式电桥放大器,电桥部分的原理图如下：1. 设计计算：设工作臂：R X =R(1+△R/R)=R(1+δ)根据节点电流定律，对A 点可得：I 1=I 2+I 3对B 点可得：I 4=I 5+I 6 由电路图知：I 1=U e −U −R，I 2=U −R，I 3=U −−U oR f，I 5=U +R f，I 6=U +R x由以上关系，可解得：U +=U e R 1R +1R f +1R x，, U −=U e R +U o R f 2R +1R f由运放特性，U −=U +，可求得U 0: U 0=R f R·U e δ1+(1+δ)(1+R R f)当δ＜＜1时，U 0≈R f R·U e δ2+R R f，可进一步简化为U 0≈R f R·U e δ2采用恒流源：U 0=R f2·I O δ1+(1+δ)R R f计算得：设：电阻精度级：0.5 级 双臂工作，桥臂电阻： 1KΩ 桥臂最大工作电流：15mA 供桥电压：24v两档输出：±15v ，±10v放大器输出：U 0≈R f R ·U eδ2计算可得：R f1=185K Ω，R f2=124K Ω，R 3=185KΩ，R 4=1.6KΩ，R 5=185KΩ，R 0=2.6KΩ，R s =2.6KΩ可作出电桥放大器仿真图：图 5 电桥放大器2. 恒流源工作原理、设计计算、电路原理图恒流电源：输出电流正比于输入电压的电路，称之为电压-电流变换电路，若输入电压恒定，其输出到负载的电流也恒定，与负载无关，则为恒流电源。