基于IEPE加速度傳感器的振動測試系統(tǒng)研究

宋先進，王 志

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，安徽 合肥 230009；2.安徽省計量科學(xué)研究院，安徽 合肥 230051)

振動是自然界普遍存在的現(xiàn)象，尤其是在工業(yè)生產(chǎn)中，振動測試主要從振動頻率、振動強度、振源尋找等方面著手[1]，準確地獲得振動參數(shù)對我們優(yōu)化工業(yè)生產(chǎn)設(shè)計和合理安排工業(yè)生產(chǎn)活動具有重大意義。壓電式加速度傳感器因為具有體積小、重量輕、測量頻率范圍寬和易于安裝等優(yōu)點廣泛應(yīng)用于振動測試中[2]。但壓電式加速度傳感器存在內(nèi)部壓電晶體產(chǎn)生的電信號微弱、易受干擾等問題[3]；IEPE加速度傳感器是一種內(nèi)置放大電路的壓電式加速度傳感器，能減少周圍環(huán)境對信號傳輸?shù)母蓴_；因此具有高靈敏度、抗干擾等特點，所以其在振動測試方面有著廣泛的應(yīng)用。文章基于IEPE加速度傳感器設(shè)計了一套振動測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括IEPE加速度傳感器、傳感器驅(qū)動及信號調(diào)理電路、高速數(shù)據(jù)采集卡及l(fā)abview2010軟件開發(fā)平臺。并對振動測試系統(tǒng)進行標定，標定結(jié)果表明該振動測試系統(tǒng)振動測量最大誤差1Hz，精度較高，基本滿足實驗要求。

1 振動測試系統(tǒng)組成

振動測試系統(tǒng)包括IEPE加速度傳感器、傳感器驅(qū)動及信號調(diào)理電路、高速數(shù)據(jù)采集卡及l(fā)abview2010軟件開發(fā)平臺，振動測試系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 振動測試系統(tǒng)

1.1 IEPE加速度傳感器介紹

IEPE加速度傳感器分為電荷輸出型和電壓輸出型，電壓輸出型又包括兩線制和三線制，兩線制即兩根線中一根是信號/電源線，一根是地線；三線制即三根線分別是信號線、地線、電源線。本文選用的是兩線制的電壓輸出型IEPE傳感器，采用東華測試有限公司生產(chǎn)的IEPE壓電式加速度傳感器型號1A315E，其基本參數(shù)有：靈敏度x向1000mV/g、y向1042mV/g、z向1032mV/g、，量程±5g，頻率響應(yīng)范圍1.5～5000Hz，工作電壓為12～30V，工作電流為恒流2～20mA，直流偏置電壓10V。

IEPE加速度傳感器是一種基于壓電效應(yīng)的壓電式加速度傳感器，它是對普通壓電式加速度傳感器的改進。普通壓電式加速度傳感器由于內(nèi)部壓電晶體產(chǎn)生的電量信號很微小，必須外接電荷或者電壓放大器使用，但微小的電信號在長距離傳輸時容易受干擾，這就降低了傳感器的測量精度和穩(wěn)定性。IEPE加速度傳感器是一種自帶電荷放大器或電壓放大器的加速度傳感器，它把放大電路內(nèi)置于傳感器中。

1.2 驅(qū)動及信號調(diào)理電路構(gòu)成

IEPE加速度傳感器的驅(qū)動及信號調(diào)理電路包括恒流源電路、偏置電路、電壓基準電路、穩(wěn)壓電路，電源隔離模塊。

1.2.1 恒流源設(shè)計

IEPE加速度傳感器驅(qū)動電路的核心部分是恒流源電路，為了抑制傳感器輸出信號的溫度漂移，獲得良好的溫度特性，IEPE加速度傳感器需要精密的恒流源[4]。本文中的恒流源是基于LM334設(shè)計的[5]，其用到的器件較少，可以提高恒流源的穩(wěn)定性和可靠性，其基本電路如圖2所示，其中Rset為恒流源設(shè)置電阻。

流經(jīng)LM334的總電流ISET等于流過LM334的偏置電流IBIAS和流過設(shè)置電阻Rset的電流IR之和，電流IBIAS和ISET的比例關(guān)系曲線如圖3所示。

圖2 恒流源電路

圖3 電流ISET——IBIAS比例關(guān)系曲線圖

在1uA～4mA的電流范圍內(nèi)，比例的典型值是18，即：

(1)

其中根據(jù)其特性VR一般是214μV/K，其特性是和溫度有關(guān)的。為了對溫度特性進行補償，使電流在一定溫度范圍內(nèi)恒定，下面對電路進行改進，其電路如圖4所示。

根據(jù)LM334工作原理，另外在添加一只電阻和一只硅二極管，其分析過程如下：設(shè)定電路各支路的電流分別為I1、I2和IBIAS；

圖4 零溫度系數(shù)的恒流源電路

則有：

ISET=I1+I2+IBIAS

(2)

式(2)中：I1=VR/R1；I2=(VR+VD)/R2；IBIAS很小，可以忽略不計。

單位溫度變化所引起的電流變化即電流溫度系數(shù)，可以求電流對溫度求導(dǎo)。即：

(3)

(4)

I2=(VR+VD)/R2

(5)

(6)

(7)

(8)

電流值的大小為：

(9)

1.2.2 信號處理電路及電源電路

IEPE加速度傳感器在工作狀態(tài)下產(chǎn)生的原始信號由兩部分組成：一是靜態(tài)時的直流偏置電壓，其大小在傳感器出廠時就固定下來；另一部分是動態(tài)的振動信號。本文中選用的IEPE加速度傳感器的直流偏置電壓為10V，因此本文中設(shè)計一個偏置電路，其目的是使傳感器在初始狀態(tài)下的輸出為0V。偏置電路中需要一個10V的基準電壓，基準電壓的精度很大程度上會影響測量系統(tǒng)的精度，所以本文選擇標準的基準電壓芯片設(shè)計10V的基準電壓。

信號調(diào)理模塊采用單一的5V電壓供電，本文選取電源隔離模塊，它可以實現(xiàn)5V電壓輸入，±24V電壓輸出；同時設(shè)計了±18V穩(wěn)壓電路，為恒流源電路、偏置電路和10V基準電壓電路供電。

1.3 軟件平臺

1.3.1 數(shù)據(jù)采集卡

我們采用NI公司生產(chǎn)的USB 6210數(shù)據(jù)采集卡進行數(shù)據(jù)采集，USB-6210是一款多功能DAQ設(shè)備，可同時對16路電壓進行采集，16位分辨率，單通道采集速率為250KS/s。

1.3.2 軟件設(shè)計

軟件設(shè)計的功能包括信號采集、歷史數(shù)據(jù)的讀取記錄、數(shù)字濾波和時域頻域分析[6]，這些都是通過直接調(diào)用labview2010軟件中的函數(shù)完成的。軟件設(shè)計流程圖如圖5所示。

圖5 軟件設(shè)計流程圖

2 振動測試系統(tǒng)標定

描述振動信號的一個重要參數(shù)是信號的頻率，絕大多數(shù)的工程振動均可分解成一定頻率和幅值的正弦信號，我們選定振動頻率為所要標定的測量參數(shù)。標定要用到的裝置有：信號發(fā)生器、功率放大器、振動臺、東華測試公司的測量系統(tǒng)、本文構(gòu)建的測試系統(tǒng)等，測試系統(tǒng)標定示意圖如圖6所示。

圖6 振動測試系統(tǒng)標定示意圖

標定實驗以振動臺作為振源，由信號發(fā)生器產(chǎn)生正弦波激勵，放大器對激勵信號的振幅進行放大，放大后的激勵信號加在振動臺上，使振動臺起振；然后分別用基于東華測試公司標準信號調(diào)理模塊的測試系統(tǒng)和本文中構(gòu)建的振動測量系統(tǒng)測量振源振動情況，并進行數(shù)據(jù)記錄和分析。

以分析振動頻率為例，依次改變信號發(fā)生器的頻率，然后分別用上文提到的兩種測量系統(tǒng)對振源的振動頻率進行測量，以東華測試公司的測量系統(tǒng)為標準參考，對本文中自制的振動測試系統(tǒng)進行精度和可靠性評估。選取一次測量過程中的八組數(shù)據(jù)，其結(jié)果見表1和圖7。

表1 兩套系統(tǒng)實驗結(jié)果比對(單位：Hz)

圖7 兩種測量系統(tǒng)實驗數(shù)據(jù)對比

由表1和圖7可得，以東華測試系統(tǒng)的測量結(jié)果為標準，本文中的振動測量系統(tǒng)的測量誤差最大為1Hz，標準差為0.48Hz，證明本文中的振動測試系統(tǒng)測量精度較好，可靠性高。