一種振動傳感器帶內(nèi)不平度補償方法*

郭 濤，張麗梅，馮玉志，暢彥祥

(1.中北大學電子測試技術國家重點實驗室，山西 太原030051；2.北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京100076；3.陸軍裝備部駐北京軍事代表局某代表室，北京100076)

航天器在飛行過程中伴隨著劇烈的振動，而劇烈的振動會破壞航天器的運行狀態(tài)甚至縮短設備的使用壽命。 實時監(jiān)測航天器的振動響應能夠相對準確反映航天器的運行狀態(tài)。 因此，采集必要的結(jié)構(gòu)振動信息成為航天器飛行過程健康監(jiān)測中的重要環(huán)節(jié)[1-4]。

作為航天器狀態(tài)和性能監(jiān)測的重要工具，振動傳感器的性能指標直接影響著航天器高精度的發(fā)展。 振動傳感器技術指標包括靈敏度、線性度、遲滯、重復性、頻響范圍、帶內(nèi)不平度等，每一個指標的好壞都直接影響振動傳感器的整體測量精度。 傳感器性能的優(yōu)化可以通過傳感器調(diào)理電路設計、傳感器敏感芯體結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方法來實現(xiàn)[5-8]。 本文針對1221L-1K0 型號加速度傳感器在4 kHz 附近頻率“上翹”，帶內(nèi)不平度不滿足小于1 dB 使用要求的問題，提出一種帶內(nèi)不平度補償方法，補償后的振動傳感器經(jīng)試驗測試標定，帶內(nèi)不平度小于1 dB。

1 系統(tǒng)硬件組成

振動傳感器系統(tǒng)由1221L-1K0 加速度傳感器、放大電路、濾波電路、帶內(nèi)不平度補償電路、輸出飽和控制電路、電源電路以及輸入輸出接口電路構(gòu)成，其系統(tǒng)框圖如圖1 所示。

圖1 振動傳感器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1221L-1K0 加速度傳感器將感受到的加速度信號轉(zhuǎn)化為電壓信號，經(jīng)過放大、濾波后再經(jīng)過帶內(nèi)不平度補償電路，將4 kHz 附近上翹部分補償平坦，使最終輸出的信號在4 kHz 通帶內(nèi)不平度小于1 dB。 當傳感器輸出異常時，輸出飽和控制電路能保證其最終輸出的電壓在技術指標規(guī)定的范圍內(nèi)。

1.1 1221L-1K0 加速度傳感器

1221L-1K0 加速度傳感器是SILICON DESIGN公司研制生產(chǎn)的電容式加速度傳感器，該傳感器具有抗沖擊能力高、噪聲低、穩(wěn)定性好的特點，量程為±1 000 gn，靈敏度為2 mV/gn，抗沖擊能力大于2 萬gn，具有從直流開始的極低頻率響應，常被用于航空航天領域的振動測量[9]。

1221L-1K0 加速度傳感器芯片的頻率響應范圍為0～4 kHz 內(nèi)小于3 dB，隨機選取其中4 只傳感器，如圖2 所示，編號分別為506933、506935、506937 和506917，依次記為樣本(a)～(d)，其頻率響應曲線分別如圖3(a)～3(d)所示，部分頻率點的帶內(nèi)不平度見表1(參考頻率100 Hz)，可見傳感器在4 kHz 頻率點帶內(nèi)不平度在1 dB～3 dB 范圍內(nèi)。 為了滿足航天某型號4 kHz 內(nèi)小于1 dB 的使用需求，對其進行補償設計。 根據(jù)芯片資料[10]，其外圍電路如圖4 所示。

圖2 1221L-1K0 加速度傳感器實物圖

表1 補償前傳感器帶內(nèi)不平度 單位:dB

圖3 1221L-1K0 加速度傳感器頻響曲線

圖4 1221L-1K0 加速度傳感器外圍電路

1.2 信號調(diào)理模塊部分電路設計

信號調(diào)理模塊對1221L-1K0 加速度傳感器輸出的信號進行處理，主要包括放大電路、濾波電路、輸出飽和控制、電源電路等模塊。

1.2.1 放大電路設計

1221L-1K0 加速度傳感器為差分輸出，所以使用AD623 儀表放大器對信號進行放大，同時在儀表放大器的VREF端提供2.5 V 基準電壓，將輸出信號調(diào)整為2.5 V 基準，滿量程輸出范圍為0 ～5 V 的信號。AD623 的放大倍數(shù)計算公式見式(1)，1221L-1K0 本身的輸出范圍是0.5 V ～4.5 V，計算得放大倍數(shù)為1.25 倍，放大電阻RG選用400 kΩ 精度為1%的金屬膜精密電阻。 放大電路如圖5 所示[11]。

式中:G 為放大倍數(shù)，RG是用來調(diào)節(jié)放大倍數(shù)的放大電阻。

圖5 放大電路

1.2.2 濾波電路設計

濾波電路采取低通濾波對信號進行4 kHz 低通濾波處理，濾除高頻干擾成分。 濾波芯片采用MAXIM 公司的MAX291，它為巴特沃斯八階低通濾波器，該類型濾波器增益穩(wěn)定，適用于整個通頻帶內(nèi)增益恒定的場合[12]，符合設計要求。 圖6 為低通濾波電路，通過調(diào)節(jié)外部電容Cosc來調(diào)整其截止頻率，計算公式為:

式中:fclock為時鐘頻率，fc為截止頻率，K 為時鐘頻率和截止頻率之比，且K ＝100。 經(jīng)過計算與實驗，4 kHz 截止頻率所需Cosc容值約為80 pF，設計中使用CO1和CO2并聯(lián)得到80 pF。

圖6 低通濾波電路

1.2.3 輸出飽和控制電路

輸出端使用MM3Z5V6 穩(wěn)壓二極管進行鉗位保護，當輸出電壓在大于5.6 V 時，穩(wěn)壓二極管將輸出電壓穩(wěn)到5.6 V，使其不會對后續(xù)電路因電壓過大而損壞。 輸出飽和控制電路如圖7 所示。

圖7 輸出飽和控制電路

1.2.4 電源電路

系統(tǒng)所使用外部供電為+15 V 電壓，用來給運放供電，AD623、MAX291 和1221L-1K0 芯片均為5 V 供電，故選用LT1761-5.0 轉(zhuǎn)為+5 V 給芯片供電，同時使用LM136-2.5V 將電壓轉(zhuǎn)換為2.5 V 給1221L-1K0和AD623 提供基準電壓。 查詢主要器件耗電電流，設計中使用2 個LT1761-5.0 芯片并聯(lián)可滿足系統(tǒng)供電。 供電模塊前后級均使用貼片陶瓷電容進行濾波，使電源抗噪聲能力增加，系統(tǒng)壽命更持久。

1.3 帶內(nèi)不平度補償電路設計

經(jīng)過研究1221L-1K0 加速度傳感器的頻率響應曲線，它在1 kHz～4 kHz 呈緩慢上翹趨勢，其上翹速度與一階低通濾波電路的衰減速度接近，故選用一階低通濾波器對其進行補償，一階無源RC 濾波電路簡單，但帶負載能力差[13]，故本設計采用一階低通有源濾波電路，電路設計如圖8 所示，為了使其同時具有放大功能，把電壓跟隨器設計為同相比例運算電路。

圖8 一階低通有源濾波電路

根據(jù)1221L-1K0 傳感器的補償需求，截止頻率在4 kHz 下降1 dB～3 dB，首先選取C 的值，C 值不宜過大，一般≤1 μF，本設計中，選取C 值為0.01 μF，經(jīng)過計算和仿真，要使4 kHz 附近衰減1.18 dB、1.50 dB、1.31 dB 和1.12 dB，R 值的選取分別為2.2 kΩ、2.52 kΩ、2.33 kΩ 和2.14 kΩ，Multisim 軟件中的仿真結(jié)果如圖9(a)～9(d)。 本設計中因前端已有儀表放大電路，故該補償部分不需要再次放大，設計中選用R9為1 kΩ，R8為510 kΩ。

圖9 低通濾波電路仿真圖

2 實驗

使用B＆K 3629 傳感器校準系統(tǒng)對四個調(diào)理補償后的傳感器進行10 Hz～6 kHz 掃頻標定，得到的掃頻曲線分別如圖10(a)～10(d)，選取部分頻率點的帶內(nèi)不平度如表2 所示，可見，補償調(diào)理后的傳感器在4 kHz 內(nèi)不平度小于1 dB(參考頻率100 Hz)，滿足設計要求。

圖10 補償后的掃頻曲線

表2 補償后傳感器帶內(nèi)不平度 單位:dB

3 結(jié)語

本文以1221L-1K0 加速度傳感器為例，詳細說明了它在4 kHz 附近的帶內(nèi)不平度補償方法。 通過Multisim 對補償方法進行仿真驗證，補償設計只需根據(jù)4 kHz 點的衰減情況進行分析計算，選取適當?shù)淖枞葜?，并根?jù)傳感器實際的“上翹”速度決定其補償電路選用的階數(shù)。 對其中4 只傳感器進行試驗測試，測試結(jié)果表明此方法有助于帶內(nèi)不平度補償?shù)脑O計。 同時，該方法同樣適用于類似加速度傳感器的帶內(nèi)不平度補償。