高量程加速度传感器横向响应波的自跟踪识别方法及系统的制作方法

专利名称：高量程加速度传感器横向响应波的自跟踪识别方法及系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及提供一种高量程加速度传感器横向响应波的跟踪识别方法和系统，属
于微传感器的力学测试分析领域。
背景技术：
在加速度传感器的测试方法中，绝对测试法属于一级原始标定测试，常采用金属 应变法或者激光干涉法用来作为信号的检测手段，以表征待测试的加速度传感器的特性。 比较法是较为常用的一种二级的具有传递特性的测试法，即采用一个已经标定过的参数已 知的加速度传感器来测试另外一个加速度传感器，以获取加速度传感器的灵敏度等参数。 实际上，更为主要的是参数已知的用来比较的加速度传感器更能起到波形同步跟踪和识别 的作用，进行输出波形幅度和相位等几个参数的比较。 横向响应或者横向灵敏度是加速度传感器的一个重要参数。对于量程在10000g(g =9. 8m/s2)以上的单轴高量程加速度传感器，在测量横向响应或者灵敏度时，由于横向输 出信号的灵敏度较低，当横向加速度作用到敏感结构上时，传感器输出信号波形的幅度就 非常小，同时受到来自加速度传感器和外界其他信号的干扰，横向碰撞过程中产生的第一 个输出波很难识别。在申请号为[200710037952. 0]的申请中，横向响应可以采用比较法进 行测试。给出了利用两个加速度传感器的比较法，可以容易获取这一信号。但当只有一只 被测试的加速度传感器，而又没有其他应变计、加速度传感器或其它外界触发装置时，这时 识别主撞击过程中的第一个横向响应波就成为一个大的问题。大多时候，在主撞击持续时 间后，一些复杂的高频率波会产生。因为，器件的横向效应本身就很小，这就导致区分和识 别主撞击持续时间内第一个横向输出波信号变得困难。因此，本发明拟提出在只有一只待 测试的加速度传感器的情况下，对此加速度传感器的横向响应进行自跟踪识别的方法和使 用的系统，用来进行识别高冲击过程中的加速度传感器的第一个横向响应波。

发明内容
本发明的目的在于提供一种基于高量程加速度传感器的横向响应跟踪识别的方 法及其使用的系统。本发明的特征在于利用金属间摩擦碰撞或者金属与空气摩擦等产生 的电信号作为触发信号标记，同时利用声波在金属杆中传播时间是一固定数值进行时域上 的尺度分析，对高量程加速度传感器横向响应波的信号跟踪和识别，整个识别系统包括放 大器、计算机数据采集系统，和一个待测试的加速度传感器，而无需外加触发装置或者传感 器、应变计等。本发明的目的之一在于提供一种高量程加速度传感器横向信号自跟踪识别 和分析的方法。 金属杆下落过程中与空气摩擦产生静电荷，当发生碰撞时，所积累的电荷会瞬间 产生一个尖锐脉冲电压，所产生的脉冲信号的时间非常短，通常在数微秒量级，由于此信号 并非是真实的力学加速度或者外力产生的信号，并且时间又非常短，所以加速度传感器并 没有发生形变响应，也就是加速度传感器敏感质量块并没有发生机械形变而产生压阻响应，实际上这一信号由于电压幅值很高超过所设定的电平而以电磁波的速度经过导线传递 到数据采集系统，数据采集系统在此刻开时进行信号记录。计算机的数据采集系统一直处 于工作状态中，当有信号超过所设定的阈值电平时，就开始进行数据采集。随后，碰撞过程 所产生的应力波将以声速沿金属杆传递到加速度传感器，加速度传感器的敏感压阻质量块 发生形变，产生电压输出经过导线传递到数据采集系统。数据采集系统就将所有的信号电 压波形记录下来。其中的时间间隔取决于金属杆中的声速和长度，传播时间表示为t = L/ C，而声速是由材料的杨氏膜模量和密度参数决定的，在钢或铝合金金属杆中声速为C二 5000m/s。也就是说，摩擦碰撞产生的触发电信号以光速运动到达采集系统，而碰撞过程所 产生的声波信号运动速度要远远低于电信号，因此，在此尖脉冲触发后的t = L/C时间，横 向波信号将要到达，利用这一原理就可以进行自动信号波形的自动跟踪。也就是说，利用摩 擦产生的尖脉冲信号作为触发电平，用来进行记录这一过程。 图1是自由落体发生碰撞时单轴高量程加速度传感器的测试示意图。具体地说， 将加速度传感器1固定安装在一个金属杆2的尾端，加速度传感器1与信号放大器3的输 入端口相连接，信号放大器3的输出端经过电缆线与计算机数据采集系统4的输入端口连 接，同时给整个系统加电工作，所述的信号放大器加在加速度传感器上的电压为5V。随后， 将金属杆2自由落体到地面上的金属砧5上，在数据采集系统4获取高量程加速度传感器 1的由于碰撞产生的波形输出到计算机显示出来。金属杆2在下落过程中，与空气摩擦会 产生一定的静电荷，在金属杆与金属砧碰撞的瞬间也会产生静电荷，静电荷释放产生一个 窄而尖的电压脉冲信号，当产生的电压脉冲信号超过数据采集系统4设定的触发电平时， 计算机数据采集系统4在此时刻开始记录。具体操作中时，首先将计算机内的数据采集系 统4的触发电平设置在一定的阈值电压水平，当加速度传感器以及与之相连接电缆线等整 个系统中有电压信号超过此设定的电平时，计算机的数据采集系统就开始自动记录。数据 采集系统(软件Topview 400)采样频率可以设置在625KHz或者更高的频率。所述的信号 放大器能够对信号放大20倍。 图2是器件管脚、引线示意图。图3是器件在不同敏感方向的安装示意图，顺着管 脚方向(图中y方向)即为加速度传感器的敏感方向。图3(a)是当安装的器件管脚(图 2中的6，7，8和9)方向与金属杆的轴向一致时，即沿重力加速度方向y方向，在金属杆自 由下落与金属砧碰撞就记录了加速度传感器在敏感方向的输出；同样，图3(b)是当管脚方 向与金属杆的轴向垂直时，就获得了器件在非敏感方向，即横向方向(x方向)的输出。图 3(c)是器件安装在金属杆顶端非敏感z方向的示意图；图3(d)表示器件的坐标。
在加速度传感器敏感方向的测试中，由于产生的主波幅度电压信号很大，因此，容 易识别。尾端固定加速度传感器的金属杆从一定高度自由落下与地面上的金属砧相互碰 撞，金属之间相互碰撞所产生的压縮应力波传递到加速度传感器，压阻加速度传感器，即是 对力敏感的电阻结构将发生形变，从而在力敏感的电阻上产生电压信号，当产生的电压信 号经过放大器放大后，其电压幅度超过数据采集系统所设定的电平时，数据采集系统就将 开始自动记录碰撞过程所产生的波形以及随后的金属杆中的周期性波。在此过程中，碰撞 摩擦产生的一个尖锐的脉冲波信号清晰可见，图4就是在敏感方向碰撞触发标记的尖锐脉 冲和标记后一定时间间隔的敏感方向主波同时反映出来。其中的碰撞触发时刻标记和主波 脉冲的时间间隔就是压縮脉冲波以声速在金属杆中传播的时间。因此在长度一定的金属杆中应力波到达金属杆尾端固定加速度传感器处所需要的时间是一恒定数值，即声速在固定 长度的金属杆中传播的时间是固定的。因此可以利用这一特征进行捕获所需要的横向交叉 响应信号。这样，碰撞的横向响应驰豫过程就反映出来了 。 在进行横向测试过程中，由于输出信号很小，识别第一个主横向波就变得困难。按 照图3(b)将加速度传感器按照横向方向安装测试，重复上述自由落体碰撞过程，可以得到 图5的结果。图6是利用l米长铝合金杆，在从10cm落高处，横向(a)Z方向输出，(b)X方 向的输出。 安装好后器件与金属杆的直接碰撞产生信号输出效应可以排除。这里可以排除器 件二次碰撞的可能性，即在加速度传感器和金属杆尾端的固定端，当金属杆与地面上的金 属砧发生碰撞时，加速度传感器由于安装固定处同时发生了碰撞，这样，导致加速度传感器 内部由于某种原因而产生了脉冲信号。如果是二次碰撞产生的，那么信号应该是较为宽的 脉冲输出，但实际情况并不是这样。因此，排除了二次碰撞的可能性。摩擦碰撞信号可以通 过金属杆接地而使得这一效应消除。 连接管脚的金属引线以及放大电路会影响摩擦所产生的尖脉冲信号的波形特征。
如果器件金属管脚处的金属连接线长度不同，也会导致窄脉冲信号发生较大的形变。 一种
原因可能是由于器件和导线中的电压一直处于加载中，窄脉冲信号由于导线长度的差异以
及导线的振动带来一定的电感效应或者电容效应以及放大电路中的电子器件，而使得窄脉
冲信号发生延迟导致形变。实际上，相对于加速度传感器的输出信号来说，这一碰撞摩擦信
号并不是本征信号。同样，因为所要测试的加速度传感器在碰撞过程中会产生很大的加速
度，因此，太高的加速度会损伤量程较小的器件， 一般要求量程在5000g以上。对碰撞高度
也没有太多的要求，尽量不超过量程和过载。 具体实施步骤 (1)加速度传感器的安装和连接 图1是整个测试装置系统的示意图。将单轴的高量程加速度传感器利用双面胶或 502胶固定安装在金属杆尾端的凹口内，在敏感方向测量过程中，管脚方向与金属杆自由 落体方向一致；单自由度(单轴)的高量程加速度传感器是只对一个方向敏感的加速度传 感器，在此方向，加速度传感器具有最大的输出，因此，所谓的敏感方向就是指加速度传感 器信号输出最大的方向。在非敏感方向测试过程中，金属管脚方向与金属杆自由落体方向 垂直，将高量程加速度传感器的输出与信号放大器3连接好，从信号放大器输出的信号通 过电缆线连接到计算机数据采集系统A的输入端，启动计算机和相应的控制数据采集软件 Topview 400，开启相应的电源使器件和运算放大器以及计算机处于正常工作状态。
(2)自跟踪识别方法 按照图1连接。测试中，将固定加速度传感器的金属杆2从一定高度自由落体和 地面上的金属砧5碰撞，碰撞过程中产生应变波，表现为在传感器上的电压输出为一个近 似半正弦的脉冲输出。应变波将沿着金属杆传递给加速度传感器，加速度传感器记录下这 一碰撞过程。当相互碰撞产生的应力波高于数据采集系统预先设定的阈值电平时，计算机 的数据采集系统将开始自动记录输出的电压波形。 所述的钢砧的尺寸为长29. 8cm，宽26. 7cm，高19. 2cm，对金属砧的厚度没有太多 的要求和限制。对于安装固定在金属杆的顶端的高量程加速度传感器(图3a和图3b)，高量程加速度传感器所产生的信号通过细软电缆与信号放大器3连接，经过放大的信号又通 过电缆线与具有数据采集功能的计算机7连接，由传感器记录碰撞过程产生的波形显示于 计算机屏幕上。金属杆从一定高度自由下落和金属砧相互碰撞后，当产生的应力波高于设 定的阈值电平时，计算机的数据采集系统将开始自动记录输出的电压波形。
(3)识别过程 首先测量金属杆的长度，然后计算出碰撞波在金属杆中的传播时间t具体通过公 式t二L/C计算，式中，L是金属杆的长度，而C是声波在金属固体中传播的速度。这样一 旦此时间确定下来，那么在此位置由碰撞就产生一个较为尖锐的脉冲，在时间t后，出现的 波就是要确定碰撞过程中的主波和横波等信号波形。


图1是自由落体发生碰撞时加速度传感器识别所用的系统装置示意图，自由落杆 冲击测试装置示意图，数字l表示加速度传感器(旋转90度可以得到非敏感方向的一种安 装)，2表示金属杆，3表示放大器，4为计算机数据采集系统，5表示用于碰撞的金属砧。
图2是器件管脚、引线示意图。其中7，9为电源和地的管脚，6和8为两个输出信 号的管脚，10， 11， 12， 13为相应给器件加电压和输出信号的引线。 图3是器件的三种安装示意，图中金属杆和加速度传感器均是非比例的示意，图 3a是器件安装在金属杆侧壁，器件的敏感y方向安装，管脚方向与金属杆平行；图3b是器 件安装在金属杆侧壁敏感非敏感x方向，管脚方向与金属杆垂直；图3c是器件安装在金属 杆顶端非敏感z方向的示意图；图3d，表示器件的坐标。 图4是实施例1所述的加速度传感器在敏感方向安装自跟踪识别的结果，所使用 长度为44cm的钢杆，从35cm高度处自由落下与地面上金属砧碰撞过程产生所产生记录敏 感方向输出的波。第一个尖锐的脉冲波是摩擦信号波，其后100i! s则是高量程加速度传感 器敏感方向的近似半正弦碰撞波。 图5是实施例1所述的加速度传感器在横向响应X方向输出的波形示意图，钢杆 从70cm落高处下落，在尖锐摩擦电信号约100ii s处出现横向响应波，横向响应的主脉冲冲 击产生的峰值输出为5mV。当在同样高度落下时，敏感Y方向的输出为160mV，由此，横向信 号比为5/160 = 3. 1%。 图6是实施例2所述的利用长度为1. Om(米)的铝合金杆，在非敏感Z方向从10cm 落高处落下的输出波形示意。对于铝合金杆来说，声波传递的时间是t = 1.0m/(5000m/s) =200ii s，也就是说，在碰撞摩擦信号后大约200ii s，横向响应冲击波到达传感器，
具体实施例方式
例1 :44cm长钢杆上加速度传感器的敏感方向和横向方向自跟踪识别
实验中，使用长为L = 44cm，直径为D = 2cm的钢杆。所选用的加速度传感器的量 程为50000g，市售的有同种类型如Endevco的压阻加速度传感器。将固定加速度传感器的 钢杆在35cm高度落下，与钢砧相互碰撞。 首先计算声波在杆内传播时间为t = L/C = 0. 44m/5000m/s = 88 ii s。因此，在一 个碰撞触发的尖锐脉冲识别电信号，该波形类似S函数所以作为标记的识别波形。该波形约lOOii s后，碰撞主波出现。在lOOii s中，还有大约lOii s的时间是消耗在固定器件与金 属杆之间的粘性的沾接胶中。也就是说，窄脉冲识别信号距离第一个主波或第一个横向波 信号的时间大约为100 s。随后，在金属杆中传递的就是近似为176y s(88X2y s)的周期波。 图4是利用长度为44cm钢杆从70cm高度处落下，加速度传感器在敏感方向安装， 加速度传感器的敏感方向为Y轴。记录的碰撞电信号和加速度传感器在敏感方向的输出。 可以发现，在碰撞摩擦尖锐电信号波形100 s的时间后，近似半正弦的主波出现，经过积 分计算得到灵敏度为0.75iiV/g。主波后，便是周期性的波在金属杆中的传播过程。
图5是加速度传感器在横向响应X方向输出的波形示意图，钢杆从35cm落高处下
落，在摩擦电信号尖锐波形后约lOOi!S处出现横向响应波，横向响应的主脉冲冲击产生的
峰值输出为5mV。当在同样高度落下时，敏感Y方向的输出为160mV，由此，横向信号比为 5/160 = 3. 1%。 例2 :100cm铝合金杆上加速度传感器的横向自跟踪识别 采用长为L二 lm、直径D二 1.5cm的铝合金杆。图6是在非敏感Z方向从10cm高 度处落下所记录的非敏感横向的输出波形。 同样，首先计算铝合金杆中声波传递的时间，经过计算得到t = L/C = 1. 0m/5000m/s = 200 y s。也就是说，由摩擦碰撞产生的尖锐电脉冲信号的可识别的尖锐波 形出现后大约200i！ s，横向响应的波将出现，尖锐电脉冲识别信号和横波都将被送到传感 器并被记录下来。
权利要求
一种高量程加速度传感器横向响应波的自跟踪识别方法，其特征在于利用摩擦或碰撞过程产生的电信号作为跟踪触发信号，同时利用声波在金属杆中传播时间是一固定数值进行时域上的尺度分析，对横向响应波信号进行跟踪识别；具体是将固定有单轴的高量程加速度传感器的金属杆从一定高度自由落体到地面上的金属钻，且发生碰撞，碰撞过程中产生的应变波，沿金属杆传递给高量程加速度传感器，高量程加速度传感器记录下这一碰撞过程，当产生的应力波高于信号放大器设定的阀值电平时，计算机的数据采集系统开始自动记录输出的电压输出波形；所述的输出电压波形为近似半正弦的脉冲输出；所述的单轴高量程加速度传感器的量程≥5,000g。
2. 按权利要求1所述的自跟踪识别方法，其特征在于碰撞过程首先测出碰撞波在金属 杆中的传播时间t，传播时间t按公式t = L/C计算，式中L为金属杆长度，C为声波在金属 固体中的传播速度；在时间t后，出现的波即为碰撞过程中的主波和横波信号。
3. 按权利要求1所述的自跟踪识别方法，其特征在于单轴的高量程加速度传感器固定 在金属杆尾端的凹口内，有下述两种中任一种(a)高量程加速度传感器的管脚方向与金属杆的轴向一致； 或(b)高量程加速度传感器的管脚方向与金属杆的轴向垂直。
4. 按权利要求3所述的自跟踪识别方法，其特征在于利用双面胶或502胶将单轴的高 量程加速度传感器固定。
5. 按权利要求1所述的自跟踪识别方法所使用的系统，其特征在于所述的系统由固定 有单轴的高量程加速度传感器的金属杆、信号放大器和计算机数据采集系统组成，其中单 轴高量程加速度传感器与信号放大器的输入端口相连接，信号放大器的输出端经电缆线与 计算机数据采集系统的输入端口连接。
6. 按权利要求5所述的系统，其特征在于(1) 所述的信号放大器可对信号放大20倍；(2) 所述的数据采集系统的软件为TopView400，采样频率^ 625KHz。
全文摘要
本发明提供一种高量程加速度传感器的横向响应波的跟踪识别方法和使用的系统。其特征在于利用摩擦和碰撞等过程产生的电信号作为跟踪触发信号，同时利用声波在一定结构材料中传播时间是一固定常数进行时域上的尺度分析，可以对加速度传感器横向响应波信号进行跟踪和识别。本发明提供的自跟踪的方法无需外加触发装置或者传感器、应变计等，而只有一个加速度传感器。
文档编号G01P15/08GK101750519SQ20091020031
公开日2010年6月23日 申请日期2009年12月11日 优先权日2009年12月11日
发明者宋朝辉, 李昕欣, 鲍海飞 申请人:中国科学院上海微系统与信息技术研究所