振动测试技术方案

振动测试技术方案

振动测试技术方案

采用加速度计作为振动传感器，对被测系统的三轴向加速度进行测量，描述系统的冲击振动特性。

一、指标分析

最常用的振动测量传感器按各自的工作原理可分为压电式、压阻式、电容式、电感式以及光电式。压电式加速度传感器因为具有测量频率范围宽、量程大、体积小、重量轻、对被测件的影响小以及安装使用方便，所以成为最常用的振动测量传感器。在一般通用振动测量时，用户主要关心的是加速度计传感器的技术指标，包括灵敏度、带宽、量程、分辨率、输出电气特性等。

（1）灵敏度

传感器的灵敏度是传感器的最基本指标之一，灵敏度的大小直接影响到传感器对振动信号的测量。不难理解，传感器的灵敏度应根据被测振动量（加速度值）大小而定，但由于加速度传感器是测量振动的加速度值，而在相同的位移幅值条件下加速度值与信号的频率平方成正比，所以不同频段的加速度信号大小相差甚大。选择加速度传感器灵敏度时应对信号有充分的估计，最常用的振动测量压电式加速度计灵敏度，电压输出型（IEPE型）为50~100mV/g，电荷输出型为10~50pC/g。

（2）带宽

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传感器的带宽是指传感器在规定的频率响应幅值误差内（5%,10%,3dB）传感器所能测量的频率范围。频率范围的高，低限分别称为高、低频截止频率。截止频率与误差直接相关，所允许的误差范围大则其频率范围也就宽。作为一般原则，传感器的高频响应取决于传感器的机械特性，而低频响应则由传感器和后继电路的综合电气参数所决定。高频截止频率高的传感器必然是体积小，重量轻，反之用于低频测量的高灵敏度传感器相对来说则一定体积大和重量重。

（3）量程

加速度传感器的测量量程是指传感器在一定的非线性误差范围内所能测量的最大测量值。通用型压电加速度传感器的非线性误差大多为1%。作为一般原则，灵敏度越高其测量范围越小，反之灵敏度越小则测量范围越大。IEPE（电压）输出型压电加速度传感器的测量范围是由在线性误差范围内所允许的最大输出信号电压所决定，最大输出电压量值一般都为5V。通过换算就可得到传感器的最大量程，即等于最大输出电压与灵敏度的比值。需要指出的是IEPE压电传感器的量程除受非线性误差大小影响外，还受到供电电压和传感器偏置电压的制约。当供电电压与偏置电压的差值小于传感器技术指标给出的量程电压时，传感器的最大输出信号就会发生畸变。因此IEPE型加速度传感器的偏置电压稳定与否不仅影响到低频测量也可能会使信号失真，这种现象在高低温测量时需要特别注意，当传感器的内置电路在非室温条件下不稳定时，传感器的偏置电压很可能不断缓慢地漂移而造成测量信号忽大忽小。

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（4）分辨率

即能测量到的最小加速度变化量。加速度传感器的分辨率受其噪声的，输出噪声的大小随频带宽度而变化。

（5）输出电气特性

分为电压输出型和电流输出型两种。现在通用的加速度传感器内部集成有放大电路，成为具有电压输出功能的传感元件，这使得在低频测量时可以获得良好的性能。它可分双电源(四线)和单电源(二线、带偏置，又称ICP)两种，内置电路传感器一般是与数据采集仪配套。

ICP型加速度传感器的供电和信号输出共用一根线。其特点是：低阻抗输出，抗干扰，噪声小，性能价格比高，安装方便，尤其适于多点测量，稳定可靠、抗潮湿、抗粉尘、抗有害气体。内置电路传感器灵敏度的选型计算为：被测加速度值（g）=最大输出电压（mV）/传感器灵敏度（mV/g），如选用目前最为XX的传感器的灵敏度为100mV/g，可测50g以内振动，如测量100g，则用50mV/g的加速度计，其余以此类推。

除了以上五个技术指标外，加速度传感器的性能还受具体工作环境、安装方式等影响，实际使用时应参照产品说明书来操作。

二、解决方案

根据系统要求，确定了几套满足用户需求的解决方案，其系统结构为加速度传感器、信号调理器、数据采集器、计算机等，见示意图1。

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加速度传感器信号调理器器数据采集器计算机

图1振动测试硬件流程图

信号调理器的作用是对加速度传感器提供高质量的电源，对信号进行滤波；数据采集器的作用是对加速度传感器的输出电压进行A/D转换成为数字信号；计算机的作用是接收数字信号并进行后续数据处理。

方案中对加速度传感器的提出要求是：

量程：0～20g

带宽：0.3-3000Hz（10%)

分辨率：0.2mg

抗冲击：1000g

三轴测量

由量程和分辨率可以得知系统的测量动态范围为50dB（十万倍）。

由于各生产厂家的产品技术指标不尽相同，同时考虑到成本因素，下面就加速度传感器型号及数据采集器的A/D性能提出两种方案。

方案一：

以公司销售的加速度传感器ICP0110为例，其技术指标如下：

灵敏度：100mV/g

量程：50g

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频率范围：0.3-5000Hz（10%)

安装谐振点：20kHz

重量：98gm

线性：≤1%

横向灵敏度：≤5%典型值：≤3

输出偏压：8-12VDC

恒定电流：2-20mA，典型值：4mA

输出阻抗：＜150Ω

激励电压：18-30VDC典型值：24VDC

温度范围：-40～+120℃

放电时间常数：≥0.2秒

由于输出电压峰值为6V，且系统动态测量范围为十万倍，则数据采集器选择输入电压范围为10V，采集位数为24位的A/D采集，此时1LSB对应电压约为0.6μV，根据灵敏度计算得分辨率为0.6μg，满足使用要求。由于分辨率与噪声电压是紧密相关的，要达到0.2mg的分辨率最大噪声电压为20μV。大多数加速度传感器产品中指出了各个典型频率点的电压噪声均方根值，选型时依据上述分析来决定。因此选定灵敏度为100mv/g的加速度传感器ICP0110和24位的多通道数据采集器作为振动测试的硬件平台。

24位数据采集器（也称振动测试仪）的技术指标如下：

4个模拟输入，10V输入范围

支持IEPE传感器

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0.1Hz高通滤波

24位A/D和105K的采样率动态范围108分贝（典型值）相关硬件报价如下（可咨询相关公司）：

方案二：

考虑到高位数据采集器的采样率低和成本因素，选择16位的数据采集器，但此时A/D采集的1LSB为0.1mV，对应可分辨的最小加速度为1mg。

16位数据采集器的相关技术指标如下：8个模拟输入通道16-bit分辨率

200kS/s最大数据吞吐能力同步采样(每个输入带一个A/D转换)

8个数字I/Obits1个32-bit的时间计数器外部数字触发输入

输入范围分别为10V,5V,2V和1伏，可通过软件选择

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相关硬件报价如下（可咨询相关公司）：

方案比较：

首先，方案一和方案二中加速度传感器的型号相同，在购买器件时可以参考技术指标的提出要求选择不同公司的产品，也可定做，如公司的三轴加速度传感器LC0110，除抗振动冲击为500g外其余指标均可满足，且配备专门的信号调理器、抗混叠滤波器和数据采集器（16位），既可选用型号产品，也可根据用户要求定制。其次，由于加速度传感器的分辨率达到要求外，系统分辨率就由数据采集分辨率决定，因此不同采集位数的A/D对应的可分辨的加速度也不一样，且考虑到采样位数和后续数据传输率的要求，须选择合适采样速率的数据采集器。