徐 磊，房立清，李 旭，霍瑞坤，齊子元，郭德卿

(1.海軍工程大學(xué)兵器工程學(xué)院，湖北武漢 430000；2.陸軍工程大學(xué)石家莊校區(qū)火炮工程系，河北石家莊 050003；3.陸軍工程大學(xué)石家莊校區(qū)導(dǎo)彈工程系，河北石家莊 050003)

0 引言

振動在自然界中是普遍存在的，物體的往復(fù)運動是振動的基本形式，振動信號在判斷機(jī)械故障以及獲取機(jī)械的工作狀態(tài)中發(fā)揮著重要作用，振動信號常用的主要包括加速度、速度和位移。在實際工程應(yīng)用中，由于安裝位置、測試精度和技術(shù)水平等條件的限制，相較于加速度，位移和速度的測量更加困難，而位移、速度和加速度的微積分關(guān)系又較為明確，因此利用加速度實現(xiàn)振動信號的測量更具有可操作性。通過測量振動加速度可以實現(xiàn)識別結(jié)構(gòu)損傷、隔振器阻抗以及動載荷等功能；加速度二次積分得到位移信號可以判別地震后建筑結(jié)構(gòu)的形變、振動試驗臺的位移和橋梁的撓度等[1-2]。測量振動加速度在實際應(yīng)用中具有很重要的價值，然而目前振動加速度測量電路設(shè)計大部分都是通過模擬電路實現(xiàn)的，存在信號精度不高甚至發(fā)生畸變等缺點[3-4]。

隨著MEMS(微機(jī)電系統(tǒng)，micro electro-mechanical system)技術(shù)的迅速發(fā)展，作為MEMS技術(shù)的重要分支，MEMS加速度傳感器也獲得越來越廣泛的應(yīng)用[5-6]，利用MEMS加速度傳感器設(shè)計測量物體加速度的測試系統(tǒng)，極大地減小了系統(tǒng)的體積，對于提高振動加速度的測量精度也有很大的幫助[7]；同時采用MEMS技術(shù)設(shè)計的傳感器具有較高的抗過載能力，性能穩(wěn)定，比較適合在地震、機(jī)械測量等振動復(fù)雜的領(lǐng)域使用[8-9]。雖然MEMS加速度具有諸多優(yōu)勢，但是由于技術(shù)水平有限，以MEMS加速度傳感器為核心設(shè)計的實際應(yīng)用仍然很少[10]。本文以MEMS加速度傳感器為核心，設(shè)計了一種加速度測量采集系統(tǒng)，可實時測量和采集運動物體的加速度，并上傳給計算機(jī)。該系統(tǒng)使用了基于熱對流原理制作的加速度傳感器，可承受高強(qiáng)度的沖擊，并且直接采用數(shù)字方式輸出，不需要數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換電路，使系統(tǒng)體積大大縮小，試驗驗證表明，該系統(tǒng)具有較高的抗過載能力，在精度允許的范圍內(nèi)可實現(xiàn)加速度的測量和采集控制。

1 測量采集系統(tǒng)整體設(shè)計

在測量采集系統(tǒng)中，要實現(xiàn)的功能包括加速度信號的實時測量、加速度信號的采集、加速度信號的傳輸，為了使系統(tǒng)達(dá)到所需要的功能，該系統(tǒng)的硬件電路整體設(shè)計如圖1所示，主要包括3個模塊：測量模塊、采集模塊、讀取模塊。

圖1 加速度采集測量系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

為了充分利用DSP的數(shù)字處理能力，在振動的過程中使加速度傳感器的采集頻率達(dá)到最大，并滿足實時測量和采集的要求，在測試系統(tǒng)中采用數(shù)據(jù)流的處理方式采集和處理加速度信號。在一次采集完成后立刻進(jìn)行加速度數(shù)據(jù)的順序采集，并保證在采集結(jié)束前加速度傳感器不會產(chǎn)生加速度數(shù)據(jù)。由于數(shù)據(jù)流的處理方式可以在傳感器的采樣周期內(nèi)完成采集和顯示，因此可以使系統(tǒng)延遲達(dá)到最小，使加速度傳感器達(dá)到最大采集頻率，使測試系統(tǒng)的測量精度進(jìn)一步提高。

2 測量采集系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

2.1 加速度測量模塊

該模塊設(shè)計采用三軸MEMS加速度傳感器MXC4005XC。MXC4005XC采用的是標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝，采取晶片級封裝，由于其核心技術(shù)是基于美新專利的熱傳感技術(shù)，在傳感器內(nèi)部沒有可移動的機(jī)械部件，擁有較好的抗震動和抗沖擊性能，在200 000g的沖擊作用下。利用I2C串行數(shù)據(jù)總線實現(xiàn)單主機(jī)、多設(shè)備模式，硬件電路如圖2所示。

圖2 加速度測量模塊電路原理圖

2.2 加速度采集模塊

采集模塊利用的是鐵電存儲器FM25V20A，它是一款集低功耗和高性能于一體的非易失存儲器，在沒有電源時不會丟失存儲的數(shù)據(jù)。

利用DSP設(shè)計的加速度存儲模塊硬件電路如圖3所示。數(shù)字信號處理器DSP與鐵電存儲器之間采用SPI(serial perripheral interface，串行外圍設(shè)備接口)相連，由一個主設(shè)備連接多個從設(shè)備，采用四線通信的方式，分別是：SCLK時鐘，CS從設(shè)備選擇，MISO主設(shè)備輸入從設(shè)備輸出以及MOSI主設(shè)備輸出從設(shè)備輸入。從設(shè)備FM25V20A內(nèi)置有8位寄存器，主控制器通過訪問和配置這些寄存器，可以存儲讀取加速度數(shù)據(jù)。

圖3 加速度采集模塊

2.3 加速度讀取模塊

加速度讀取模塊實現(xiàn)測量采集系統(tǒng)與計算機(jī)的通訊，將鐵電存儲器內(nèi)采集的加速度數(shù)據(jù)讀取到計算機(jī)中。利用串行接口電路實現(xiàn)外設(shè)和計算機(jī)間的數(shù)據(jù)傳輸，通過控制線和數(shù)據(jù)信號線，按位進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。利用常見的RS232(ANSI/EIA-232 標(biāo)準(zhǔn))串行連接標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)串口接口電路的設(shè)計。硬件設(shè)計直接實現(xiàn)串口與USB電路的對接，無論是編碼方式還是電平轉(zhuǎn)換，都能達(dá)到使用要求，所以不需要軟件編程上過多支持。其通信電路設(shè)計如圖4所示。

圖4 通信電路設(shè)計

該硬件系統(tǒng)可實現(xiàn)加速度測量數(shù)據(jù)的實時存取和顯示的功能以及復(fù)位后可直接顯示加速度存取數(shù)據(jù)的功能，該硬件系統(tǒng)印制電路板原理圖和測量系統(tǒng)實物圖設(shè)計如圖5所示，利用通信接口實現(xiàn)加速度測量數(shù)據(jù)的實時存取和顯示的功能，復(fù)位開關(guān)可實現(xiàn)在復(fù)位后直接將加速度數(shù)據(jù)按照固定格式上傳到計算機(jī)中，為了保證電路系統(tǒng)的正常工作，準(zhǔn)確測量電路板的工作狀態(tài)，在電路板各處都設(shè)置有測試孔，便于輸出信號的檢測。

圖5 印制電路板實物圖

3 振動臺試驗結(jié)果

如圖6所示，為了便于測量系統(tǒng)與振動試驗臺剛性連接，將測量系統(tǒng)緊固在承載板上，利用螺紋連接承載板與振動試驗臺，在振動試驗臺振動的過程中，實際輸出的加速度是振動臺的軸向加速度，為了保證振動加速度方向和傳感器的感測方向一致，減少測量采集系統(tǒng)的側(cè)偏誤差，利用水準(zhǔn)儀測量測試振動試驗臺的水平側(cè)偏角度，然后將水準(zhǔn)儀放置于測量采集系統(tǒng)的表面，調(diào)整承載板使測量系統(tǒng)的側(cè)偏角度和振動試驗臺的側(cè)偏角度相同，減小在水平方向的側(cè)偏值。設(shè)置振動試驗臺分別輸出2種按正弦規(guī)律變化的加速度，并上傳測試數(shù)據(jù)，隨后進(jìn)行抗高過載能力測試，設(shè)置振動試驗臺的加速度輸出最大輸出值分別能達(dá)到為50g、80g和100g，并按正弦規(guī)律輸出，觀察LED燈的閃爍情況，隨后設(shè)置振動試驗臺輸出可測量的加速度數(shù)據(jù)，觀察數(shù)據(jù)顯示接口數(shù)據(jù)特點，并輸出上傳加速度數(shù)據(jù)，觀察數(shù)據(jù)輸出曲線，判斷測量系統(tǒng)的工作狀態(tài)。

圖6 測量系統(tǒng)振動試驗圖

將測量采集系統(tǒng)測量的振動加速度上傳到計算機(jī)，數(shù)據(jù)以二進(jìn)制補碼的形式如表1所示，利用MATLAB進(jìn)行加速度數(shù)據(jù)處理。

表1 振動試驗部分結(jié)果

對振動試驗臺輸出設(shè)置，使振動加速度分別按a=6.8-2cos(t·2.5)-3.5sin(t·2.5)，a=3.3+cos(t·2)+0.2sin(t·2)的規(guī)律變化，其標(biāo)準(zhǔn)輸出曲線如圖7所示，測量采集系統(tǒng)的測量值如圖8所示。

(a)

(b)圖7 標(biāo)準(zhǔn)振動曲線

在進(jìn)行振動試驗臺的抗過載能力測試時，將振動試驗臺的最大加速度分別調(diào)整至50g、80g、100g持續(xù)振動2 min，隨后進(jìn)行a=3+0.4cos(t·2)-0.5sin(t·2)的振動測試，測量采集系統(tǒng)的測試結(jié)果如圖9所示。

4 試驗分析

利用MATLAB曲線擬合工具，對所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，a=-3.261-2.292cos(t·2.604)-3.494sin(t·2.604),a=-6.745+0.970 1cos(t·2.086)+0.1sin(t·2.086)的規(guī)律變化。由于在振動試驗過程中有重力加速度的影響，因此振動試驗臺進(jìn)行加速輸出曲線擬合時，應(yīng)該將重力加速度加入到擬合函數(shù)中，在擬合函數(shù)中加入重力加速度后的函數(shù)對比如表2所示。

(a)

(b)圖8 實際測量曲線

圖9 測量振動曲線

表2 振動試驗臺輸出函數(shù)與測量函數(shù)對比表

從表2輸出函數(shù)和輸出曲線圖7、圖8的對比可發(fā)現(xiàn)，測量采集系統(tǒng)可基本準(zhǔn)確地測量出振動試驗臺的加速度變化規(guī)律。當(dāng)然，雖然波形圖可以直觀地看出測量采集系統(tǒng)測量加速度與試驗臺輸出加速度的吻合程度，但是為了定量地分析測量結(jié)果，必須有相應(yīng)的指標(biāo)進(jìn)行誤差評價。采用3個誤差評價參數(shù)即平方和誤差、平均最大相對誤差以及平均峰值誤差對測量采集系統(tǒng)的性能進(jìn)行評價。

評價2個波形，首先要考察不同波形的總體效應(yīng)，即對波形所具有的能量差別進(jìn)行評價，因此引入平方和誤差來描述振動臺輸出信號與實際測量信號之間的能量差別。

式中：b(i)為實際測量的加速度信號；a(i)為振動臺輸出信號；N表示采樣點。

對比評價2個波形，不僅需要考察波形的整體效應(yīng)，還需要注意波形峰值的差異。平均最大相對誤差是相對誤差時程[b(t)-a(t)]的正負(fù)峰值分別相對于a(t)正負(fù)峰值的誤差的平均值。

平均峰值誤差是加速度時程b(t)的正負(fù)峰值分別相對于振動臺加速度時程a(t)正負(fù)峰值的誤差的平均值。

通過提出的誤差評價指標(biāo)對加速度測量采集系統(tǒng)的測試性能進(jìn)行評價，具體結(jié)果如表3所示。

表3 加速度測量誤差分析 %

從結(jié)果可以看出，加速度測量采集系統(tǒng)的測量加速度的精度較高，在誤差允許的范圍內(nèi)可以為速度計算和位移計算提供基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)支撐，可以滿足實際工程的需要。

從圖9振動曲線以及LED閃爍狀態(tài)可判斷出，測量系統(tǒng)仍然可以正常工作，在進(jìn)行了高過載后仍然可以繼續(xù)進(jìn)行測量，該測量系統(tǒng)具有較高的抗過載能力。

5 結(jié)論

本文對振動加速度測量采集系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，并通過試驗驗證了本系統(tǒng)的測試性能。該系統(tǒng)以MEMS加速度傳感器為主體進(jìn)行設(shè)

[10] 李恒羽，張軍，許妍，等.鋯管尺寸超聲波測量系統(tǒng)的重復(fù)性和再現(xiàn)性分析[J].無損檢測，2015,38(2):26-28,33.