CN100516882C - 用波形比较法进行冲击加速度传感器横向响应的测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用波形比较法进行冲击加速度传感器横向响应的测试方法，利用波形比较法，将标准加速度传感器和待测试加速度传感器同时安装到金属杆上，金属杆自由落下与金属砧发生碰撞产生高幅值的冲击加速度，并利用双通道数据采集方式直接记录冲击碰撞过程的输出波形。从时间历程分析上，由两个传感器产生的波同时被记录下来，主冲击波到达前沿能够容易够识别，且其加速度幅值可以确定下来；利用两次冲击过程即可以实现横向和敏感方向灵敏度的测试，通过计算即得到横向响应。本发明具有方便易行、容易识别且可获得冲击过程中敏感方向和非敏感方向的灵敏度，而不需要知道绝对加速度数值，适用于单轴、双轴或三轴加速度传感器与类似器件。

Description

用波形比较法进行冲击加速度传感器横向响应的测试方法

技术领域

本发明涉及提供一种基于波形可识别的冲击加速度计的比较测试方法，更确切说是一种用波形比较法进行冲击加速度传感器横向响应的测试方法，属于微传感器的力学测试分析领域。

背技

轴速传器顾思是对一个方向敏感，而对其它正交分量，即横向不敏感的器件，横向响应是表征器件的一个重要物理参数。横向响应是指在同样加速度作用下传感器非敏感方向的输出与传感器在敏感方向的输出比，或者定义为非敏感方向的灵敏度和敏感方向的灵敏度之比。在器件的设计、制造和使用中应尽量减小或者消除这一效应。事实上，所有单轴加速度传感器对侧向加速度均会或多或少有些响应，这种响应就称为加速度传感器(或加速度计)的横向响应，又称交叉灵敏度。在加速度传感器的横向响应或横向灵敏度测试过程中，通常是在激振台上完成的，并且是在低频(100Hz)和较低的加速度载荷(30g，g＝9.8m/s²)下进行的。即使对于高量程加速度传感器或高冲击加速度传感器的横向响应测试，有相当一部分的测试也是在此条件下进行的。然而，冲击和碰撞过程中具有相当大的加速度，是一个瞬时的动态能量传递过程，在一些场合下通常达到几千或上万的加速度g值，这样器件的真实横向响应在振动台上却难以得到反映。在ISO标准中在振动台上进行横向测试(ISO 5347-11：1993，即将成为16063-31)，以及横向冲击灵敏度的测试(ISO 5347-12：1993)。这些测试标准中对测试设备要求的精度都很高，测试设备复杂。如需要较为严格的单轴振动台、两轴振动台或者三轴振动台，同样在实施过程中，如果利用集成在一起的两轴加速度传感器或者三轴加速度传感器，就可以同时测量器件在三个垂直正交方向上的输出。但是通常的两轴加速度传感器具有较低的量程和过载，不适用大量程高冲击场合下的要求。因此，为了满足和适应一般场合的需要，方便可靠并且简易的测试方法和设备是非常急需的。

对加速度传感器测试的一种方法是直接用一根细长的金属杆，将加速度传感器固定于金属杆的一端，然后将金属杆自由落下，金属杆与地面上的金属砧发生相互碰撞，产生较大的加速度，如20.000g。之所以会产生较大的加速度，是因为金属杆与金属砧碰撞时间是通常在微秒量级，这样在同样速率变化下，时间越短，加速度就越大。金属杆与金属砧碰撞过程中产生应变波，应变波将沿着金属杆传递给加速度传感器，加速度传感器记录这一碰撞过程。金属杆和金属钢砧碰撞过程中会产生复杂的波，除了纵波外，还有弯曲波、扭曲波和表面波等，这些波的产生与主波会混杂在一起，不容易区分和识别，导致在横向测试过程中模式识别的困难。就是说如何判断碰撞过程中哪一个是真正的第一个碰撞过程所产生的响应波。另外，碰撞过程中会产生很多高频波，这些波均会激发器件的一阶共振模态，如何消除共振也是需要解决的另外一个问题。另外，当金属杆从同一高度落下时，在理论上，可以认为在金属杆和金属砧的碰撞会产生同样的加速度，但由于每次落地点都存在偏差，以及落地点表面的粗糙程度，导致每次碰撞接触面存在一定的差别，这些因素影响横向响应的测量精度。

发明内容

基于上述考虑，本发明目的在于提供一种用波形比较法进行冲击加速度传感器横向灵敏度响应的测试方法，采用的是波形可识别的高冲击比较测试法。在加速度传感器的测试中，比较法广泛地用来进行线性测试和频谱测试。比较法，即利用一个标准的加速度传感器作为参考器件，然后将被测试的传感器以同样的方式被安装在金属杆上。比较测试法属于二级标定，即利用一个标准的传感器作为参考，以背靠背的方式同样安装到测试仪器上，当给定同样的输入信号时，考察两个器件的输出特性，再根据一定的关系确定被测试器件的性能指标参数。本发明据此提出利用自由落杆比较法进行器件的横向响应测试，方法简便易行、可靠，容易识别高幅值加速度冲击过程中器件的横向响应。而不需要知道绝对的冲击速度数值。

自由落体冲击的试验装置如图1所示，其中加速度的产生是利用金属杆与相对应的金属钢砧相碰撞，利用其速度变化获得加速度。试验中需要一根同轴的金属杆3，一座钢砧4，相应的信号传输电缆线5，微弱信号放大器6，和由计算机控制的多通道瞬态数据分析仪7。其中，钢砧的尺寸为：长29.8cm，宽26.7cm，高19.2cm；金属铝合金落杆长为1m、直径1.5cm；信号放大器的放大倍数为20倍，-1dB截止频率大于25kHz；传感器装在杆的顶端，传感器的输出端通过细软电缆5与放大器6连接，从而使传感器的小信号放大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，即Top4012多通道电压波采集卡获取，碰撞过程产生的波形显示于计算机屏幕上。在落杆顶端安装的传感器，传感器的敏感轴与杆轴方向一致，即可检测到敏感轴灵敏度和冲击加速度峰值；若安装使传感器的敏感轴与杆轴垂直，就可检测到横向响应。实验用的传感器是单轴的。

通常，传感器安装在金属杆3顶端，金属杆自由落下时，金属杆的底端(碰撞端)与钢砧4碰撞，杆的碰撞端端面首先被减速，然后向上加速。设杆的碰撞端端面的加速度为a(t)，那么碰撞端端面的速度变化量为

$\mathrm{\Δu}={\∫}_0^{t_0}a\left(t\right)\mathrm{dt}---\left(1\right)$

式中t是碰撞开始时刻作计时起点的时间，t₀是两碰撞物又回到没有相互作用的时刻，加速度恢复为只有地球引力加速度g的时刻，这时碰撞结束。碰撞端端面发生的速度变化，就是端面压向继续向下的上层邻面，形成压应力波(固体中的声波)，向杆的另一端传播。t＝l/C时(l是金属杆的长度，C是杆中的声速)，声波传到杆的传感器端。如果传感器与杆直接刚性连接，声波就能完全传递给传感器。仍以杆与砧刚接触的时刻为时间原点，传感器经受的加速度就可以表示为a(t-l/C)，那么传感器给出的信号就是

$e\left(t\right)=\mathrm{Sa}(t-\frac{l}{C})---\left(2\right)$

在t≤l/C时传感器还没有受到加速，e(t)是0，这里S是传感器的灵敏度。一旦得到传感器的灵敏度，则经受的最大加速度就可以从e(τ)的最大值V_m算出

$a_m=\frac{V_m}{S}---\left(3\right)$

在对器件进行分别试验中，这里指定只有一个待测试的加速度传感器，试验测试中需要首先确定敏感方向(如y轴)的输出信号V₁或者灵敏度，然后将器件安装在非敏感方向(如x或者z轴)，从同样的高度落下，记录输出信号V₂。比较二者的大小V₂/V₁，即为横向响应。此种方法在试验中要严格保持落体高度的准确性，否则会导致较大的测试误差。同时，金属杆和金属砧相互碰撞过程中会产生多种成分复杂的波，如纵波，弯曲波和扭曲波等模式，在一定情况下，这些波会相互叠加，难以区别，这就带来了识别主波模式的困难。尤其当器件的真实横向响应非常小时，就更难识别和判断哪一个是真正的第一个主碰撞过程所产生的波。

比较法即利用一个标准的灵敏度已知的高冲击加速度传感器作为参考器件1，然后去测试待定的加速度传感器2。本发明测试用的传感器是单轴的，如图2所示，有四个电极8，Y轴(顺着管脚方向)是敏感轴，X轴和Z轴是非敏感轴。如待测试的器件其敏感方向是Y轴，当器件Y轴同金属杆轴方向一致时，即进行敏感方向灵敏度的测试。当Y轴与金属杆轴方向垂直时，即测试非敏感方向的输出特性。此种测试对于量程在几千g值以上的传感器适用，而对量程小的器件则不适用。将标准传感器和待测试的传感器以同样的方式安装在金属杆上。测试时，同样先确定标准传感器和待测试传感器在敏感方向上的输出，然后再确定标准传感器和待测试传感器在非敏感方向的输出，采用同样的方法进行比较，就可以得到横向响应或者横向灵敏度。图2分别是器件的三种安装方式示意图。其中，(a)是器件安装在金属杆侧壁，敏感y方向；(b)是器件安装在金属杆侧壁，非敏感x方向；(c)是器件安装在金属杆顶端，非敏感z方向的示意图。这几种安装方式对器件灵敏度测试没有大的影响，关键是在测试敏感方向时，要保证器件与金属杆轴方向尽量平行，而在测试非敏感方向时，要使传感器的Y轴尽量垂直杆轴。

对于两个同时安装固定在金属杆上的传感器，当从一定高度落下时，在敏感方向上会产生同样的加速度a，则两个器件的输出比和灵敏度之间的关系为，

$\frac{V_{c(x,y,z)}}{V_{s\left(y\right)}}=\frac{S_{c(x,y,z)}a}{S_{s\left(y\right)}a}=\frac{S_{c(x,y,z)}}{S_{s\left(y\right)}}---\left(4\right)$

其中标准传感器在敏感方向的输出为V_s(y)，而待测试的传感器的输出为V_c(x，y，z)，脚标x，y，z分别对应三个测试方向，其中y是指敏感方向，而x，z是指非敏感方向。这样，待测试传感器在敏感方向的灵敏度为 $S_{c\left(\text{y}\right)}=\frac{V_{c\left(y\right)}}{V_{s1}}{S}_{s\left(y\right)}.$ V_s1表示在敏感方向测试时标准传感器的输出，而V_c(y)表示在敏感方向测试时待测试传感器的输出。同样在非敏感方向x和z上的灵敏度分别为 $S_{c(x,z)}=\frac{V_{c(x,z)}}{V_{s2}}{S}_{s\left(y\right)},$ 而V_s2表示在非敏感方向测试时标准传感器的输出，由此，待测试器件非敏感方向的灵敏度和敏感方向的灵敏度之比为：

$\frac{S_{c(x,z)}}{S_{c\left(y\right)}}=\frac{V_{c(x,z)}}{V_{s2}}\frac{V_{s1}}{V_{c\left(y\right)}}---\left(5\right)$

如果V_s1＝V_s2，则

$\frac{S_{c(x,z)}}{S_{c\left(y\right)}}=\frac{V_{c(x,z)}}{V_{c\left(y\right)}}---\left(6\right)$

在理想情况下，对于在敏感方向和非敏感方向上分别进行测试，如果从同一高度落下，则V_s1和V_s2相等。公式(5)和公式(4)就相一致。图3所示意的是标准器件和待测试器件均在敏感方向的输出，其碰撞过程中的主波脉冲前沿和幅度大小以及随后的波同时到达并被记录下来。图4和图5分别是被测试器件在非敏感方向的输出以及标准器件在敏感方向的输出，可以知道待测试器件的横向输出波与标准器件敏感方向的输出波同时到达并被记录下来。因此，主冲击过程中待测试器件的横向输出波被清楚地识别出来。因此，标准加速度传感器起到两个作用，一是作为灵敏度和横向响应测试的参考标准，另一个是起到信号同步跟踪的作用。此方法可以测量更高量程的加速度器件或者类似的器件；同样，此方法适用测量双轴或者三轴加速度传感器或者类似的器件。

测试步骤：

1、敏感方向灵敏度的测试

按照图1所示意，将一根同轴的金属铝杆3，一座钢砧4和由计算机控制的瞬态数字分析仪7以及所需要的放大器6连接好。主要是将标准传感器1和待测试的传感器2的输出端分别与信号放大器6相连接，然后将信号放大器的输出端与由计算机控制的瞬态数字分析仪的输入端相连接，并启动相应的计算机数据采集软件，放大的信号由Top4012多通道电压波采集卡获取，显示在计算机屏幕上。在金属杆顶部以同样的方式安装标准传感器和待测试的传感器，均是敏感方向，待测量传感器的敏感方向与金属杆轴方向一致，然后在一定的高度自由落下，得到的输出波形显示于计算机上，按照公式(4)可以计算，得到器件敏感方向的灵敏度和冲击加速度峰值；图3是器件在敏感方向波形输出的一个示意图。图3的上半部分图是待测试器件的输出，而下半图是标准器件的输出。

2、横向响应的测试

将待测试器件安装在金属杆的尾部，使输入的加速度与器件的非敏感轴方向垂直，即横向测试。将金属杆从一定的高度自由落下，产生的两个冲击波显示于计算机屏幕上，同样可以利用(4)式直接进行计算，直接得到横向灵敏度。或者最终直接由(5)式进行计算得到横向响应的百分比。图4和图5分别为传感器在非敏感方向X和Z方向的波形输出。其中可以明显发现，在非敏感方向上第一个输出的波即是与主冲击的波在同一时刻被记录下来的波，这个波就是器件横向输出波。

综上所述，本发明所述的基于波形可识别的比较法进行冲击加速度计横向响应的测试方法是利用比较法，将标准加速度传感器和待测试加速度传感器同时安装到金属杆上，金属杆自由落下，与金属砧发生碰撞产生高幅值的冲击加速度，并利用双通道数据采集方式直接记录冲击碰撞过程的输出波形。从时间历程分析上，由两个传感器产生的波同时被记录下来，主冲击波到达前沿能够容易被识别，且其加速度幅值可以确定下来。利用两次冲击过程即可以实现横向和敏感方向灵敏度的测试，通过适当计算即得到横向响应。

其中，①所述的标准加速度传感器是一个灵敏度已知的高冲击的传感器；

②可以获得冲击过程中敏感方向的灵敏度和非敏感方向的灵敏度，而不需要知道绝对的冲击加速度数值；

③可以识别待测试加速度传感器的主冲击过程的波形；

④本发明所述的比较法可以推广到振动台上，即在不考虑振动台实际的输入加速度大小时，只要知道标准传感器的灵敏度，就可以立即知道被标定传感器的横向灵敏度，可以测量更高量程的加速度器件或类似器件。

附图说明

图1，自由落杆冲击装置示意图，其中1表示标准传感器，2表示被测试传感器，3表示金属杆，4表示金属砧，5表示连接用的电缆线，6表示放大器，7表示计算机数据采集系统。

图2，器件的三种安装方式和相应的坐标示意，图中金属杆和器件均是非比例的示意，8表示器件的管脚。图2(a)，器件安装在金属杆侧壁，敏感y方向；(b)，器件安装在金属杆侧壁敏感，非敏感x方向；(c)，器件安装在金属杆顶端，非敏感z方向，以及(d)是器件的坐标示意。

图3，传感器在敏感方向冲击过程波形输出的一个示意实例，器件敏感方向y的输出，上图为被测试的加速度传感器在敏感方向的输出，下图为标准传感器在敏感方向的输出。

图4，传感器在非敏感X方向冲击过程波形输出一个示意实例，上图为被测试的加速度传感器在非敏感X方向的输出，下图为标准传感器在敏感方向的输出。

图5，传感器在非敏感Z方向冲击过程波形输出一个示意实例，上图为被测试的加速度传感器在非敏感Z方向的输出，下图为标准传感器敏感方向的输出。

具体实施方式

试验中选用量程为1万g的加速度传感器，按照具体实施步骤进行，首先将单轴、双轴或三轴的标准加速度传感器和待测试的加速度传感器一起安装到金属杆上，按照具体实施步骤1进行，先对器件进行敏感方向的测试，即Y方向，结果如图3所示，图中上部分为待测试的加速度传感器在敏感方向的输出，下半部分为标准传感器在敏感方向的输出；计算得到灵敏度为15.2μV/g。然后对待测试器件进行非敏感方向的输出测试，按照具体实施步骤2进行，标准传感器保持原来的安装方式，将待测试器件原位旋转90度进行安装，即器件的非敏感方向X，在同样落高下，得到如图4所测试的结果，图中上部分为待测试的加速度传感器在非敏感方向的输出，下半部分为标准传感器在敏感方向的输出。测试得到器件的横向灵敏度为0.70μV/g。从图中可以看到，待测试器件的横向输出波形和标准器件的输出波形在同一时刻到达，并通过计算机显示出来，这就直接识别了器件的横向输出特性。同样，再将待测试的加速度传感器置于金属杆的顶端，即为非敏感Z方向，按照具体实施步骤2进行测试，得到图5所示意的结果。标准器件从一定高度同时落下，测试并计算得到其灵敏度为0.66μV/g，这样实际得到横向响应在X和Z方向分别为4.6％和4.4％。

待测试的加速度传感器其横向响应输出特性可以进一步在标定过的正弦振动台上来进行测试验证，在驱动频率500Hz，在20g的振动激励下，测量得到器件的横向输出偏差在3.0％。此结果与上述方法得到相一致的结果，即此方法得到验证。测试差别可能来源于器件的封装或者测试过程中安装带来的一些误差。器件中芯片的对准安装和封装以及实验测试中器件的安装影响测试结果。在理论上，当器件的敏感部分，即当芯片键合到衬底上，如果存在1度的对准偏差就会导致1.75％的输出误差；同样，在测试过程中，如果器件安装到金属杆上，其方向存在1度的偏差也同样导致1.75％的输出偏差。由这二者产生的误差就会导致3.5％的输出偏差。

Claims (10)

1、用波形比较法进行冲击加速度传感器横向响应的测试方法，利用波形比较法，将标准加速度传感器和待测试加速度传感器同时安装到金属杆上，金属杆自由落下与金属砧发生碰撞产生高幅值的冲击加速度，并利用双通道数据采集方式直接记录冲击碰撞过程的输出波形；从时间历程分析上，由两个加速度传感器产生的波同时被记录下来，主冲击波到达前沿能够容易识别，且其加速度幅值能够确定下来；利用两次冲击碰撞过程即能够实现横向和敏感方向灵敏度的测试，通过计算即得到横向响应。

2、按权利要求1所述的用波形比较法进行冲击加速度传感器横向响应的测试方法，其特征在于测试步骤是：

(a)敏感方向灵敏度测试

将标准加速度传感器(1)和待测试加速度传感器(2)的输出端分别与信号放大器(6)相连接，然后将信号放大器的输出端与由计算机控制的瞬态数字分析仪(7)的输入端相连接，放大的信号由多通道电压波采集卡获取，显示在计算机屏幕上；在金属杆顶部以同样的方式安装标准加速度传感器和待测试加速度传感器，使待测试加速度传感器和标准加速度传感器的敏感方向均与金属杆轴方向一致，然后金属杆以一定的高度自由落下，得到的输出波形显示于计算机上，按照公式计算，得到待测试加速度传感器敏感方向的灵敏度和冲击加速度峰值；

(b)横向响应的测试

将待测试加速度传感器安装在金属杆顶部，使输入的加速度与待测试加速度传感器的敏感方向垂直，即横向测试，标准加速度传感器保持原来的安装方式，将金属杆从一定的高度自由落下，两个加速度传感器产生的两个冲击波显示于计算机屏幕上，同样利用同样的公式直接进行计算，直接得到横向灵敏度；

上述步骤(a)和(b)中进行计算的公式为 $\frac{V_{c(x,y,z)}}{V_{s\left(y\right)}}=\frac{S_{c(x,y,z)}a}{S_{s\left(y\right)}a}=\frac{S_{c(x,y,z)}}{S_{s\left(y\right)}},$

式中，a为加速度传感器的加速度，S为灵敏度，V为加速度传感器的输出，标准加速度传感器在敏感方向的输出为V_s(y)，而待测试加速度传感器的输出为V_c(x，y，z)，脚标x，y，z分别对应三个测试方向，其中y是指敏感方向，而x，z是指非敏感方向；这样，待测试加速度传感器在敏感方向的灵敏度为 $S_{c\left(y\right)}=\frac{V_{c\left(y\right)}}{V_{s1}}{S}_{s\left(y\right)},$ V_s1表示在敏感方向测试时标准加速度传感器的输出，而V_c(y)表示在敏感方向测试时待测试加速度传感器的输出，同样，待测试加速度传感器在非敏感方向x和z上的灵敏度分别为 $S_{c(x,z)}=\frac{V_{c(x,z)}}{V_{s2}}{S}_{s\left(y\right)},$ 而V_s2表示在非敏感方向测试时标准加速度传感器的输出，由此，待测试加速度传感器非敏感方向的灵敏度和敏感方向的灵敏度之比为： $\frac{S_{c(x,z)}}{S_{c\left(y\right)}}=\frac{V_{c(x,z)}}{V_{s2}}\frac{V_{s1}}{V_{c\left(y\right)}}.$

3、按权利要求1或2所述的用波形比较法进行冲击加速度传感器横向响应的测试方法，其特征在于所述的标准加速度传感器是一个灵敏度已知的高冲击的加速度传感器。

4、按权利要求1或2所述的用波形比较法进行冲击加速度传感器横向响应的测试方法，其特征在于所述的金属杆为铝杆。

5、按权利要求1或2所述的用波形比较法进行冲击加速度传感器横向响应的测试方法，其特征在于标准加速度传感器和待测试加速度传感器安装在金属杆上采用下述三种方式中的一种，(a)安装在金属杆侧壁敏感y方向，(b)安装在金属杆侧壁非敏感x方向，(c)安装在金属杆顶端非敏感z方向。

6、按权利要求2所述的用波形比较法进行冲击加速度传感器横向响应的测试方法，其特征在于测试敏感方向时，使待测试加速度传感器的y轴与金属杆方向平行；测试非敏感方向时，使待测试加速度传感器的y轴垂直金属杆。

7、按权利要求2所述的用波形比较法进行冲击加速度传感器横向响应的测试方法，其特征在于V_s1和V_s2相等时，待测试加速度传感器的输出比和灵敏度之间的关系为：

$\frac{S_{c(x,z)}}{S_{c\left(y\right)}}=\frac{V_{c(x,z)}}{V_{c\left(y\right)}}.$

8、按权利要求2所述的用波形比较法进行冲击加速度传感器横向响应的测试方法，其特征在于两个加速度传感器的输出端是通过细软电缆(5)与信号放大器(6)相连接的，放大的信号由Top4012多通道电压波采集卡获取。

9、按权利要求2或8所述的用波形比较法进行冲击加速度传感器横向响应的测试方法，其特征在于信号放大器的放大倍数为20倍，-1dB截止频率大于25kHZ。

10、按权利要求1所述的用波形比较法进行冲击加速度传感器横向响应的测试方法，其特征在于所述的测试方法适用于单轴、双轴或三轴加速度传感器。

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