CN108020688B - 自谱分时段傅里叶变换高量程加速度计共振频率提取方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种自谱分时段傅里叶变换高量程加速度计共振频率提取方法，包括以下步骤：获取待测加速度传感器及其系统在瞬时冲击过程中响应输出电压与时间的关系，即传感器受到瞬时冲击的时域谱；将冲击过程所记录的曲线按时间顺序划分出来，其中至少包含三个以上明显不同的响应特征部分；提取所述待检测加速度传感器在所述三个以上不同时间段的电压与时间关系数据曲线；依次对每一个时间段的数据分别进行傅里叶变换，提取每一个时间域上经过傅里叶变换后的明显典型信号峰；比较上述不同时段信号峰，确定加速度传感器的共振频率峰及其频率。本发明通过一次测试即可识别和确定噪声信号峰和加速度传感器的一阶固有频率峰。

Description

自谱分时段傅里叶变换高量程加速度计共振频率提取方法

技术领域

本发明涉及微传感器力学测试分析技术领域，特别是涉及一种自谱分时段傅里叶变换高量程加速度计共振频率提取方法。

背景技术

对于极高量程的加速度传感器，通常其灵敏度信号都非常小，而其一阶共振频率非常高。加速度传感器的一阶共振频率越高，其工作带宽就越大，有利于提取复杂环境下频率分布很广的信号。一种具有高频高量程的加速度传感器，其一阶共振频率常常达到兆赫兹(MHz)量级甚至以上，常规振动台等测试手段难以实现加速度传感器固有共振频率参数的提取。同时，由于包括计算机在内的数据采集系统、以及信号放大电路中固有电噪声信号等的影响，电噪声峰与共振信号产生的峰分布在整个频谱上，识别加速度传感器的共振峰就变得更困难，如何准确获取高频高冲击量程加速度传感器的共振频率就成为一个问题。

利用微机电系统(MEMS)压阻敏感方式制作高频高量程加速度传感器是一种主要方式，一般采用的是悬臂梁结构、微梁固支质量块结构、或者微梁板式结构等。这些敏感结构在外力冲击作用下发生微小的形变，微小的形变通过压阻敏感的惠斯通桥路形式输出电压信号，进而被检测出来。该类压阻加速度传感器敏感方式属于应变型的被动式工作方式，需要外界激励才能获取其输出信息，如灵敏度和共振频率等。

尽管MEMS领域存在着一些高频共振频率、如达到几十MHz以上的测试方法，但这些方法并不适合该压阻类型的加速度共振频率测试。比如在微机电系统加工制造的微器件中，有一类器件如陀螺和谐振器属于主动式工作在器件谐振共振点位置的器件。此类器件设计一般包括主动驱动和主动检测两个微机电结构部分，能够原位获取共振频率和品质因子等参数，一般的，还需要用频谱分析仪等设备来进行测试分析。因此，此类测试方法中不适合高频率响应的加速度传感器器件的测试，因为压阻加速度传感器固有结构和被动敏感工作方式不具有静电驱动等微机械结构装置，无法实现一些重要参数的原位提取。

针对高频响高冲击加速度传感器共振频率的测试报道的非常少，在文献(Novelpiezoresistive high-g accelerometer geometry with very high sensitivity-bandwidth product，Sensors and Actuators A 182(2012)41–48)中，提出了一种特殊的瞬时冲击脉冲法，将一个玻璃棒或类似的非常脆的物体击打装有加速度传感器芯片的载体上，通过玻璃棒碎裂瞬间的脉冲冲击作用激发加速度传感器的共振，从而获得加速度传感器的共振频率，如几个MHz。该方法属于瞬时冲击作用方式，但不属于常规测试手段，操作上具有一定危险性，实验重复性的问题也值得考虑。

自由落杆或落锤等瞬时冲击法一般用来提取高量程加速度传感器的固有共振频率参数。在自由落杆或落锤等冲击测试系统中，固定加速度传感器的金属杆从一定高度落下与地面上放置的金属砧发生碰撞，在几十微秒的时间内将产生几千到几万g的瞬时加速度，可用来激发加速度传感器的共振。自由落杆冲击测试系统包括四个部分：自由落杆冲击发生装置，传感器前端，传感器放大电路，计算机控制的数据采集、存储和显示系统。计算机所采集到的信号主要为计算机本机系统的固有电噪声信号、放大电路的固有噪声、外界干扰噪声和加速度传感器的信号及噪声等，这些信号在某一固有频率处会有明显的电共振信号峰及其谐波信号噪声，极大地妨碍了对加速度传感器固有共振频率峰位的识别和确认。同时，冲击过程中，加速度传感器一阶固有机械共振信号会与这些信号混叠在一起。因此，需要采用一定的方法对加速度传感器的共振频率参数进行分析和提取。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种自谱分时段傅里叶变换高量程加速度计共振频率提取方法，通过一次测试即可识别和确定噪声信号峰和加速度传感器的一阶固有频率峰。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种自谱分时段傅里叶变换高量程加速度计共振频率提取方法，包括以下步骤：

(1)获取待测加速度传感器及其系统在瞬时冲击过程中响应输出电压与时间的关系，即传感器受到瞬时冲击的时域谱；

(2)将冲击过程所记录的曲线按时间顺序划分出来，其中至少包含三个以上明显不同的响应特征部分；

(3)提取所述待检测加速度传感器在所述三个以上不同时间段的电压与时间关系数据曲线；

(4)依次对每一个时间段的数据分别进行傅里叶变换，提取每一个时间域上经过傅里叶变换后的明显典型信号峰；

(5)比较上述不同时段信号峰，确定加速度传感器的共振频率峰及其频率。

所述步骤(1)具体为：

将所述待检测加速度传感器安装在尾端刻有用于固定加速度传感器凹槽，且具有一定长径比的金属杆上；

将安装待检测加速度传感器的金属杆自一定高度自由落下与地面上放置的金属砧发生碰撞，产生高幅值的瞬时冲击加速度，形成脉冲应力波传递给金属杆尾端固定的待检测加速度传感器；

利用多通道数据采集方式直接记录所述待检测加速度传感器在冲击碰撞过程中电压信号随时间变化的输出关系曲线波形。

所述步骤(2)中三个以上明显不同的响应特征部分具体为：第一部分为加速传感器尚未响应前记录的平坦曲线部分，记为曲线I部分；第二部分为瞬时冲击过程中加速度传感器响应输出的近似半正弦波构成的曲线II部分，以及第三部分为随后行波在金属杆中来回传递由加速度传感器响应的余波曲线III部分。

所述步骤(3)中提取的三个以上不同时间段的电压与时间关系数据曲线能够适当延伸至加速度传感器的脉冲响应曲线输出的上升部分。

所述步骤(4)具体为：将所述随时间变化的输出波形进行整个时间段上的傅里叶变换得到总的频率谱；确定所述频率谱中主要的明显的信号峰，即包括系统电噪声峰和待测加速度传感器的共振峰。

所述曲线I部分进行傅里叶变换得到相应频率谱，确定所述频率谱中主要的明显信号峰，由于是记录的初始阶段，即得到系统电噪声谱和相应明显的电噪声信号峰；所述曲线 II部分进行傅里叶变换得到相应的频率谱，确定所述频率谱中主要明显的信号峰，由于是加速度传感器的主冲击脉冲响应过程，输出的波形为近半正弦波，即得到包括系统的电噪声峰和相应明显的加速度传感器的共振信号峰；所述曲线III部分进行傅里叶变换得到相应的频率谱，确定所述频率谱中主要明显的信号峰，由于加速度传感器受到余波冲击的响应过程，即得到包括系统噪声谱和相应明显弱化了的加速度传感器的共振信号峰。

所述步骤(5)中将所述曲线I部分与曲线II部分进行傅里叶变换后得到相应的频率谱中进行信号峰位比较，确定加速度传感器的共振信号峰及其频率。

所述步骤(5)中将所述曲线II与曲线III部分进行傅里叶变换后得到相应的频率谱中进行峰位比较，进一步确定系统的电噪声峰位和加速度传感器的共振信号峰。

有益效果

由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明利用金属杆自由落体与地面放置的金属砧冲击过程中产生较高的加速度作为瞬时信号的激励源，结合计算机控制的数据采集分析系统，获取固定在金属杆上加速度传感器受到冲击后输出电压信号与时间关系的冲击谱。通过对冲击时域谱进行分时段频谱分析，分别确定相应时段中傅里叶变换后得到的典型信号峰，通过比较各时段典型信号峰的峰位，结合输出信号时域谱，排除电噪声信号峰，从而确定加速度传感器的一阶固有共振频率峰位和频率。该方法通过一次测试，分时段傅里叶变换分析，方法简便，具有噪声信号峰和加速度传感器固有共振频率峰可识别的特点。

附图说明

图1为本发明的流程图。

图2为本发明实施例中所使用的自由落杆冲击装置及数据采集系统示意图。

图3a和图3b为本发明实施例中加速度传感器安装方式和相应的坐标示意图；其中，图3a为本发明自谱分时段傅里叶变换高量程加速度计共振频率提取方法中加速度传感器安装在金属杆侧壁敏感y方向，图3b中加速度传感器的坐标示意。

图4为本发明实施例中加速度传感器敏感方向的冲击输出波形时域示意图。

图5为本发明实施例中加速度传感器时域响应数据经傅里叶变换后输出的频域结果图。

图6为本发明实施例中在数据首部分截取的数据输出波形示意图。

图7为本发明实施例中数据首部分的数据经过傅里叶变换后的频域结果图。

图8为本发明实施例中截取脉冲部分的数据输出波形示意图。

图9为本发明实施例中截取脉冲部分的数据经过傅里叶变换后的频域结果图。

图10为本发明实施例中截取余波部分的数据输出波形示意图。

图11为本发明实施例中截取余波部分的数据经过傅里叶变换后的频域结果图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

本发明的实施方式涉及一种自谱分时段傅里叶变换高量程加速度计共振频率提取方法，如图1所示，包括以下步骤：获取待测加速度传感器及其系统在瞬时冲击过程中响应输出电压与时间的关系，即传感器受到瞬时冲击的时域谱；将冲击过程所记录的曲线按时间顺序划分出来，其中至少包含三个以上明显不同的响应特征部分；提取所述待检测加速度传感器在所述三个以上不同时间段的电压与时间关系数据曲线；依次对每一个时间段的数据分别进行傅里叶变换，提取每一个时间域上经过傅里叶变换后的明显典型信号峰；比较上述不同时段信号峰，确定加速度传感器的共振频率峰及其频率。具体如下：

加速度传感器冲击系统瞬时冲击过程中，所述待检测加速度传感器的输出端与一信号放大器相连接，所述信号放大器的输出端与一计算机数据采集系统的输入端相连接，放大的信号由多通道电压波采集卡获取，传感器的时域谱最终显示在计算机屏幕上。

根据所得到的冲击过程曲线，将冲击过程所记录的曲线包含三个明显的不同区域划分出来，输出波中平坦曲线I部分(如图4中，-0.03ms到-0.01ms)，瞬时冲击过程中加速度传感器响应输出的近似半正弦波构成的曲线II部分(-0.01ms到0.12ms)，以及半正弦之后行波在金属杆中来回传递的余波曲线III部分(0.12ms---0.6ms)；

将所述随时间变化的输出波形进行整个时间段上的傅里叶变换得到总的频率谱；确定所述频率谱中主要明显的信号峰，即包括系统电噪声信号峰和待测加速度传感器的共振峰；

根据采集得到的加速度响应曲线，针对所划分的三个数据曲线，所选取的曲线I部分并不仅仅限于平坦曲线部分，结合时域过程曲线，为了有效甄别来自于加速度传感器的共振信号，可以适当延伸至加速度传感器的曲线输出的上升部分(如图6，-0.03ms到0.02ms)；

将所述随时间变化的输出波形曲线I部分进行傅里叶变换得到相应频率谱；确定所述频率谱中主要的明显信号峰，由于是数据记录的初始阶段，加速度传感器尚没有脉冲信号输出，此时得到系统电噪声谱和相应明显的电噪声信号峰；

将所述随时间变化的输出波形曲线II部分进行傅里叶变换得到相应的频率谱(如图8 中，选取时间段为0.02ms---0.12ms)；确定所述频率谱中主要明显的信号峰，由于是加速度传感器的主冲击响应过程，输出的波形为近半正弦波，即得到包括系统的电噪声峰和相应明显的加速度传感器的共振信号峰；

将所述随时间变化的输出波形曲线III部分进行傅里叶变换得到相应的频率谱(如图10 中，选取时间段从0.4ms到0.6ms)；确定所述频率谱中主要明显的信号峰，由于加速度传感器受到余波冲击的响应过程，即得到包括系统噪声峰和相应明显弱化了的加速度传感器的共振信号峰的叠加结果；

将所述曲线I与曲线II部分进行傅里叶变换后得到相应的频率谱中进行信号峰位比较，确定加速度传感器的共振信号峰及其频率；

将所述曲线II与曲线III部分进行傅里叶变换后得到相应的频率谱中进行峰位比较，进一步确定系统的噪声峰位和加速度传感器的共振信号峰。

具体的，本实施例中所使用的自由落杆冲击装置及数据采集系统如图2所示，图2中以所述待检测加速度传感器1沿敏感轴方向分布的情形为示例。图3a和图3b是器件敏感方向的示意图和坐标，其中标记7为加速度传感器1的管脚。本实施例中，金属杆为铝合金杆，长度为1m，直径为1.5cm。待检测加速度传感器与所述金属杆之间还设有机械滤波材料，该机械滤波材料为双面胶，厚度为0.15mm。

测试中需要待检测加速度传感器1、一根同轴的金属杆2、金属砧3、电缆线4、信号放大器5和计算机数据采集系统6。所述待检测加速度传感器1的放大电路的放大倍数为 20倍，-3dB截止频率大于260kHz，采集长度0.3ms至1ms之间可设定，阈值触发电压可设定如15mV。所述待检测加速度传感器1的输出端与所述信号放大器5相连接，所述信号放大器5的输出端与所述计算机数据采集系统6的输入端相连接，放大的信号由 Topview4012多通道电压波采集卡获取，最终显示在计算机屏幕上。

具体的，本实施例中所使用的自由落杆冲击装置中，所述金属砧6为钢砧，所述金属砧6的尺寸为：长29.8cm，宽26.7cm，高19.2cm；所述金属杆2可以为钢杆或铝合金杆，优选地，本实施例中，所述金属杆2为铝合金杆，所述金属杆2的尺寸为：长为1m、直径1.5cm。

具体的，所述金属杆2自由下落与地面上的所述金属砧3相碰撞前，所述金属杆2的碰撞端端面速度达到最大后并首先被减速，当速度为零时，所述金属杆2又反弹向上加速至离开所述金属砧3的表面，利用该过程所述金属杆2速度的变化得到较大的加速度瞬时激励源。这对应加速度传感器所记录的响应为平坦曲线，具有半正弦输出波，以及随后在金属杆中传递的余波在传感器中的响应。

加速度传感器瞬时冲击测试中，需要首先确定加速度传感器敏感方向的纵波输出电压信号U随时间的变化关系，如图4所示。图5是对图4数据进行的傅里叶变换得到的全谱，从中可以看到多个明显的信号峰，难以识别。

具体的，首先进行平坦曲线部分数据的分析。图6是对数据首部分截取的数据，包括一段脉冲上升过程的数据，主要目的是为了甄别共振发生初始时刻的时间历程。图7是对图6截取的数据经过傅里叶变换后的频谱图，按照频率由低到高确定明显的共振峰，其中不包含加速度传感器的共振峰，记录所有共振峰的频率数值。图中明显的信号峰为0.63MHz,1.44MHz,1.84MHz,2.63MHz,2.88MHz。可以发现，1.44MHz和2.88MHz为电噪声信号中的基频和倍频。

进一步，对脉冲半正弦波输出部分数据进行分析。图8是对近半正弦输出波曲线部分截取的数据曲线图，根据时域过程，截取半正弦中数据中发生明显变化之后的部分开始，一直到波形恢复到零线位置。图9是对近半正弦输出波曲线中间部分截取数据所做的傅里叶变换后的频谱图。频率依次为：1.135MHz,1.44MHz,1.84MHz,2.64MHz,2.88MHz。结合图6和图7的结果，可以发现1.135MHz频率为明显新出现的共振峰信号。信号中依然存在1.44MHz和2.88MHz电信号两个频率。

进一步，余波部分的数据分析。截取余波中相应的一段数据曲线，如图10示意。图11为对余波部分所截取的数据曲线所做的傅里叶变换后的频谱，其中明显的频率峰位为：1.44MHz,1.52MHz,1.84MHz,1.92MHz,2.64MHz,2.88MHz。可以发现所出现的频率中没有1.135MHz的频率，但出现了1.52MHz和1.92MHz两个新频率。实际上，结合前述四个曲线，1.44MHz和1.52MHz相差为0.08MHz，认为这是一对伴生电噪声频率；同样1.84MHz 和1.92MHz两个频率也相隔为0.08MHz，也是伴生的电噪声频率对。至此确定了加速度传感器机械共振频率为1.135MHz。

具体的，由一次冲击，对数据进行分时段处理和变换，确定出加速度传感器的一阶共振峰，甚至是高阶共振峰，即得到了加速度计的共振频率1.135MHz，该共振频率与理论预期的符合。

具体的，所述的加速传感器为经过设计、灵敏度和共振频率已知的加速度传感器。

综上所述，本发明提出一种自谱分时段傅里叶变换高量程加速度计共振频率提取方法。采用金属杆自由落体的方法获得较高的加速度作为激励源，采用一步测试法，截取曲线中的特征的典型数据，分别获取相应的频谱，确定各自频谱的典型信号峰峰位，经比较后确定加速度计的固有共振频率。

Claims (7)

1.一种自谱分时段傅里叶变换高量程加速度计共振频率提取方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)获取待测加速度传感器及其系统在瞬时冲击过程中响应输出电压与时间的关系，即传感器受到瞬时冲击的时域谱；

(2)将冲击过程所记录的曲线按时间顺序划分出来，其中至少包含三个以上明显不同的响应特征部分；所述三个以上明显不同的响应特征部分具体为：第一部分为加速传感器尚未响应前记录的平坦曲线部分，记为曲线I部分；第二部分为瞬时冲击过程中加速度传感器响应输出的近似半正弦波构成的曲线II部分，以及第三部分为随后行波在金属杆中来回传递由加速度传感器响应的余波曲线III部分；

(3)提取所述待测加速度传感器在所述三个以上明显不同的响应特征部分的不同时间段的电压与时间关系数据曲线；

(4)依次对每一个时间段的数据分别进行傅里叶变换，提取每一个时间域上经过傅里叶变换后的明显典型信号峰；

(5)比较上述不同时段信号峰，确定加速度传感器的共振频率峰及其频率。

2.根据权利要求1所述的自谱分时段傅里叶变换高量程加速度计共振频率提取方法，其特征在于，所述步骤(1)具体为：

将所述待测加速度传感器安装在尾端刻有用于固定加速度传感器凹槽，且具有一定长径比的金属杆上；

将安装待测加速度传感器的金属杆自一定高度自由落下与地面上放置的金属砧发生碰撞，产生高幅值的瞬时冲击加速度，形成脉冲应力波传递给金属杆尾端固定的所述待测加速度传感器；

利用多通道数据采集方式直接记录所述待测加速度传感器在冲击碰撞过程中电压信号随时间变化的输出关系曲线波形。

3.根据权利要求1所述的自谱分时段傅里叶变换高量程加速度计共振频率提取方法，其特征在于，所述步骤(3)中提取的三个以上明显不同的响应特征部分的不同时间段的电压与时间关系数据曲线能够适当延伸至加速度传感器的脉冲响应曲线输出的上升部分。

4.根据权利要求1所述的自谱分时段傅里叶变换高量程加速度计共振频率提取方法，其特征在于，所述步骤(4)具体为：将随时间变化的输出波形进行整个时间段上的傅里叶变换得到总的频率谱；确定所述频率谱中主要的明显的信号峰，即包括系统电噪声峰和待测加速度传感器的共振峰。

5.根据权利要求4所述的自谱分时段傅里叶变换高量程加速度计共振频率提取方法，其特征在于，所述曲线I部分进行傅里叶变换得到相应频率谱，确定所述频率谱中主要的明显信号峰，由于是记录的初始阶段，即得到系统电噪声谱和相应明显的电噪声信号峰；所述曲线II部分进行傅里叶变换得到相应的频率谱，确定所述频率谱中主要明显的信号峰，由于是加速度传感器的主冲击脉冲响应过程，输出的波形为近半正弦波，即得到包括系统的电噪声峰和相应明显的加速度传感器的共振信号峰；所述曲线III部分进行傅里叶变换得到相应的频率谱，确定所述频率谱中主要明显的信号峰，由于加速度传感器受到余波冲击的响应过程，即得到包括系统噪声谱和相应明显弱化了的加速度传感器的共振信号峰。

6.根据权利要求5所述的自谱分时段傅里叶变换高量程加速度计共振频率提取方法，其特征在于，所述步骤(5)中将所述曲线I部分与曲线II部分进行傅里叶变换后得到相应的频率谱中进行信号峰位比较，确定加速度传感器的共振信号峰及其频率。

7.根据权利要求5所述的自谱分时段傅里叶变换高量程加速度计共振频率提取方法，其特征在于，所述步骤(5)中将所述曲线II与曲线III部分进行傅里叶变换后得到相应的频率谱中进行峰位比较，进一步确定系统的电噪声峰位和加速度传感器的共振信号峰。