李章承，楊燦，賀慧勇

（1.長沙理工大學 物理與電子科學學院，長沙 410114；2.柔性電子材料基因工程湖南省重點實驗室，長沙 410114）

引言

振動臺在航空航天、交通運輸、國防工業(yè)等領域中廣泛應用，通過振動臺模擬產品的真實環(huán)境振動，可對各類結構與設備進行故障診斷、可靠性測試與疲勞測試。電動振動臺具有靈敏度高、頻響范圍寬、輸出加速度大等特點，在振動測試實驗中應用廣泛，但其在振動試驗中存在低頻控制精度不足、低頻信號波形失真度大等問題[1-4]，往往達不到試驗要求。

沈國重在文獻[5]中采用多分辨率控制的方法，對低頻部分采用更高的頻率分辨率，取得了令人滿意的控制效果。胡紅波等人利用位移反饋控制技術[6]，改善了振動臺低頻位移波形失真度。李寧、那文波等人[7]將小波多分辨分析以及小波包應用到振動臺的低頻控制中，提高了振動臺的低頻控制精度，同時也兼顧了高頻精度。以上方法都是從控制算法、控制技術層面對振動臺低頻振動問題做出改進，在振動信號采集的精確度上沒有深入的探討，若不能獲得準確信號，則無法保證振動控制算法、振動控制器的準確性與有效性。

本文從信號采集的角度出發(fā)，首先對電動振動臺的低頻信號采集精度進行了分析，討論了影響振動臺低頻信號采集精度的幾個因素，針對振動臺采用單一壓電式加速度傳感器采集振動信號（單傳感器法）低頻精度差的問題，提出了采用壓電式加速度傳感器和MEMS加速度傳感器結合（雙傳感器法）測量振動信號的方案。用該方法能有效改善低頻采集信號波形失真的問題，提高電動振動臺的低頻信號采集精度。

1 電動振動臺低頻信號采集精度分析

電動振動臺低頻部分一般從5~10 Hz開始，雖然技術的發(fā)展使其低頻部分可達到2 Hz，但加速度信號失真嚴重，往往無法達到低頻振動試驗的精度要求[8]。隨著各行各業(yè)對產品性能以及可靠性要求的不斷提高，傳統(tǒng)振動臺低頻性能已無法滿足生產需要，如何解決振動臺低頻控制精度不足的問題是我們迫切需要重視的。

低頻振動信號采集精度的高低很大程度上決定了振動臺低頻控制精度的高低，若不能獲得準確的振動信號，則無法保證振動控制算法、振動控制器的準確性與有效性。所以準確的采集低頻振動信號是十分必要的，而影響振動臺低頻采集精度的因素有以下幾點：

1.1 背景噪聲干擾

背景噪聲與振動臺的使用材料、制造工藝、周圍環(huán)境等有關。在振動臺安裝調試完畢后，背景噪聲來源主要是實驗室的環(huán)境噪聲，其次為功率放大器加上增益后產生的噪聲[9,10]。低頻振動的信號通常比較小，在進行低頻振動試驗時最好保證該振動臺與其他振動設備保持一定距離，以減小環(huán)境噪聲的干擾。同時要選擇靈敏度較大的傳感器，才能獲得更大的輸出信號，但是若選擇過高靈敏度的傳感器，又將影響傳感器本身的工作穩(wěn)定性和對噪聲的抗干擾能力，因此在測量低頻振動時，對高靈敏度和低噪聲的選擇需要綜合考慮。

1.2 壓電式加速度傳感器的低頻特性

傳統(tǒng)振動臺控制系統(tǒng)采用單一壓電式加速度傳感器采集振動信號。壓電式加速度傳感器動態(tài)響應好、測量范圍寬、靈敏度高，但低頻響應特性較差。其上限響應頻率取決于機械部分的固有頻率，下限響應頻率取決于壓電晶片本身以及其使用的放大器[11,12]。目前壓電式加速度傳感器的固有頻率可達100 kHz以上，高頻特性良好，本文主要討論壓電測量系統(tǒng)的低頻特性。圖1為壓電式加速度傳感系統(tǒng)的等效電路。

圖1中Q為壓電元件的電荷輸出，Cc為電纜線的分布電容，Ri為傳感器、電纜、電荷放大器的等效輸入電阻，Rf為電荷放大器的反饋電阻，Cf為電荷放大器的反饋電容，A為運放的開環(huán)增益。

圖1 壓電式加速度傳感系統(tǒng)等效電路

電荷放大器的輸出特性方程為[13]：

因為A>>1，此時輸入電阻Ri和電纜電容Cc可忽略不計，式（1）可簡化為：

當工作頻率足夠高時：1/Rf<<ωCf，則1/Rf可略去，此時的輸出為：

當工作頻率很低時，式（2）中的1/Rf值與ωCf值相當，1/Rf不可忽略，且1/Rf=ωCf時，則

增大反饋電阻或增大反饋電容都可以使電荷放大器低頻截止頻率進一步降低，進而提升壓電傳感器的低頻特性，但Rf過大不利于減小零點漂移，而Cf過大又會導致增益的降低，合理選擇Rf和Cf的取值才能更好的提高振動臺的低頻信號采集精度。

1.3 傳感器的傳輸電纜

對于信號測量系統(tǒng)，信號傳輸也是很重要的一個環(huán)節(jié)，信號傳輸部分沒有做好，傳感器采集的數(shù)據(jù)在傳輸過程中就會發(fā)生失真或被噪聲污染，而這種信號的惡化往往是不可逆的。在實際工程應用中，傳感器電纜的長度都較長，此時電纜的分布電容不可忽略，從而會導致信號的幅度大大降低。在測量時，傳輸電纜還會隨著傳感器的振動而承受同樣的機械振動，這種機械振動引起的機械摩擦效應會導致電纜內部產生干擾電荷，干擾電荷疊加在輸出信號上就會產生波形失真，使得輸出波形顯得雜亂。傳輸電纜周圍的空間磁場同樣容易對小量級的信號傳輸產生干擾，導致所傳輸?shù)恼駝有盘柊l(fā)生畸變或失真。

2 雙傳感器法的測量原理

為了改善振動臺低頻采集精度,實現(xiàn)振動臺控制器的精確控制，本文提出了一種新的振動信號測量方法——雙傳感器法。雙傳感器法即是采用頻響范圍寬、高頻響應好（壓電式加速度傳感器）和低頻響應好（MEMS加速度傳感器）的兩種不同類型加速度傳感器來采集振動信號。MEMS加速度傳感器低頻性能高、體積小，但動態(tài)測量范圍窄，通常用于低至直流的低頻振動測量。雙傳感器法結合了兩類傳感器的性能優(yōu)勢，同步采集振動信號，改善了單傳感器法測量振動信號的不足。其結構示意圖如圖2所示。

圖2 雙傳感器法測量振動信號結構示意圖

壓電式加速度傳感器與MEMS加速度傳感器同步拾取振動臺產生的振動信號，MEMS加速度計通過I2C或SPI通信直接數(shù)字化輸出加速度信號至處理器中，壓電式加速度傳感器采集的是電荷信號，需要通過電荷放大器將微弱的電荷信號放大并轉化為電壓信號，A/D轉換器將模擬電壓信號轉化為數(shù)字信號輸出到處理器中，最后處理器將兩路振動加速度信號進行數(shù)據(jù)融合處理。

振動臺控制器的實時性要求較高，為實現(xiàn)加速度數(shù)據(jù)快速融合，數(shù)據(jù)融合采用簡單分段方法。低于30 Hz的加速度信號處理器采用MEMS加速度傳感器采集的數(shù)據(jù)作為最終輸出數(shù)據(jù)；對于30~150 Hz頻率范圍的加速度信號，兩類傳感器信號采集效果相差不大，因此處理器取兩路加速度數(shù)據(jù)的平均值作為最終輸出；而高于150 Hz的加速度信號，MEMS加速度傳感器開始逐漸無法滿足測量要求，處理器采用壓電式加速度傳感器采集的數(shù)據(jù)作為最終輸出。

3 試驗與結果分析

為了驗證雙傳感器法測量振動信號的可行性，搭建了振動信號采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)由振動臺、加速度傳感器、功率放大器、電荷放大器和STM32單片機等組成。信號發(fā)生器產生不同頻率的電壓信號，通過功率放大器驅動振動臺，振動臺則產生相應頻率的振動。壓電式加速度傳感器和MEMS加速度傳感器通過磁座（磁座可保證兩個傳感器安裝質量相一致）吸附于振動臺臺面，兩傳感器同步采集振動加速度信號。振動信號采集系統(tǒng)示意圖如圖3所示。

圖3 振動信號采集系統(tǒng)示意圖

本文采用YD-103型壓電式加速度傳感器，能夠提供較寬的頻率范圍和動態(tài)范圍，同時還具有重量輕、體積小、耐高溫等特點，適合在振動測量中使用。傳感器性能參數(shù)設置：電荷靈敏度為20 pC/g；頻率范圍為1~12 000 Hz；最大可測加速度為2 000 g；工作溫度范圍為（-20~120）℃。MEMS加速度傳感器采用LSM6DS3六軸傳感器，LSM6DS3是系統(tǒng)級封裝的3D 數(shù)字加速度計和3D 數(shù)字陀螺儀，具有數(shù)字I2C/SPI串口標準輸出。該器件具有用戶可選擇的滿量程加速度動態(tài)范圍：±2/±4/±8/±16 g，集成有一個8 kbyte的智能先進先出（FIFO）緩沖器，支持對有效數(shù)據(jù)進行動態(tài)批處理。LSM6DS3具有超低的噪聲和出色的溫度穩(wěn)定性，非常適合狀態(tài)監(jiān)控應用。

系統(tǒng)采用ST公司推出的高性能Cortex-M4開發(fā)板STM32F4-Discovery進行數(shù)據(jù)的采集與處理。STM32接收兩路振動加速度數(shù)據(jù)，當數(shù)據(jù)量達到4 096個字節(jié)則進行一次存儲，同時，上一次存儲的加速度數(shù)據(jù)則通過串口發(fā)送到上位機。

本文在振動信號采集系統(tǒng)上利用雙傳感器法采集了振動臺的振動加速度信號，并將測量到的數(shù)據(jù)與單傳感器法的測量結果作了對比。

圖4為采用單傳感器法和雙傳感器法在振動頻率為100 Hz、150 Hz和200 Hz時采集的振動信號波形。由圖可知，用兩種方法測得的振動加速度信號原始數(shù)據(jù)波形呈現(xiàn)相同的變化規(guī)律，且信號波形無明顯失真，雙傳感器法在此頻率范圍采集效果與單傳感器法一致。

圖4 單傳感器法與雙傳感器法采集的振動加速度信號

調節(jié)振動臺的振動頻率至低頻，單傳感器法和雙傳感器法在10 Hz、5 Hz和3 Hz頻率處采集的振動加速度信號波形如圖5所示，隨著信號頻率的降低，單傳感器法采集的信號波形出現(xiàn)了明顯的失真。當信號頻率降至3 Hz時，信號波形失真嚴重，已經難以分辨出信號的幅度和頻率，此時，單傳感器法已無法完成對振動加速度信號的測量。

圖5 單傳感器法與雙傳感器法在低頻段采集的振動加速度信號

與單傳感器法相比，雙傳感器法在低頻時的波形失真現(xiàn)象明顯減小，信號波形能夠很好的反映信號的幅度與頻率，實現(xiàn)了準確的信號采集。

根據(jù)GB/T 13310-2007標準規(guī)定，在頻帶5 Hz≤f ≤20 Hz內最大加速度波形失真度不超過25 %，20 Hzf工作頻率上限內最大失真度不超過10 %。圖6給出了不同頻率下兩種信號采集方法的加速度波形失真度，兩種方法的加速度波形失真度都滿足加速度波形失真度的標準。

圖6 兩種方法在不同頻率下的加速度波形失真度

由圖6可以看出，振動加速度信號在非低頻時，兩種方法的信號采集效果區(qū)別不大，但是在低頻段，雙傳感器法信號采集效果明顯優(yōu)于單傳感器法。雙傳感器法測量振動加速度信號的方案降低了加速度信號波形失真度，提高了低頻信號采集精度。

4 結論

本文提出了一種雙傳感器法測量振動信號的方案，該方案結合了壓電式加速度傳感器和MEMS加速度傳感器的性能優(yōu)勢，拓寬了信號采集的頻率范圍，也兼顧了高頻的采集精度。試驗結果表明，與傳統(tǒng)方法相比，雙傳感器法測量振動信號的方案降低了信號波形失真度，提高了低頻信號采集精度。本文方法對提高振動試驗的低頻控制精度具有一定的參考價值。