加速度計(jì)的安裝方法分享

在本文中，了解安裝加速度計(jì)的不同方法、它們對(duì)加速度計(jì)頻率響應(yīng)的影響以及安裝MEMS加速度計(jì)的解決方案。

為了準(zhǔn)確測(cè)量加速度，重要的是在加速度計(jì)和被監(jiān)控系統(tǒng)之間建立適當(dāng)?shù)?a href="http://wenjunhu.com/v/tag/1472/" target="_blank">機(jī)械耦合。

在本文中，我們將了解將加速度計(jì)安裝到被測(cè)單元（UUT）的不同方法。

加速度計(jì)安裝：為什么重要？

如前所述，考慮加速度計(jì)和系統(tǒng)的機(jī)械耦合很重要。

加速度傳感中的一個(gè)常見(jiàn)誤差來(lái)源是安裝夾具的共振。

例如，當(dāng)使用微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）加速度計(jì)時(shí)，安裝加速度計(jì)的PC板，以及PCB和被監(jiān)測(cè)對(duì)象之間的任何其他機(jī)械接口，可以創(chuàng)建一個(gè)具有多個(gè)共振的機(jī)械系統(tǒng)。感興趣的頻率范圍。

如果加速度信號(hào)的頻率接近安裝結(jié)構(gòu)的共振頻率，傳感器將接收到原始加速度的放大版本。

另一方面，如果機(jī)械耦合由于阻尼而表現(xiàn)出一些衰減，傳感器將測(cè)量到比實(shí)際信號(hào)更小的信號(hào)。

應(yīng)采用適當(dāng)?shù)陌惭b技術(shù)以充分利用加速度計(jì)提供的帶寬。在測(cè)量高于1kHz的加速度信號(hào)時(shí)，機(jī)械安裝變得尤為重要。

加速度計(jì)安裝方法：螺柱、粘合劑、磁性

一般來(lái)說(shuō)，有三種主要的安裝方法，即螺柱安裝、粘合劑連接和磁性安裝，我們將在下面簡(jiǎn)要介紹這些方法。

螺柱安裝

只要有可能，最好在物體上鉆孔，然后用螺絲將傳感器固定在被測(cè)設(shè)備（DUT）上。

螺柱安裝提供了堅(jiān)固的機(jī)械連接，并能夠?qū)⑽矬w的高頻振動(dòng)傳遞給傳感器。

圖1顯示了如何使用螺栓安裝將壓電加速度計(jì)固定到被測(cè)設(shè)備上。

使用螺柱安裝時(shí)，聯(lián)軸器表面應(yīng)盡可能平坦和清潔。建議在耦合表面之間使用一層薄薄的油脂、油或類似耦合液，尤其是在2kHz以上。添加耦合液可填充安裝表面的小空隙，并提高振動(dòng)傳遞性和安裝剛度。

在圖2中，圖表顯示了使用油脂膜對(duì)螺柱式加速度計(jì)頻率響應(yīng)的影響。

圖2.顯示油脂對(duì)加速度計(jì)頻率響應(yīng)的影響的圖表。

如您所見(jiàn)，當(dāng)不使用耦合液時(shí)（黃色曲線），與使用油脂膜的粉色曲線相比，共振頻率發(fā)生在相對(duì)較低的頻率。

該圖還說(shuō)明了另一個(gè)重要因素的影響：將螺柱擰緊至數(shù)據(jù)表中所示的推薦安裝扭矩。

應(yīng)使用扭矩扳手將螺柱擰緊到制造商的規(guī)格。扭矩不足的螺柱可能無(wú)法將傳感器充分耦合到物體并進(jìn)一步降低系統(tǒng)的共振頻率（圖中的青色曲線）。過(guò)度擰緊也可能導(dǎo)致設(shè)備損壞。

粘合劑安裝

有時(shí)不可能在結(jié)構(gòu)上鉆孔，或者某些加速度計(jì)的設(shè)計(jì)不允許我們使用螺柱安裝。

在這些情況下，我們可以使用粘合劑將傳感器固定到被監(jiān)控對(duì)象上。

應(yīng)選擇合適的粘合劑，例如環(huán)氧樹(shù)脂、膠水或蠟，以滿足應(yīng)用要求。請(qǐng)記住，一些粘合劑適用于臨時(shí)安裝，而其他粘合劑則提供更永久的安裝。

另一種選擇是使用粘合劑安裝底座或安裝墊，其中底座的一側(cè)粘合安裝到測(cè)試對(duì)象，另一側(cè)提供質(zhì)量表面以螺柱安裝加速度計(jì)。

該解決方案如圖3所示。

圖3.使用粘合劑安裝底座安裝加速度計(jì)的示例。

由于安裝墊為加速度計(jì)提供了光滑的表面和垂直的安裝孔，因此可以改善加速度計(jì)的頻率響應(yīng)。

此外，粘合劑安裝底座還可以防止粘合劑通過(guò)堵塞傳感器的安裝螺紋而損壞昂貴的加速度計(jì)。

磁性安裝

安裝加速度計(jì)的最后第三種方法是使用磁性。當(dāng)被監(jiān)測(cè)對(duì)象具有鐵磁表面時(shí)，可以使用磁性安裝。

在非磁性或粗糙表面的情況下，我們可以焊接或環(huán)氧鋼墊以接受磁性底座。

圖4顯示了在圓形表面上使用兩腳磁鐵。

圖4.磁性安裝的加速度計(jì)示例。圖片由Wilcoxon提供。

盡管可能隱含易于安裝，但磁性安裝通常很重，并且增加的質(zhì)量會(huì)降低測(cè)量系統(tǒng)的諧振頻率。

加速度計(jì)安裝方法的頻率響應(yīng)

與螺柱安裝方法相比，粘合劑和磁性安裝提供了相對(duì)較松的連接，因此適用于測(cè)量低頻加速度信號(hào)。這些方法通常用于涉及低于幾千赫茲的加速度信號(hào)的應(yīng)用。

圖5顯示了給定加速度計(jì)在不同安裝類型下的頻率響應(yīng)。

圖5.加速度計(jì)的頻率與幅度關(guān)系圖，具體取決于安裝類型。

通過(guò)螺柱安裝（藍(lán)色曲線），系統(tǒng)的諧振頻率出現(xiàn)在相對(duì)較高的頻率上。

然而，使用粘合劑（黑色曲線）和磁性安裝（綠色曲線），頻率響應(yīng)開(kāi)始在相對(duì)較低的頻率處達(dá)到峰值。下表給出了使用不同安裝方法時(shí)的典型頻率限制。

安裝MEMS加速度計(jì)的解決方案

壓電加速度計(jì)旨在支持上述成熟的安裝策略。這使得這些設(shè)備的安裝相對(duì)簡(jiǎn)單。

還有電容式MEMS加速度計(jì)，例如JewellInstruments的AMA系列，采用堅(jiān)固耐用的設(shè)計(jì)，可在惡劣的環(huán)境中運(yùn)行，支持螺柱/螺栓安裝。

然而，大多數(shù)MEMS加速度計(jì)應(yīng)該安裝在PCB上。然后應(yīng)通過(guò)足夠剛性的安裝技術(shù)將PCB連接到被監(jiān)測(cè)對(duì)象。

一些可能影響系統(tǒng)整體帶寬的PCB設(shè)計(jì)因素包括：加速度計(jì)IC在PCB上的位置、焊料化學(xué)成分和PCB尺寸。此外，應(yīng)檢查PCB和物體之間的任何其他機(jī)械接口，以確保高頻振動(dòng)成功傳遞到傳感器。

加速度計(jì)IC應(yīng)放置在PCB上穩(wěn)定的機(jī)械安裝位置附近。建議在加速度計(jì)IC附近有多個(gè)硬安裝點(diǎn)。

圖6顯示了錯(cuò)誤放置的加速度計(jì)的示例。

圖6.加速度計(jì)放置錯(cuò)誤的示例。

在上述示例中，加速度計(jì)放置在不受支持的PCB位置，并且由于PCB本身的無(wú)阻尼振動(dòng)可能會(huì)出現(xiàn)測(cè)量誤差。

另一個(gè)可能影響系統(tǒng)帶寬的因素是PCB厚度。更厚（但更昂貴）的PCB可以減少電路板組件共振對(duì)我們測(cè)量的影響并提高測(cè)量精度。

另一個(gè)解決MEMS加速度計(jì)安裝問(wèn)題的解決方案來(lái)自AnalogDevices，它創(chuàng)建了一個(gè)安裝立方體，用于將PCB固定到資產(chǎn)上。

立方體有一個(gè)中央安裝孔，允許使用#10機(jī)器螺釘將模塊牢固地連接到被測(cè)設(shè)備。

請(qǐng)注意，傳感器PCB設(shè)計(jì)得稍厚一些（3毫米）。