加速度计的安装方法分享

在本文中，了解安装加速度计的不同方法、它们对加速度计频率响应的影响以及安装MEMS加速度计的解决方案。

为了准确测量加速度，重要的是在加速度计和被监控系统之间建立适当的机械耦合。

在本文中，我们将了解将加速度计安装到被测单元（UUT）的不同方法。

加速度计安装：为什么重要？

如前所述，考虑加速度计和系统的机械耦合很重要。

加速度传感中的一个常见误差来源是安装夹具的共振。

例如，当使用微机电系统（MEMS）加速度计时，安装加速度计的PC板，以及PCB和被监测对象之间的任何其他机械接口，可以创建一个具有多个共振的机械系统。感兴趣的频率范围。

如果加速度信号的频率接近安装结构的共振频率，传感器将接收到原始加速度的放大版本。

另一方面，如果机械耦合由于阻尼而表现出一些衰减，传感器将测量到比实际信号更小的信号。

应采用适当的安装技术以充分利用加速度计提供的带宽。在测量高于1kHz的加速度信号时，机械安装变得尤为重要。

加速度计安装方法：螺柱、粘合剂、磁性

一般来说，有三种主要的安装方法，即螺柱安装、粘合剂连接和磁性安装，我们将在下面简要介绍这些方法。

螺柱安装

只要有可能，最好在物体上钻孔，然后用螺丝将传感器固定在被测设备（DUT）上。

螺柱安装提供了坚固的机械连接，并能够将物体的高频振动传递给传感器。

图1显示了如何使用螺栓安装将压电加速度计固定到被测设备上。

使用螺柱安装时，联轴器表面应尽可能平坦和清洁。建议在耦合表面之间使用一层薄薄的油脂、油或类似耦合液，尤其是在2kHz以上。添加耦合液可填充安装表面的小空隙，并提高振动传递性和安装刚度。

在图2中，图表显示了使用油脂膜对螺柱式加速度计频率响应的影响。

图2.显示油脂对加速度计频率响应的影响的图表。

如您所见，当不使用耦合液时（黄色曲线），与使用油脂膜的粉色曲线相比，共振频率发生在相对较低的频率。

该图还说明了另一个重要因素的影响：将螺柱拧紧至数据表中所示的推荐安装扭矩。

应使用扭矩扳手将螺柱拧紧到制造商的规格。扭矩不足的螺柱可能无法将传感器充分耦合到物体并进一步降低系统的共振频率（图中的青色曲线）。过度拧紧也可能导致设备损坏。

粘合剂安装

有时不可能在结构上钻孔，或者某些加速度计的设计不允许我们使用螺柱安装。

在这些情况下，我们可以使用粘合剂将传感器固定到被监控对象上。

应选择合适的粘合剂，例如环氧树脂、胶水或蜡，以满足应用要求。请记住，一些粘合剂适用于临时安装，而其他粘合剂则提供更永久的安装。

另一种选择是使用粘合剂安装底座或安装垫，其中底座的一侧粘合安装到测试对象，另一侧提供质量表面以螺柱安装加速度计。

该解决方案如图3所示。

图3.使用粘合剂安装底座安装加速度计的示例。

由于安装垫为加速度计提供了光滑的表面和垂直的安装孔，因此可以改善加速度计的频率响应。

此外，粘合剂安装底座还可以防止粘合剂通过堵塞传感器的安装螺纹而损坏昂贵的加速度计。

磁性安装

安装加速度计的最后第三种方法是使用磁性。当被监测对象具有铁磁表面时，可以使用磁性安装。

在非磁性或粗糙表面的情况下，我们可以焊接或环氧钢垫以接受磁性底座。

图4显示了在圆形表面上使用两脚磁铁。

图4.磁性安装的加速度计示例。图片由Wilcoxon提供。

尽管可能隐含易于安装，但磁性安装通常很重，并且增加的质量会降低测量系统的谐振频率。

加速度计安装方法的频率响应

与螺柱安装方法相比，粘合剂和磁性安装提供了相对较松的连接，因此适用于测量低频加速度信号。这些方法通常用于涉及低于几千赫兹的加速度信号的应用。

图5显示了给定加速度计在不同安装类型下的频率响应。

图5.加速度计的频率与幅度关系图，具体取决于安装类型。

通过螺柱安装（蓝色曲线），系统的谐振频率出现在相对较高的频率上。

然而，使用粘合剂（黑色曲线）和磁性安装（绿色曲线），频率响应开始在相对较低的频率处达到峰值。下表给出了使用不同安装方法时的典型频率限制。

安装MEMS加速度计的解决方案

压电加速度计旨在支持上述成熟的安装策略。这使得这些设备的安装相对简单。

还有电容式MEMS加速度计，例如JewellInstruments的AMA系列，采用坚固耐用的设计，可在恶劣的环境中运行，支持螺柱/螺栓安装。

然而，大多数MEMS加速度计应该安装在PCB上。然后应通过足够刚性的安装技术将PCB连接到被监测对象。

一些可能影响系统整体带宽的PCB设计因素包括：加速度计IC在PCB上的位置、焊料化学成分和PCB尺寸。此外，应检查PCB和物体之间的任何其他机械接口，以确保高频振动成功传递到传感器。

加速度计IC应放置在PCB上稳定的机械安装位置附近。建议在加速度计IC附近有多个硬安装点。

图6显示了错误放置的加速度计的示例。

图6.加速度计放置错误的示例。

在上述示例中，加速度计放置在不受支持的PCB位置，并且由于PCB本身的无阻尼振动可能会出现测量误差。

另一个可能影响系统带宽的因素是PCB厚度。更厚（但更昂贵）的PCB可以减少电路板组件共振对我们测量的影响并提高测量精度。

另一个解决MEMS加速度计安装问题的解决方案来自AnalogDevices，它创建了一个安装立方体，用于将PCB固定到资产上。

立方体有一个中央安装孔，允许使用#10机器螺钉将模块牢固地连接到被测设备。

请注意，传感器PCB设计得稍厚一些（3毫米）。