基于IEPE加速度传感器的振动测试系统研究

宋先进，王 志

(1.合肥工业大学 仪器科学与光电工程学院，安徽 合肥 230009；2.安徽省计量科学研究院，安徽 合肥 230051)

振动是自然界普遍存在的现象，尤其是在工业生产中，振动测试主要从振动频率、振动强度、振源寻找等方面着手[1]，准确地获得振动参数对我们优化工业生产设计和合理安排工业生产活动具有重大意义。压电式加速度传感器因为具有体积小、重量轻、测量频率范围宽和易于安装等优点广泛应用于振动测试中[2]。但压电式加速度传感器存在内部压电晶体产生的电信号微弱、易受干扰等问题[3]；IEPE加速度传感器是一种内置放大电路的压电式加速度传感器，能减少周围环境对信号传输的干扰；因此具有高灵敏度、抗干扰等特点，所以其在振动测试方面有着广泛的应用。文章基于IEPE加速度传感器设计了一套振动测试系统，该系统包括IEPE加速度传感器、传感器驱动及信号调理电路、高速数据采集卡及labview2010软件开发平台。并对振动测试系统进行标定，标定结果表明该振动测试系统振动测量最大误差1Hz，精度较高，基本满足实验要求。

1 振动测试系统组成

振动测试系统包括IEPE加速度传感器、传感器驱动及信号调理电路、高速数据采集卡及labview2010软件开发平台，振动测试系统如图1所示。

图1 振动测试系统

1.1 IEPE加速度传感器介绍

IEPE加速度传感器分为电荷输出型和电压输出型，电压输出型又包括两线制和三线制，两线制即两根线中一根是信号/电源线，一根是地线；三线制即三根线分别是信号线、地线、电源线。本文选用的是两线制的电压输出型IEPE传感器，采用东华测试有限公司生产的IEPE压电式加速度传感器型号1A315E，其基本参数有：灵敏度x向1000mV/g、y向1042mV/g、z向1032mV/g、，量程±5g，频率响应范围1.5～5000Hz，工作电压为12～30V，工作电流为恒流2～20mA，直流偏置电压10V。

IEPE加速度传感器是一种基于压电效应的压电式加速度传感器，它是对普通压电式加速度传感器的改进。普通压电式加速度传感器由于内部压电晶体产生的电量信号很微小，必须外接电荷或者电压放大器使用，但微小的电信号在长距离传输时容易受干扰，这就降低了传感器的测量精度和稳定性。IEPE加速度传感器是一种自带电荷放大器或电压放大器的加速度传感器，它把放大电路内置于传感器中。

1.2 驱动及信号调理电路构成

IEPE加速度传感器的驱动及信号调理电路包括恒流源电路、偏置电路、电压基准电路、稳压电路，电源隔离模块。

1.2.1 恒流源设计

IEPE加速度传感器驱动电路的核心部分是恒流源电路，为了抑制传感器输出信号的温度漂移，获得良好的温度特性，IEPE加速度传感器需要精密的恒流源[4]。本文中的恒流源是基于LM334设计的[5]，其用到的器件较少，可以提高恒流源的稳定性和可靠性，其基本电路如图2所示，其中Rset为恒流源设置电阻。

流经LM334的总电流ISET等于流过LM334的偏置电流IBIAS和流过设置电阻Rset的电流IR之和，电流IBIAS和ISET的比例关系曲线如图3所示。

图2 恒流源电路

图3 电流ISET——IBIAS比例关系曲线图

在1uA～4mA的电流范围内，比例的典型值是18，即：

(1)

其中根据其特性VR一般是214μV/K，其特性是和温度有关的。为了对温度特性进行补偿，使电流在一定温度范围内恒定，下面对电路进行改进，其电路如图4所示。

根据LM334工作原理，另外在添加一只电阻和一只硅二极管，其分析过程如下：设定电路各支路的电流分别为I1、I2和IBIAS；

图4 零温度系数的恒流源电路

则有：

ISET=I1+I2+IBIAS

(2)

式(2)中：I1=VR/R1；I2=(VR+VD)/R2；IBIAS很小，可以忽略不计。

单位温度变化所引起的电流变化即电流温度系数，可以求电流对温度求导。即：

(3)

(4)

I2=(VR+VD)/R2

(5)

(6)

(7)

(8)

电流值的大小为：

(9)

1.2.2 信号处理电路及电源电路

IEPE加速度传感器在工作状态下产生的原始信号由两部分组成：一是静态时的直流偏置电压，其大小在传感器出厂时就固定下来；另一部分是动态的振动信号。本文中选用的IEPE加速度传感器的直流偏置电压为10V，因此本文中设计一个偏置电路，其目的是使传感器在初始状态下的输出为0V。偏置电路中需要一个10V的基准电压，基准电压的精度很大程度上会影响测量系统的精度，所以本文选择标准的基准电压芯片设计10V的基准电压。

信号调理模块采用单一的5V电压供电，本文选取电源隔离模块，它可以实现5V电压输入，±24V电压输出；同时设计了±18V稳压电路，为恒流源电路、偏置电路和10V基准电压电路供电。

1.3 软件平台

1.3.1 数据采集卡

我们采用NI公司生产的USB 6210数据采集卡进行数据采集，USB-6210是一款多功能DAQ设备，可同时对16路电压进行采集，16位分辨率，单通道采集速率为250KS/s。

1.3.2 软件设计

软件设计的功能包括信号采集、历史数据的读取记录、数字滤波和时域频域分析[6]，这些都是通过直接调用labview2010软件中的函数完成的。软件设计流程图如图5所示。

图5 软件设计流程图

2 振动测试系统标定

描述振动信号的一个重要参数是信号的频率，绝大多数的工程振动均可分解成一定频率和幅值的正弦信号，我们选定振动频率为所要标定的测量参数。标定要用到的装置有：信号发生器、功率放大器、振动台、东华测试公司的测量系统、本文构建的测试系统等，测试系统标定示意图如图6所示。

图6 振动测试系统标定示意图

标定实验以振动台作为振源，由信号发生器产生正弦波激励，放大器对激励信号的振幅进行放大，放大后的激励信号加在振动台上，使振动台起振；然后分别用基于东华测试公司标准信号调理模块的测试系统和本文中构建的振动测量系统测量振源振动情况，并进行数据记录和分析。

以分析振动频率为例，依次改变信号发生器的频率，然后分别用上文提到的两种测量系统对振源的振动频率进行测量，以东华测试公司的测量系统为标准参考，对本文中自制的振动测试系统进行精度和可靠性评估。选取一次测量过程中的八组数据，其结果见表1和图7。

表1 两套系统实验结果比对(单位：Hz)

图7 两种测量系统实验数据对比

由表1和图7可得，以东华测试系统的测量结果为标准，本文中的振动测量系统的测量误差最大为1Hz，标准差为0.48Hz，证明本文中的振动测试系统测量精度较好，可靠性高。