加速度傳感器測(cè)量振動(dòng)：#STM32學(xué)習(xí)#6D加速度傳感器測(cè)量風(fēng)機(jī)震動(dòng)
1、背景：
需要監(jiān)測(cè)風(fēng)機(jī)的啟動(dòng)與停止，希望通過(guò)測(cè)量其振動(dòng)頻率來(lái)輔助判定。
2、傳感器：
傳統(tǒng)的振動(dòng)傳感器如下圖，其有兩個(gè)缺點(diǎn)：一是測(cè)量精度低，對(duì)于微小的振動(dòng)不敏感；二是無(wú)法測(cè)出分頻信號(hào)。
選擇使用LSM6DSL加速度/角速度傳感器。傳感器所在的板子為X-NUCLEO-IKSO1A2。如下圖所示。
?LSM6DSL可以測(cè)量出三軸方向的加速度和角速度，而我們監(jiān)測(cè)振動(dòng)只需要加速度信息。
3、建工程：
首先使用的開(kāi)發(fā)底板是ST官方的MB1136。所有相關(guān)的資料會(huì)在下方給出鏈接。
習(xí)慣使用Stm32cubeMX快速建立工程。根據(jù)選用開(kāi)發(fā)板的主芯片型號(hào)以及傳感器鏈接的引腳，占用的資源進(jìn)行配置。最終一鍵生成工程。（關(guān)于如何使用stm32MX，可自行度娘，也可在下方討論）
值得一提的是：
（1）配置I2C時(shí)，需要使用“快速模式”，速度設(shè)置為最大（Hz），這樣可以加快和加速度傳感器之間的通信。加速度傳感器的輸出頻率也就可以盡可能提升。實(shí)際在測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)，在最快的IIC通信速度下，傳感器最大可以設(shè)置的輸出頻率為3.33KHz。
（2）配置一個(gè)中斷輸入引腳，接收傳感器數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好時(shí)發(fā)來(lái)的中斷。（也可以自行去讀取某狀態(tài)位）
（3）ST下載口自帶的串口，波特率為固定的9600.如果想要更高，需要單獨(dú)接線(xiàn)。（我就是單獨(dú)接線(xiàn)，設(shè)置為）
接下來(lái)是去工程里編寫(xiě)代碼，相信大家都可以編出屬于自己邏輯的代碼。我的邏輯思路如下：
（1）初始化設(shè)備和傳感器
（2）傳感器啟動(dòng)，準(zhǔn)備好一組加速度數(shù)據(jù)（3個(gè)數(shù)據(jù)，X,Y,Z），產(chǎn)生引腳中斷。
（3）F401RE接收到中斷，讀取6個(gè)字節(jié)（3個(gè)加速度的值）。（直接讀取的是補(bǔ)碼的形式，而加速度值有正負(fù)，需要我們定義變量時(shí)使用int16）
（4）將一組數(shù)據(jù)（3方向加速度）進(jìn)行矢量計(jì)算，求得其模長(zhǎng)ACC。將ACC存入數(shù)組直到存滿(mǎn)。（考慮到單片機(jī)存儲(chǔ)空間有限，因而采用模長(zhǎng)的數(shù)組，1024個(gè)double數(shù)據(jù)）
（5）存滿(mǎn)后，不再存儲(chǔ)，置為標(biāo)志位，進(jìn)行FFT快速傅里葉變換。相關(guān)知識(shí)參考自：《C》C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)FFT算法_楊貴安的博客-CSDN博客_c語(yǔ)言fft? 。
該鏈接里面有C語(yǔ)言代碼，可以直接運(yùn)行。在使用時(shí)需要注意輸入?yún)?shù)關(guān)系：
FFT需要定義多個(gè)與模長(zhǎng)數(shù)組同樣大小的數(shù)組，比較費(fèi)空間。
double pr[NUM],pi[NUM],fr[NUM],fi[NUM];
（6）變換得到的結(jié)果被存在pr[1024]中，如果需要觀察變換得到的結(jié)果，可以將這個(gè)數(shù)組里的double數(shù)據(jù) 打印到窗口助手中，再用excel觀察變換結(jié)果。（打印時(shí)，單個(gè)數(shù)據(jù)接換行（
），串口助手中打印的一列數(shù)據(jù)，直接復(fù)制到excel中）。得到的數(shù)據(jù)列表中第一個(gè)為直流分量，可以刪除。另外因?yàn)槟撤N原因，剩余數(shù)據(jù)構(gòu)成的圖像呈現(xiàn)左右對(duì)稱(chēng)的情況，我們?cè)陲@示時(shí)只取一半就好。如下圖所示，傳感器放在電腦主機(jī)上，測(cè)量主機(jī)風(fēng)扇的振動(dòng)。共計(jì)1024個(gè)采樣點(diǎn)。輸出頻率為833Hz。（提高采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)，橫坐標(biāo)會(huì)向右移動(dòng)。提高輸出頻率，橫坐標(biāo)會(huì)向左移動(dòng)）（同樣是1024個(gè)采樣點(diǎn)，833Hz輸出頻率對(duì)應(yīng)145，1.66KHz輸出頻率對(duì)應(yīng)72,? ? ?3.33KHz輸出頻率對(duì)應(yīng)35）。
（7）橫坐標(biāo)與振動(dòng)頻率有著直接的關(guān)系。我通過(guò)模擬輸入數(shù)據(jù)觀察發(fā)現(xiàn)，采樣點(diǎn)數(shù)為1024時(shí)，傅里葉變換后得到的峰峰極大值的很坐標(biāo)與實(shí)際的頻率一致(略有偏移，可以理解)。
?模擬輸入pr[1024],包括10Hz，20Hz，30Hz，40Hz，50Hz，60Hz，70Hz，80Hz，90Hz。（參考頻率和角速度之間的關(guān)系）
for(i=0;i<1024;i++) {
pr[i]=cos(2*PI*0.001*i*10)+cos(2*PI*0.001*i*20)+cos(2*PI*0.001*i*30)+cos(2*PI*0.001*i*40)+cos(2*PI*0.001*i*50)+cos(2*PI*0.001*i*60)+cos(2*PI*0.001*i*70)+cos(2*PI*0.001*i*80)+cos(2*PI*0.001*i*90);
}
下圖只使用了其中的第1~128個(gè)點(diǎn)做圖（采樣點(diǎn)數(shù)還是1024）
4、編寫(xiě)上位機(jī)
上述顯示的過(guò)程有點(diǎn)繁瑣，因而考慮編寫(xiě)一個(gè)上位機(jī)用于實(shí)時(shí)調(diào)試。
下位機(jī)設(shè)備在進(jìn)行轉(zhuǎn)換之后，直接通過(guò)串口，將數(shù)據(jù)發(fā)送到電腦。（每個(gè)double數(shù)字都先被轉(zhuǎn)換為字符串，以字符串的形式發(fā)送。每個(gè)數(shù)據(jù)發(fā)送之后，追加發(fā)送一個(gè)換行符
,發(fā)送完所有數(shù)據(jù)之后，發(fā)送一個(gè)'#'）
上位機(jī)編寫(xiě)，使用的是Qt和C++。具體的實(shí)現(xiàn)和源代碼感興趣的童鞋可以問(wèn)我要一下。
我最方案是，1024個(gè)采樣點(diǎn)數(shù)組，傳感器3.33KHz輸出頻率。電腦主機(jī)的頻率被測(cè)為35Hz（2100轉(zhuǎn)每分鐘）。
純屬個(gè)人經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，如有錯(cuò)誤，歡迎討論！
2020年12月17日 補(bǔ)充分享LSM6DSL 的初始化函數(shù)以及數(shù)據(jù)讀取的函數(shù)
LSM6DSL pdf, LSM6DSL description, LSM6DSL datasheets, LSM6DSL view ::: ALLDATASHEET :::
以下是硬件IIC 二次封裝的函數(shù)，建議放在i2c.c文件中。
以下函數(shù) 用于計(jì)算 加速度模長(zhǎng)。
以下函數(shù)為讀取加速度值，其中ZZZ表示Z軸方向上的數(shù)值。
希望能夠?qū)Υ蠹矣兴鶐椭?
加速度傳感器測(cè)量振動(dòng)：振動(dòng)加速度傳感器可以測(cè)量振動(dòng)頻率嗎？
振動(dòng)加速度傳感器可以測(cè)量振動(dòng)頻率嗎？如果可以，測(cè)試出來(lái)的頻率就是聽(tīng)到的噪聲頻率吧？
工程上常用的振動(dòng)測(cè)試方法就是振動(dòng)傳感器+動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀，傳感器負(fù)責(zé)感受振動(dòng)并將物理量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出，動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀負(fù)責(zé)采集信號(hào)并進(jìn)行分析，從而得到振動(dòng)的頻率信息。這里的振動(dòng)傳感器就包括振動(dòng)加速度傳感器、振動(dòng)速度傳感器、振動(dòng)位移傳感器以及應(yīng)變計(jì)等等。另外，振動(dòng)加速度和振動(dòng)噪聲是兩個(gè)不同的物理量，兩者有關(guān)系，但不能劃等號(hào)。
受邀答之：
首先，振動(dòng)加速度傳感器測(cè)量的是電壓信號(hào)，通過(guò)振動(dòng)靈敏度換算成加速度信號(hào)，在時(shí)域信號(hào)里，包括振動(dòng)的幅值和相位，而所謂的頻率是通過(guò)傅里葉變換，把時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換成頻域信號(hào)，這樣就包含了對(duì)應(yīng)幅值下的頻率信息。
加速度傳感器可以測(cè)振動(dòng)頻率。
加速度傳感器的輸出和振動(dòng)的關(guān)系如下。在加速度傳感器使用范圍之內(nèi)，電荷與加速度成線(xiàn)性關(guān)系，所以輸出能反應(yīng)加速度的實(shí)時(shí)變化。
加速度傳感器的安裝需要和待測(cè)物構(gòu)成一個(gè)振動(dòng)系，所以噪音影響非常小。
這里其實(shí)是兩個(gè)問(wèn)題：
第1個(gè)問(wèn)題是振動(dòng)加速度傳感器是不是可以測(cè)量振動(dòng)頻率；
第2個(gè)問(wèn)題是振動(dòng)頻率和噪聲頻率是不是相同
對(duì)于第1個(gè)問(wèn)題，振動(dòng)加速度傳感器是可以測(cè)量振動(dòng)頻率的，但不是直接測(cè)量的，振動(dòng)加速度傳感器測(cè)量得到的信號(hào)是振動(dòng)幅值隨時(shí)間變化的關(guān)系，需要經(jīng)過(guò)一定的分析（比如頻譜分析），才能計(jì)算得到振動(dòng)頻率。
對(duì)于第2個(gè)問(wèn)題，如果噪聲是由振動(dòng)輻射引起的，噪聲頻率和振動(dòng)頻率是相等的。
振動(dòng)加速度傳感器是可以測(cè)量振動(dòng)頻率的。
加速度具有方向性，通過(guò)撿拾傳感器信號(hào)的方向變化，就可以獲得振動(dòng)頻率；
振動(dòng)加速度傳感器的噪聲是指加速度為0g時(shí)，信號(hào)不對(duì)應(yīng)0g的輸出，其方向變化的頻率較低。
當(dāng)被測(cè)量產(chǎn)生的傳感器信號(hào)的頻率大于噪聲頻率，或者信號(hào)幅度大于噪聲時(shí)，信號(hào)反應(yīng)的就是振動(dòng)頻率，噪聲的影響差不多可以忽略。
加速度傳感器測(cè)量振動(dòng)：振動(dòng)監(jiān)測(cè)（2）—加速度傳感器簡(jiǎn)介及應(yīng)用
1.加速度傳感器的選擇
要選擇合適的加速度計(jì)，必須清楚了解應(yīng)用及其測(cè)量任務(wù)。 首先，確定應(yīng)用的類(lèi)型：是振動(dòng)測(cè)試，狀態(tài)監(jiān)測(cè)還是模態(tài)分析？ 根據(jù)應(yīng)用情況，仍必須確定更多信息，例如，傳感器的必要靈敏度，精度和頻率范圍是多少？ 這些點(diǎn)對(duì)于振動(dòng)測(cè)試和模態(tài)分析尤其重要。 對(duì)環(huán)境條件的了解對(duì)于為工業(yè)狀態(tài)監(jiān)測(cè)應(yīng)用選擇合適的加速度計(jì)至關(guān)重要。 對(duì)于這些類(lèi)型的應(yīng)用，耐用性可能比精度更重要。
用于測(cè)量加速度的三種傳感器類(lèi)型（PE，IEPE，MEMS）各有利弊。具有內(nèi)置電子設(shè)備（例如IEPE和MEMS）的傳感器可使用的環(huán)境溫度范圍受到限制。IEPE傳感器可在最高150°C的溫度下使用，有些型號(hào)最高可在200°C的表面或環(huán)境溫度下使用。MEMS傳感器的允許溫度范圍略低，但具有能夠測(cè)量準(zhǔn)靜態(tài)信號(hào)的優(yōu)勢(shì)。相反，IEPE傳感器的測(cè)量范圍通常始于0.5 Hz。PE傳感器可以在非常高的環(huán)境溫度或表面溫度下使用，測(cè)量范圍可以從幾g到幾萬(wàn)g。它還具有從準(zhǔn)靜態(tài)到上千赫茲的頻率響應(yīng)。 但是這些類(lèi)型的傳感器需要專(zhuān)用電纜和電荷放大器來(lái)進(jìn)行信號(hào)調(diào)節(jié)。
2.加速度傳感器的安裝和固定
振動(dòng)傳感器（加速度計(jì)）的安裝直接影響其性能。錯(cuò)誤的安裝可能導(dǎo)致讀數(shù)不僅與待測(cè)物的變化有關(guān)，而且與傳感器本身的不穩(wěn)定性有關(guān)，因此使傳感器的讀數(shù)不可靠。傳感器安裝和固定的主要目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)可用于進(jìn)行振動(dòng)測(cè)量的最大可用頻率響應(yīng)。由于安裝表面的狀況會(huì)影響可傳遞性，因此具有精確準(zhǔn)備好的安裝表面的各種粘合劑安裝墊，夾子，磁性底座，雙頭螺栓和三軸立方體可用于各種廣泛的應(yīng)用。加速度計(jì)應(yīng)安裝在無(wú)油脂的表面上，并盡可能靠近振動(dòng)源。安裝表面應(yīng)光滑，未上漆，平坦且大于加速度計(jì)本身的底部。為了獲得最佳效果，應(yīng)通過(guò)鉆孔和螺紋孔將傳感器直接安裝到機(jī)器外殼上。
傳感器線(xiàn)纜也必須特殊處理，并且需要在多個(gè)位置固定，但最重要的是，線(xiàn)纜必須固定在傳感器上。 對(duì)于沒(méi)有固定的電纜，振動(dòng)可能會(huì)由被測(cè)物體以外的組件引起。 引入的振動(dòng)會(huì)影響傳感器并使測(cè)量的信號(hào)失真。 將傳感器電纜直接固定到傳感器本身可以防止外部影響。
3.避免接地回路
在設(shè)計(jì)和安裝過(guò)程中，應(yīng)仔細(xì)考慮電纜屏蔽層或?qū)w的接地，以提供適當(dāng)?shù)钠帘尾⒎乐菇拥鼗芈?。接地回路通常?0/60 Hz的線(xiàn)路頻率將干擾作為噪聲傳輸?shù)綔y(cè)量信號(hào)。當(dāng)一條公共線(xiàn)（例如IEPE加速度計(jì)裝置的信號(hào)返回/屏蔽）在兩個(gè)電位不同的點(diǎn)接地時(shí)，就會(huì)形成接地環(huán)路。
對(duì)于帶有同軸電纜的傳感器，中心導(dǎo)體承載信號(hào)和供電，而外部編織層提供屏蔽和信號(hào)返回。通常，電纜屏蔽層與傳感器外殼和待測(cè)設(shè)備的安裝點(diǎn)電氣隔離，從而防止了接地環(huán)路。如果使用非隔離式傳感器，建議還使用隔離式安裝墊來(lái)斷開(kāi)可能的接地回路。
4.使用PE傳感器進(jìn)行測(cè)量
對(duì)于安裝空間有限，表面或環(huán)境溫度較高的特殊應(yīng)用，PE（Piezo Electric）傳感器是首選方法。 憑借其直接電荷輸出（物理單位pC / g），這些傳感器的外殼內(nèi)沒(méi)有任何電子器件，從而使其體積小巧且耐高溫。但是，這些傳感器需要外部信號(hào)調(diào)理，才能將電荷輸出轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)。所需的信號(hào)調(diào)理由稱(chēng)為電荷放大器的設(shè)備提供。它將壓電傳感器在受到振動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的負(fù)電荷轉(zhuǎn)換為與振動(dòng)成正比的正電壓。PE傳感器主要組件有：
-范圍電容器Cr
-時(shí)間常數(shù)電阻Rt
-重置/測(cè)量開(kāi)關(guān)
范圍電容器Cr用于通過(guò)在不同電容器之間切換來(lái)設(shè)置放大器的測(cè)量范圍。 通過(guò)切換或更改測(cè)量范圍，可以以卓越的信噪比跨數(shù)十倍范圍進(jìn)行測(cè)量。只需切換測(cè)量范圍，就可以測(cè)量低至DC的低頻以及高達(dá)20 kHz的高頻，信噪比仍然很出色。
時(shí)間常數(shù)電阻Rt決定放大器高通濾波器的截止頻率。它還定義了電荷放大器在較低頻率范圍內(nèi)的行為。不同的時(shí)間常數(shù)用于低至直流水平的準(zhǔn)靜態(tài)測(cè)量以及高動(dòng)態(tài)測(cè)量。
重置/測(cè)量開(kāi)關(guān)用于控制測(cè)量的開(kāi)始或?qū)⑿盘?hào)重置為零點(diǎn)。對(duì)于準(zhǔn)靜態(tài)測(cè)量，在復(fù)位和測(cè)量之間進(jìn)行切換對(duì)于避免信號(hào)漂移至關(guān)重要。在測(cè)量過(guò)程中，該開(kāi)關(guān)斷開(kāi)并閉合以“釋放”量程電容器的電荷并復(fù)位信號(hào)。
電荷放大器的兩種工作模式
電荷放大器的兩種工作模式分別用于準(zhǔn)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)測(cè)量。大多數(shù)電荷放大器都支持兩種測(cè)量類(lèi)型，但是在建立振動(dòng)測(cè)量鏈之前，清楚地了解所涉及的測(cè)量類(lèi)型對(duì)于選擇正確的電荷放大器至關(guān)重要。
支持這兩種模式的電荷放大器也經(jīng)常用于其他壓電傳感器來(lái)測(cè)量力或壓力而不是加速度，在新應(yīng)用中更換傳感器或使用電荷放大器時(shí)，放大器的配置模式至關(guān)重要。
如上所述，時(shí)間常數(shù)電阻決定了電荷放大器的高通濾波器特性的截止頻率，因此它也決定了工作模式。 對(duì)于準(zhǔn)靜態(tài)測(cè)量，不使用時(shí)間常數(shù)電阻器。而是將放大器設(shè)置為時(shí)間常數(shù)“l(fā)ong”。 然后可以測(cè)量具有非常低頻率成分的信號(hào)或恒定信號(hào)，但是由于長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量后漂移變得可見(jiàn)，因此復(fù)位信號(hào)才能將信號(hào)復(fù)位為零。
對(duì)于動(dòng)態(tài)測(cè)量，使用時(shí)間常數(shù)電阻，并將放大器設(shè)置為時(shí)間常數(shù)“ short”。輸入級(jí)用作高通濾波器，因此在測(cè)量信號(hào)中看不到低于截止頻率的信號(hào)。 在此操作模式下不使用復(fù)位開(kāi)關(guān)。
5使用IEPE / ICP傳感器進(jìn)行測(cè)量
使用IEPE傳感器，可以在工業(yè)環(huán)境中進(jìn)行可靠且相對(duì)便宜的加速度測(cè)量。如果測(cè)量對(duì)象的表面或環(huán)境溫度低于150°C，或者在某些情況下低于200°C，并且不需要低于0.5 Hz的準(zhǔn)靜態(tài)測(cè)量，則始終使用符合IEPE標(biāo)準(zhǔn)的傳感器。
IEPE的縮寫(xiě)是指Integrated Electronics Piezo Electric。 IEPE傳感器是帶有內(nèi)置電子設(shè)備的壓電傳感器，為各種工業(yè)應(yīng)用設(shè)定了標(biāo)準(zhǔn)。除了加速度之外，還可以使用其他符合IEPE標(biāo)準(zhǔn)的傳感器來(lái)測(cè)量諸如力和壓力之類(lèi)的參數(shù)。同樣，使用IEPE麥克風(fēng)進(jìn)行聲學(xué)測(cè)量也很常見(jiàn)。
判斷一款傳感器是否是符合IEPE標(biāo)準(zhǔn)的傳感器的一個(gè)很好的標(biāo)準(zhǔn)是用mV / g表示傳感器的靈敏度。標(biāo)準(zhǔn)加速度計(jì)的靈敏度為例如10mV / g，100mV / g，而用于震動(dòng)傳感器的典型靈敏度為例如0.1mV / g和1mV / g。
傳感器外殼內(nèi)的內(nèi)置電子設(shè)備將電荷信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。從技術(shù)上講，高阻抗信號(hào)通過(guò)阻抗轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為低阻抗信號(hào)。根據(jù)IEPE標(biāo)準(zhǔn)，傳感器電源和傳感器信號(hào)通過(guò)一根標(biāo)準(zhǔn)2線(xiàn)電纜傳輸。
對(duì)于IEPE傳感器的電源，需要恒定電流源。通常，有兩種方法或兩種類(lèi)型的典型測(cè)量鏈用于從IEPE傳感器獲取數(shù)據(jù)。在較舊的測(cè)量鏈中，通常使用與數(shù)據(jù)采集模塊串聯(lián)的來(lái)自外部設(shè)備的額外恒流源。最新的變體是IEPE信號(hào)調(diào)節(jié)I / O模塊，具有內(nèi)置恒流源，例如Gantner Instruments的A111模塊。
帶有外部恒定電流源的IEPE傳感器的測(cè)量鏈如圖7所示。IEPE耦合器的主要組件是24-30 VDC的恒定電流源，提供2-20 mA恒定電流的二極管，以及去耦電容器。
傳感器的內(nèi)置電子設(shè)備會(huì)將測(cè)量信號(hào)作為交流信號(hào)疊加到傳感器的偏置電壓上。 去耦電容器用于從交流信號(hào)中去除恒定的偏置電壓。 它充當(dāng)高通濾波器元件。
例如，現(xiàn)代IEPE信號(hào)調(diào)節(jié)I / O模塊（例如A111）將恒定電流源和A / D轉(zhuǎn)換器組合在單個(gè)模塊中，該模塊直接產(chǎn)生數(shù)字化信號(hào)。
IEPE信號(hào)調(diào)理
根據(jù)IEPE標(biāo)準(zhǔn)，傳感器電源需要具有2 – 20 mA電流輸出的恒定電流源。對(duì)于非常長(zhǎng)的電纜（> 100 m）和高頻率，將使用較高的電流。在高信號(hào)頻率下，長(zhǎng)電纜會(huì)增加電纜電容，從而導(dǎo)致傳感器內(nèi)置放大器的驅(qū)動(dòng)能力下降。對(duì)于高溫傳感器，通常使用最低的2 mA恒定電流來(lái)保持由傳感器功耗引起的熱量盡可能低。
大多數(shù)IEPE I / O模塊都提供4 mA的固定恒定電流源，因此在抗干擾性，電纜長(zhǎng)度，信號(hào)頻率和電流消耗之間形成了非常好的優(yōu)化。同樣，即使傳感器數(shù)據(jù)表中標(biāo)明為2 mA，也可以使用4 mA恒流源測(cè)量高溫傳感器。但是在那種情況下，不在最高允許環(huán)境溫度下使用。
當(dāng)恒流源的順應(yīng)電壓在24至30 V范圍內(nèi)時(shí)，IEPE傳感器在待機(jī)狀態(tài)下會(huì)產(chǎn)生通常為8 – 12 V的恒定DC偏置電壓（零電壓或Ubias）。根據(jù)傳感器的加速度，與運(yùn)動(dòng)成正比的模擬交流電壓-實(shí)際加速度信號(hào)-被添加到Ubias。例如，對(duì)于靈敏度為100 mV / g的傳感器，具有10 Hz正弦波的振幅為1 g（9.81 m / s2）的偏轉(zhuǎn)可提供10 Hz正弦波+ Ubias的AC +/- 100 mV輸出電壓。傳感器的最大輸出信號(hào)通常為AC +/- 10 V（+ Ubias）。
順從電壓應(yīng)比偏置電壓高兩倍，以確保被測(cè)信號(hào)在正方向和負(fù)方向上具有最大幅度。 因此，例如A111具有24 V的順從電壓。
6使用MEMS傳感器進(jìn)行測(cè)量
MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）傳感器通常用于低至直流的低頻振動(dòng)測(cè)量。 基于可變?nèi)萘康募铀俣扔?jì)用于要求最大測(cè)量范圍為250 g的應(yīng)用，而壓阻式加速度計(jì)由于其廣泛的測(cè)量范圍而經(jīng)常用于沖擊或碰撞測(cè)試。
兩種類(lèi)型的傳感器都有內(nèi)置的電子設(shè)備，可通過(guò)交流激勵(lì)和同步解調(diào)進(jìn)行信號(hào)調(diào)理。 同樣，信號(hào)調(diào)節(jié)器為加速度計(jì)元件提供功率調(diào)節(jié)，并輸出與加速度信號(hào)成比例的模擬電壓。 也就是說(shuō)，通常，任何具有適當(dāng)電壓輸入的I / O模塊都可以測(cè)量輸出電壓。
所需的傳感器電源由外部電壓源提供。典型的MEMS加速度計(jì)可以在很寬的電源電壓范圍內(nèi)工作，例如8至30 V或什至高達(dá)50V。電壓源必須是高質(zhì)量的。
一些專(zhuān)門(mén)為基于MEMS的傳感器設(shè)計(jì)的I / O模塊提供了內(nèi)置的穩(wěn)定電源，例如Gantner Instruments的A108-2M3 / 4M1。
單端和差分輸出
MEMS傳感器具有單端和差分輸出，并且在雙極性和單極性傳感器之間有進(jìn)一步的區(qū)別。
單端測(cè)量設(shè)置使用一條公共線(xiàn)連接傳感器的接地信號(hào)和返回信號(hào)。差分輸出使用兩條線(xiàn)用于傳感器信號(hào)，另外兩條線(xiàn)用于為傳感器供電。對(duì)于某些傳感器，此方法具有較高的有效靈敏度，并且可以有效抑制共模噪聲。
單極傳感器在0g時(shí)會(huì)有電壓輸出，滿(mǎn)量程輸出電壓取決于傳感器的型號(hào)，但絕不會(huì)降到零伏以下。 雙極傳感器提供與正加速度和負(fù)加速度相對(duì)應(yīng)的正和負(fù)輸出信號(hào)。
測(cè)量靜態(tài)加速度
基于MEMS的加速度計(jì)提供類(lèi)似于壓電加速度計(jì)產(chǎn)生的輸出信號(hào)。 與壓電加速度計(jì)不同，MEMS加速度計(jì)對(duì)靜態(tài)加速度敏感。 重力是輸出信號(hào)的一個(gè)因素，安裝傳感器時(shí)必須考慮重力。 當(dāng)傳感器與地面平行時(shí)，重力產(chǎn)生的輸出等于1 g（或9.81m /s2，具體取決于所使用的物理值）。 當(dāng)傳感器旋轉(zhuǎn)90°時(shí)，傳感元件對(duì)重力不敏感，并產(chǎn)生了等于0 g的靜態(tài)輸出。
加速度傳感器測(cè)量振動(dòng)：用加速度傳感器測(cè)量振動(dòng)位移的方法
用加速度傳感器測(cè)量振動(dòng)位移的方法
發(fā)表時(shí)間：
2018-02-07T14:21:14.737Z
來(lái)源：《防護(hù)工程》
2017
年第
28
期
作者：
范
爽
王永海
荊志彬
[
導(dǎo)讀
]
為了預(yù)防鉆柱振動(dòng)失效，采用加速度傳感器測(cè)量鉆柱的縱振、橫振、扭振及耦合振動(dòng)。
中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第
49
研究所
黑龍江省哈爾濱市
摘要：為了預(yù)防鉆柱振動(dòng)失效，采用加速度傳感器測(cè)量鉆柱的縱振、橫振、扭振及耦合振動(dòng)。給出了加速度傳感器在鉆柱上的安裝位置和
數(shù)量，建立了加速度傳感器測(cè)試信號(hào)值與鉆柱振動(dòng)值的關(guān)系式。本文分析加速度傳感器測(cè)量鉆柱的縱振、橫振、扭振及其耦合振動(dòng)的方
法，給出了加速度傳感器安裝位置和數(shù)量，建立了加速度傳感器測(cè)試信號(hào)與鉆柱振動(dòng)加速度的數(shù)學(xué)表達(dá)式。為驗(yàn)證測(cè)量方法的有效性，利
用
ANSYS
仿真軟件建立了鉆柱振動(dòng)，對(duì)加速度傳感器安裝位置及個(gè)數(shù)、測(cè)量信號(hào)處理方法進(jìn)行闡述。
關(guān)鍵詞：鉆柱；振動(dòng)；加速度；傳感器
在石油鉆井過(guò)程中，由于鉆柱的旋轉(zhuǎn)、鉆頭破巖、井壁碰撞等因素作用，會(huì)引起鉆柱振動(dòng)，并導(dǎo)致鉆柱失效［
1
］。對(duì)鉆柱振動(dòng)狀態(tài)
分析及減振和防斷技術(shù)開(kāi)展了大量研究，主要成果有采用能量法、有限元法進(jìn)行了鉆柱振動(dòng)分析，并通過(guò)鉆具設(shè)計(jì)、減震器應(yīng)用及鉆井參
數(shù)優(yōu)化來(lái)控制鉆柱振動(dòng)引起的鉆具失效。由于井下鉆柱振動(dòng)狀況的復(fù)雜性，國(guó)內(nèi)在鉆柱振動(dòng)測(cè)試方面的研究較少，例如宿雪通過(guò)在鉆柱頂
部測(cè)量振動(dòng)信號(hào)，獲得鉆頭下方地層特性，研究鉆柱與井壁之間的接觸情況。只有精確地測(cè)試和提取鉆柱振動(dòng)信號(hào)，才能更準(zhǔn)確分析和診
斷鉆柱的振動(dòng)狀態(tài)。
一、概述
位移和加速度是振動(dòng)測(cè)量與分析的兩個(gè)主要物理量。長(zhǎng)期以來(lái)
,
人們一直采用直接測(cè)量法測(cè)量這兩個(gè)物理量
,
即用位移傳感器測(cè)量位移
,
用加速度傳感器測(cè)量加速度。直接測(cè)量法在一般的場(chǎng)合是可行的
,
但在一些特殊場(chǎng)合
,
由于結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性或試驗(yàn)條件的限制
,
往往會(huì)引起較大
的測(cè)量誤差
,
甚至無(wú)法正確測(cè)量。例如
,
類(lèi)似橋梁、建筑物這樣的大型結(jié)構(gòu)
,
由于其共振頻率較低
(
一般為
0 .15 Hz),
位移很大。因此
,
一般很
難用位移傳感器測(cè)量其位移
,
也難以用加速度傳感器加上積分電路測(cè)量這一位移。又如
,
由于加速度傳感器
(
包括電荷放大器
)
低頻段靈敏度
與參考靈敏度偏差較大
,
用加速度傳感器測(cè)量低頻加速度會(huì)產(chǎn)生較大的誤差。加速度傳感器的低頻段
(10 Hz
以下
)
性能校準(zhǔn)也是令人頭痛的
事情。
二、鉆柱振動(dòng)分析
鉆柱在轉(zhuǎn)盤(pán)驅(qū)動(dòng)下，內(nèi)、外均有鉆井液流動(dòng)，旋轉(zhuǎn)鉆柱不僅受到井筒約束作用，還承受鉆頭破巖力作用，整個(gè)鉆柱承受的載荷主要
有：鉆柱慣性力、變形而引起的彈性力、鉆井液和井壁等所引起的阻尼力和干擾力。這些載荷隨鉆柱的運(yùn)動(dòng)、變形狀態(tài)發(fā)生變化，必將導(dǎo)
致鉆柱發(fā)生振動(dòng)?？紤]到鉆柱為細(xì)長(zhǎng)柔性梁結(jié)構(gòu)，工程上根據(jù)鉆柱的振動(dòng)特性將其分解為縱向振動(dòng)、橫向振動(dòng)、扭轉(zhuǎn)振動(dòng)及耦合振動(dòng)。為
了對(duì)鉆柱振動(dòng)進(jìn)行分析。
1
、縱向振動(dòng)。鉆柱縱向振動(dòng)是沿著鉆柱軸線(xiàn)發(fā)生振動(dòng)，這種振動(dòng)產(chǎn)生的主要原因是鉆頭牙齒間歇壓入巖石和巖石間歇破碎所致。牙
輪鉆頭沖擊破巖極易引起鉆柱的縱向振動(dòng)。鉆頭的振動(dòng)以彈性波的形式通過(guò)鉆柱向地面?zhèn)鞑?，到達(dá)地面后再沿鉆柱向鉆頭回傳。由于鉆井
液的阻尼作用，在傳播的過(guò)程中，振動(dòng)波形逐步變化，振幅逐步減小。強(qiáng)烈的縱向振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致鉆頭跳離井底，劇烈的跳鉆會(huì)使鉆頭鑲齒受
到嚴(yán)重的損壞。由于阻尼的存在，輕微的縱向振動(dòng)會(huì)很快衰減。根據(jù)以前提出的鉆柱縱向振動(dòng)物理數(shù)學(xué)模型以及微分方程，通常用沿鉆柱
軸線(xiàn)ｚ方向的加速度
az
來(lái)描述鉆柱縱向振動(dòng)。
2
、扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。由于鉆頭牙齒輪流交替接觸井底，且鉆頭不是在一個(gè)平滑的平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，使得鉆頭的轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)速隨機(jī)波動(dòng)，引起鉆
頭、鉆柱的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。扭轉(zhuǎn)振動(dòng)會(huì)通過(guò)轉(zhuǎn)盤(pán)引起傳動(dòng)系統(tǒng)以及動(dòng)力設(shè)備的振動(dòng)。鉆柱發(fā)生扭轉(zhuǎn)振動(dòng)時(shí)，鉆柱處于扭轉(zhuǎn)擺動(dòng)的狀態(tài)。這種情
況下，鉆柱的各部分之間產(chǎn)生剪切應(yīng)力，強(qiáng)烈的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)會(huì)使鉆柱在短時(shí)間內(nèi)受到破壞。例如，扭轉(zhuǎn)振動(dòng)經(jīng)常導(dǎo)致鉆頭牙齒斷裂、鉆柱扭
斷和粘扣失效，在鉆柱扭轉(zhuǎn)振動(dòng)微分方程中，通常采用扭轉(zhuǎn)加速度
ε
來(lái)描述鉆柱的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。在實(shí)際鉆井工程中，可根據(jù)鉆井工藝和鉆柱的
工作狀態(tài)，進(jìn)行鉆柱振動(dòng)分析與簡(jiǎn)化。對(duì)于轉(zhuǎn)盤(pán)驅(qū)動(dòng)鉆柱進(jìn)行旋轉(zhuǎn)鉆井時(shí)，上述振動(dòng)都可能在鉆柱上同時(shí)產(chǎn)生，即發(fā)生耦合振動(dòng)，也可能
發(fā)生振動(dòng)或振動(dòng)的耦合；對(duì)于井下動(dòng)力鉆具驅(qū)動(dòng)鉆頭破巖的滑移鉆井時(shí)，由于鉆柱只產(chǎn)生軸向運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生橫振、扭振的可能性較小，可處
理為縱向振動(dòng)。
二、鉆柱振動(dòng)測(cè)量方法
為了測(cè)量鉆柱發(fā)生振動(dòng)時(shí)的軸向加速度ａｚ、橫向加速度ａｘ和ａｙ、扭轉(zhuǎn)加速度
ε
，考慮到鉆柱的振動(dòng)特性、鉆柱橫截面結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)
加速度傳感器，并安裝在測(cè)試短接的不同部位。在測(cè)試接頭橫截面ｘｏｙ平面內(nèi)安裝
4
個(gè)加速度傳感器Ａ
1
、Ａ
2
、Ａ
3
、Ａ
4
，沿橫截面ｘ
ｏｙ的法線(xiàn)方向安裝
2
個(gè)測(cè)試方向相同、到中心距離均為ｒ的加速度傳感器Ａ
5
和Ａ
6
。其中，Ａ
2
、Ａ
3
是一對(duì)特性相同，測(cè)試方向與測(cè)試
短接截面切線(xiàn)方向一致，到截面中心的距離為ｒ的加速度傳感器；Ａ
1
、Ａ
4
在橫截面ｘｏｙ上沿徑向方向，到中心距離為Ｒ
的加速度傳感
器。傳感器測(cè)量的加速度信號(hào)分別記為ａ
1
、ａ
2
、ａ
3
、ａ
4
、ａ
5
、ａ
6
。當(dāng)鉆柱旋轉(zhuǎn)
θ
角后，如圖。根據(jù)剛體運(yùn)動(dòng)學(xué)原理，加速度傳感器
測(cè)量的加速度信號(hào)ａ
1-
ａ
6
與鉆柱振動(dòng)的加速度ａｚ、ａｘ、ａｙ、
ε
關(guān)系為鉆柱旋轉(zhuǎn)時(shí)Ａ
2
傳感器與ｙ
向的瞬時(shí)夾角；
ω
為鉆柱旋轉(zhuǎn)角速
度；
ε
為鉆柱扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的角加速度。
三、仿真計(jì)算結(jié)果與分析
1
、縱向振動(dòng)。在工況
1
下對(duì)鉆柱縱向振動(dòng)進(jìn)行數(shù)值仿真計(jì)算，模型一得到的Ａ
1
～Ａ
4
加速度傳感器的信號(hào)ａ
1
～ａ
4
為零，將Ａ
5
和Ａ
6
傳感器的信號(hào)ａ
5
和ａ
6
代入式，得到鉆柱縱振加速度信號(hào)，用ａｍｚ
表示；模型二得到的只有
1
個(gè)縱振加速度，用ａｚ表示，其他均為
零。將模型一、模型二仿真計(jì)算的部分縱振加速度曲線(xiàn)繪，截取完整周期的峰谷值及ａｍｚ與ａｚ的誤差。模型一仿真模擬得到的加速度
信號(hào)經(jīng)式計(jì)算后，與模型二仿真計(jì)算得到的鉆柱縱向振動(dòng)加速度曲線(xiàn)峰值、周期完全相同，其最大誤差＜
1
％，這說(shuō)明鉆柱縱向振動(dòng)時(shí)，加
速度傳感器安裝位置及推導(dǎo)的數(shù)學(xué)表達(dá)式是正確的；又因?yàn)椋?br/>5
和ａ
6
測(cè)得的加速度值完全一致，說(shuō)明在鉆柱縱向振動(dòng)時(shí)，通過(guò)
1
個(gè)加速度傳
感器進(jìn)行測(cè)量就足夠了。
2
、扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。在工況對(duì)鉆柱扭轉(zhuǎn)振動(dòng)進(jìn)行數(shù)值仿真計(jì)算，模型一得到的Ａ
5
、Ａ
6
加速度傳感器的信號(hào)ａ
5
、ａ
6
為零，而Ａ
1
～Ａ
4
傳
