加速度計的安裝方法分享

在本文中，了解安裝加速度計的不同方法、它們對加速度計頻率響應的影響以及安裝MEMS加速度計的解決方案。

為了準確測量加速度，重要的是在加速度計和被監控系統之間建立適當的機械耦合。

在本文中，我們將了解將加速度計安裝到被測單元（UUT）的不同方法。

加速度計安裝：為什么重要？

如前所述，考慮加速度計和系統的機械耦合很重要。

加速度傳感中的一個常見誤差來源是安裝夾具的共振。

例如，當使用微機電系統（MEMS）加速度計時，安裝加速度計的PC板，以及PCB和被監測對象之間的任何其他機械接口，可以創建一個具有多個共振的機械系統。感興趣的頻率范圍。

如果加速度信號的頻率接近安裝結構的共振頻率，傳感器將接收到原始加速度的放大版本。

另一方面，如果機械耦合由于阻尼而表現出一些衰減，傳感器將測量到比實際信號更小的信號。

應采用適當的安裝技術以充分利用加速度計提供的帶寬。在測量高于1kHz的加速度信號時，機械安裝變得尤為重要。

加速度計安裝方法：螺柱、粘合劑、磁性

一般來說，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設備（DUT）上。

螺柱安裝提供了堅固的機械連接，并能夠將物體的高頻振動傳遞給傳感器。

圖1顯示了如何使用螺栓安裝將壓電加速度計固定到被測設備上。

使用螺柱安裝時，聯軸器表面應盡可能平坦和清潔。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，并提高振動傳遞性和安裝剛度。

在圖2中，圖表顯示了使用油脂膜對螺柱式加速度計頻率響應的影響。

圖2.顯示油脂對加速度計頻率響應的影響的圖表。

如您所見，當不使用耦合液時（黃色曲線），與使用油脂膜的粉色曲線相比，共振頻率發生在相對較低的頻率。

該圖還說明了另一個重要因素的影響：將螺柱擰緊至數據表中所示的推薦安裝扭矩。

應使用扭矩扳手將螺柱擰緊到制造商的規格。扭矩不足的螺柱可能無法將傳感器充分耦合到物體并進一步降低系統的共振頻率（圖中的青色曲線）。過度擰緊也可能導致設備損壞。

粘合劑安裝

有時不可能在結構上鉆孔，或者某些加速度計的設計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控對象上。

應選擇合適的粘合劑，例如環氧樹脂、膠水或蠟，以滿足應用要求。請記住，一些粘合劑適用于臨時安裝，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，其中底座的一側粘合安裝到測試對象，另一側提供質量表面以螺柱安裝加速度計。

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的示例。

由于安裝墊為加速度計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的頻率響應。

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

磁性安裝

安裝加速度計的最后第三種方法是使用磁性。當被監測對象具有鐵磁表面時，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，并且增加的質量會降低測量系統的諧振頻率。

加速度計安裝方法的頻率響應

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

圖5顯示了給定加速度計在不同安裝類型下的頻率響應。

圖5.加速度計的頻率與幅度關系圖，具體取決于安裝類型。

通過螺柱安裝（藍色曲線），系統的諧振頻率出現在相對較高的頻率上。

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

安裝MEMS加速度計的解決方案

壓電加速度計旨在支持上述成熟的安裝策略。這使得這些設備的安裝相對簡單。

還有電容式MEMS加速度計，例如JewellInstruments的AMA系列，采用堅固耐用的設計，可在惡劣的環境中運行，支持螺柱/螺栓安裝。

然而，大多數MEMS加速度計應該安裝在PCB上。然后應通過足夠剛性的安裝技術將PCB連接到被監測對象。

一些可能影響系統整體帶寬的PCB設計因素包括：加速度計IC在PCB上的位置、焊料化學成分和PCB尺寸。此外，應檢查PCB和物體之間的任何其他機械接口，以確保高頻振動成功傳遞到傳感器。

加速度計IC應放置在PCB上穩定的機械安裝位置附近。建議在加速度計IC附近有多個硬安裝點。

圖6顯示了錯誤放置的加速度計的示例。

圖6.加速度計放置錯誤的示例。

在上述示例中，加速度計放置在不受支持的PCB位置，并且由于PCB本身的無阻尼振動可能會出現測量誤差。

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

另一個解決MEMS加速度計安裝問題的解決方案來自AnalogDevices，它創建了一個安裝立方體，用于將PCB固定到資產上。

立方體有一個中央安裝孔，允許使用#10機器螺釘將模塊牢固地連接到被測設備。

請注意，傳感器PCB設計得稍厚一些（3毫米）。