基于落锤实验机和虚拟仪器的微加速度计性能测试与分析

　　一般情况下,对于加速度传感器静态性能的测试只需按照测试方向任意翻转90°,重力加速度测量结果就会相应变化±g。而对于加速度传感器动态性能的测试与分析则需要有精密的能产生恒定加速度的振动实验台和数据采集与分析系统。加速度传感器长期使用后性能会有所偏差,对于没有精密振动实验台的实验室对其性能进行评估就成为一个难题。根据实验室现有设备的特点,设计了一种对多轴加速度传感器进行性能测试与分析的实验。根据马歇特实验的原理,利用英斯特朗9250仪器化落锤实验机的冲击锤可以产生定量的过载或不过载的加速度。将微加速度传感器作为加重块固定在锤头上,外接虚拟仪器数据采集和分析系统。当冲击锤与底座碰撞时,落锤实验机附属软件上将会得锤头上力传感器所产生的力曲线图和速度曲线图,将其转变为加速度后能与微加速度传感器外接的虚拟仪器数据采集和分析系统得到的加速度相比较,从而可对微加速度传感器的性能进行分析。

　　1　实验仪器的组成和特点

　　实验仪器系统主要由MEMS(微电子机械系统)微加速度计、仪器化落锤实验机、虚拟仪器数据采集和分析系统组成。MEMS加速度传感器是目前运用广泛的一种加速度传感器。它是建立在微米/纳米技术基础上的对微米/纳米材料进行设计、加工、制造、测量和控制的技术。它可将机械构件、光学系统、驱动部件、电控系统集成为一个整体单元的微型系统,而微加速度计(mi-cro-accelerometer)就是随着MEMS技术的发展出现的惯性传感器件的杰出代表。本研究的加速度计属于电容式结构的一种,采用质量块—弹簧—阻尼器系统来感应加速度。仪器化落锤实验机控制系统实现32位全数字化控制,配有多种不同冲头和夹具,能自定义不同高度、速度和能量对不同材料包括复合材料、金属材料、汽车零部件等样品进行冲击试验,输出碰撞瞬间力、速度、位移的曲线,从而分析样品的物理特性。虚拟仪器数据采集和分析系统由PXI硬件平台和LabVIEW软件平台构成。PXI测控硬件是由PCI标准向测量方向发展的新标准,可以完成数据采集、信号调理、声音和振动测量、视觉、运动、仪器控制等功能。LabVIEW软件是图形化的测试软件,不仅能方便地完成与各种软硬件的连接,更能提供强大的后续数据处理能力,设置数据处理、转换、存储的方式,并将结果显示给用户。本实验主要应用的虚拟仪器数据采集和分析系统包括LabVIEW 8. 0, PXI主机箱1050, PXI控制器8196, PXI数据采集卡6229等。

　　2　实验目的和过程

　　实验的目的是利用落锤实验机锤头上的力传感器和数据采集系统与附属在落锤实验机碰撞机构上的微加速度计和虚拟仪器数据采集系统得到的两种数据进行比较,相互验证其可靠性。启动落锤实验机与PXI系统,自检正常后可以进行下一步。本实验需要测量的加速度方向为与地面垂直的方向,MEMS微加速度计一般为正方体结构,边长2~5 cm,可以将其当作加重块,固定于重锤上(如图1所示),这样可以保证传感器与落锤实验机接触面水平,其垂直方向为测量方向。传感器数据线连接到外部PXI系统的数据采集卡上,电源线与地线分别与5 V直流电源和地连接。启动落锤实验软件,根据所选锤头校正软件里的选项。调整力传感器位置,在实验材料放置处安放方形铁板,铁板厚度为2~4 mm,保证重锤下落时不击穿铁板,并防止下部支架接触到落下的重锤,吸收下落能量,使加速度值非均匀变化。对重锤高度进行指定一般选择80~300 mm,并防止能量过大洞穿铁板对传感器产生不良影响。在以上准备工作做好后,进入落锤实验机软件的测试界面和PXI系统LabVIEW测试软件的测量界面,同时启动重锤落下和测量程序,可同时得到两种测量数据。