传感器设计中的自谐振

发表于:2023年02月19日

在设计任何类型的传感产品时需要考虑很多事情,但主要考虑因素通常与测量干净、精确和隔离的信号有关。采用许多技术来最小化噪声、过滤、放大等,以允许处理不同种类的传感元件信号。但是,如果您尝试专门测量振动,并且设计了一个包含不同级别自共振的组装结构,那么您为测量“干净”信号所做的一些电子努力可能会受到影响。

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任何有质量的物体都会有一个主要的激励频率,会引起共振响应。这将发生在接近自然分量频率的地方,具有潜在的多阶和更高频率的附加谐波。当您将各种组件组装在一起时,每个组件既会单独运行,也会作为系统的一部分运行。自共振导致灾难性故障的最引人注目的例子可以说是有据可查的塔科马海峡大桥倒塌事件,当时时速 40 英里的大风激发了悬挂结构,导致过度振荡偏转。在设计振动传感器时,自谐振的影响可能被认为不那么显着。但是,这可能意味着最终用户会看到测得的振动数据图中某些频率处的误导性峰值。

理想情况下,如果可以进行频率扫描,然后测量发生高幅度测量的频率响应,则可以确定传感器的实际测量范围内是否存在自谐振。可以使用模态频率分析软件进行模拟。该软件正变得越来越容易访问,许多主要的 3D CAD 设计包都以免费或升级插件的形式提供。在对 CAD 几何图形和提供的材料属性或模拟的其他输入(包括可能影响结果的动态参数)进行简化时要小心。

市场上有许多 1.0 到 2.5kHz 的传感器,可以操纵这些传感器以将这些模态频率推到传感器的测量范围之上。就像通过增加或减少质量将发动机安装在弹簧支架上一样,确保您使用技术来改变系统的频率响应。增加刚度、添加减压切口、更改支撑/紧固件、添加隔离功能、封装、了解单个和整体重心、更改或添加材料等,这些只是您可以尝试了解更多信息的一部分关于系统响应。

现在市场上有更实惠的 5.0 至 10.0kHz 以上的传感器正在开发中。因此,几乎不可能通过设计尝试将所有单独的模态频率移动到现在更宽的测量范围之上。考虑到这一点,更重要的考虑因素将需要与应用程序更紧密地联系在一起,而不是完全消除它们。了解您计划监测的不同类型设备产生的频率,将有助于您决定需要采用哪些设计操作来避免自感应噪声。

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