如何通过加速度计安装检查保证可靠的数据采集

BK声学与振动

加速度计在测试结构上的物理安装是测量链中首要的也是最常见的问题环节。这个问题会破坏测量结果，并且以后也无法纠正。

加速度计安装检查（AMC），基于Brüel & Kjær的专利技术，提供了一种更简单快捷的方式来检查传感器是否正确安装，取代了耗时很长的目视检查和手动检查。让我们深入了解一下技术细节吧。

了解加速度计安装检查的工作原理



技术原理

我们将安装在结构上的加速度计建模为一个质量-弹簧-阻尼系统，其中 ms、mb 和 mt分别是加速度计的激振质量、基座质量和与测试对象相关的质量（图1）。前两个质量块由压电元件（可认为是刚度为 kPZ 的弹簧）连接。添加弹簧/阻尼元件kM ，以模拟测试对象的影响。质量块可以沿着垂直轴运动，它们的坐标分别是xs、xb和xt。推导运动方程的最简单方法是使用拉格朗日方程：首先我们构建拉格朗日方程L = T-V，其中T和V是系统的动能和势能：

由于没有外力作用于系统，且忽略耗散，拉格朗日方程为：

其中 xj表示坐标xs、xb和xt中的某一个。微分计算会产生三个运动方程，用矩阵表示为：

或更紧凑地表示为：

该系统有三个自由度（DOF），其中之一是组件的刚体运动。按照AMC方法，对压电元件施加周期性电荷，使其收缩和扩展；这样就会在激振质量和基座上施加作用力（由图1中的灰色箭头表示）。同时，AMC测量加速度计的响应，该响应与压电元件的变形（xs - xb）成正比，并计算AMC。

根据响应和作用电荷之间的FRF，可以通过分析获得AMC FRF。由于矩阵 [α(ω)] = ([K] - ω2 [M])-1 的元素是相应自由度（参考1）之间的FRF，AMC FRF可以由 [α(ω)]的元素组合而成。图2显示了三种主要情况下算得的AMC FRF：正确安装的加速度计、自由悬挂的加速度计和正确安装在由轻质材料（如木材）制成的结构上或薄金属板或塑料板上的加速度计。通过比较测得的曲线，AMC能够检测安装情况。

该图示意的是当加速度计完美地安装在无限大的物体上(kM → ∞, mt → ∞)时的AMC FRF（黄色曲线）。FRF在固定安装共振频率处有一个峰值，ωMR2 = kPZ/ms。灰色曲线表示自由悬挂的加速度计的频率响应(kM → 0)；它在ωFH2 = kPZ (mb + ms) / (ms mb)处有一个峰值。对于一个典型的加速度计，mb ≈ ms，ωFH ≈ √2 ωMR（参考2）。在启动AMC之前，需要确保加速度计正确安装在结构上。启动后，AMC在传感器数据库中查找固定安装共振频率的值，并在ωMR周围的范围内（白色区域）生成正弦扫频激励。测得的AMC FRF应接近黄色曲线，储存起来作为参考。有时需要重复该过程，并将新测得的AMC FRF与参考曲线进行比较。

如果在测试过程中，加速度计从结构上脱落，其AMC FRF看起来更像与自由悬挂的加速度计对应的灰色曲线；该算法检测两条曲线在白色区域内是否显著不同，并要求用户检查加速度计的安装情况。

如果加速度计安装在由轻质材料制成的结构上，则参考AMC FRF可能看起来像蓝色曲线 (kM → ∞, mt 小)。在白色区域，几乎不可能将其与自由悬挂的AMC FRF区分开来，因此AMC可能会失败。为了防止这种情况，BK Connect™软件引入了预测试向导来帮助识别这种情况。

加速度计安装检查的好处

• 避免因传感器松动而重新测量

• 显著节省了检查传感器是否正确安装的时间

• 增加了您对测试数据的信心

  
  
  

快速验证所有通道

加速度计安装检查自动验证加速度计是否工作以及安装情况是否改变：

• 所有新的S型Brüel & Kjær CCLD加速度计都内置了该功能

• 与LAN-XI模块一起使用时，支持所有电荷型加速度计

  
  
  

参考文献：

[1] Ewins, D.E. 2000. “Modal Testing: Theory, Practice and Application”, Research Studies Press Ltd., Baldock, England
[2] Serridge, M., Licht, T.R. 1987. “Piezoelectric Accelerometers and Vibration Preamplifiers”, Brüel & Kjær Publications, Denmark

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