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沖擊測(cè)試傳感器的進(jìn)步及經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)（下）
2025-01-10
上一期我們和您探討了多模阻尼的好處，本期將和您繼續(xù)分享ESD（靜電釋放）保護(hù)的重要性和運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)電纜噪音的影響。
教訓(xùn) 2：ESD（靜電釋放）保護(hù)的重要性
另一個(gè)較少得到理解的潛在加速度計(jì)失效模式就是傳感器暴露于靜電電荷，有時(shí)甚至人體積累的靜電量都可以損壞加速度計(jì)。壓阻傳感器尤其容易被靜電釋放損壞，因此當(dāng)檢查、安裝和故障診斷加速度計(jì)時(shí)要特別注意ESD防護(hù)。ESD破壞經(jīng)常是導(dǎo)致零點(diǎn)輸出（ZMO）大幅漂移，或者在極端情況下造成惠斯通電橋一條腿開(kāi)路。
為了最小化現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生的ESD損壞，新型的Endevco傳感器在同一個(gè)電路板上增加了一個(gè)四路二極管到傳感器內(nèi)。二極管連接到電路的所有四個(gè)信號(hào)通路（+EXC、-EXC、+OUT和-OUT），所以一個(gè)突發(fā)的ESD尖峰可以通過(guò)二極管被分流。此設(shè)計(jì)提升ESD防護(hù)水平，按照美軍標(biāo)MIL-STD-1686C章節(jié)5.2的規(guī)定從Class 1A（不高于500V）提升到Class 3B（不高于8000V），顯著減少了由于ESD造成的傳感器失效。
教訓(xùn) 3：運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)電纜噪音的影響
另一個(gè)在你的測(cè)量鏈中的重要因素就是連接加速度計(jì)到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的電纜。幾乎所有的電纜都會(huì)由于運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生一些輸出。電纜的運(yùn)動(dòng)可能產(chǎn)生在電纜的不同元件間的靜電累積，因而導(dǎo)致的加速度計(jì)輸出稱(chēng)為摩擦生電噪音。在一些應(yīng)用中，即使已經(jīng)小心固定電纜，電纜也可能受到撞擊或者沖擊。這種可能性在高沖擊和動(dòng)態(tài)環(huán)境中會(huì)放大，這類(lèi)測(cè)試易于強(qiáng)行移動(dòng)儀表布線(xiàn)。
位于加州爾灣的Endevco設(shè)計(jì)中心開(kāi)發(fā)了一種試驗(yàn)方法以定量測(cè)量電纜摩擦生電噪聲。在本測(cè)試中，我們比較我們的老式電纜和改進(jìn)后的新電纜的數(shù)據(jù)。把一根長(zhǎng)加速度計(jì)電纜卷曲固定在在一個(gè)平臺(tái)上，電纜的一端連接到一個(gè)等效惠斯通電橋上。等效惠斯通電橋的作用是給電纜的一端增加阻性負(fù)載，模擬一個(gè)可以用激勵(lì)電壓供電的傳感器。等效電橋包括四個(gè)靜態(tài)電阻，這些電阻對(duì)加速度無(wú)響應(yīng)。電橋用Endevco 136信號(hào)調(diào)理器供電（注：136已經(jīng)停產(chǎn)，此型號(hào)升級(jí)為482C27(4通道調(diào)理器)）。測(cè)試條件是等效電橋橋路負(fù)載3000歐姆，5V直流激勵(lì)，調(diào)理器60倍增益。以1500g加速度沖擊電纜，然后記錄橋路輸出。我們可以測(cè)量到對(duì)應(yīng)于沖擊事件的輸出峰值，以評(píng)估噪聲易感性。
圖一：實(shí)驗(yàn)臺(tái)
圖二：老式7284電纜測(cè)試結(jié)論：
沖擊事件后0.2ms產(chǎn)生電纜噪聲
電纜噪聲信號(hào)存留額外幾個(gè)毫秒后逐漸消失
峰值輸出（185最大/-152最小）mV
圖三：新型7284A電纜測(cè)試結(jié)論：
沖擊時(shí)間中幾乎沒(méi)有看到明顯的噪聲信號(hào)
峰值輸出（9最大/-10最?。﹎V
電纜噪聲測(cè)試結(jié)論：
通過(guò)電纜結(jié)構(gòu)的改進(jìn)有效抑制了電纜噪聲信號(hào)。7284A電纜利用了一層浮態(tài)石墨涂層覆蓋在每根導(dǎo)體上來(lái)驅(qū)散電荷。這種緩和電荷累積的方法意味著電纜大大減少了由于電纜運(yùn)動(dòng)傳遞虛假信號(hào)的可能。
一方面低噪聲電纜能夠大大減緩系統(tǒng)中的噪聲信號(hào)，但是也并非一勞永逸。正確的布線(xiàn)實(shí)踐仍然對(duì)最小化噪聲信號(hào)極為重要：
把電纜固定到一個(gè)堅(jiān)固靜止的結(jié)構(gòu)上以最小化電纜移動(dòng)
在緊鄰加速度計(jì)接頭處留出1-2英寸的松散/松弛的電纜
避免把電纜打圈或者堆疊
總結(jié)
對(duì)于工程師和研究人員來(lái)說(shuō)，沖擊測(cè)試一直是最挑戰(zhàn)的測(cè)試之一。按照常規(guī)特性參數(shù)，例如帶寬、靈敏度和線(xiàn)性度，去選擇一個(gè)沖擊傳感器已經(jīng)不夠；本文中我們已經(jīng)闡明合適的內(nèi)部阻尼，抵抗ESD的能力，以及低運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的噪聲信號(hào)都對(duì)沖擊測(cè)試質(zhì)量有影響，最終影響測(cè)試的高精確性。
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