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沖擊測(cè)試傳感器的進(jìn)步及經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)（上）
2025-01-09
新產(chǎn)品開發(fā)時(shí)經(jīng)常要進(jìn)行沖擊測(cè)試，研發(fā)人員首先確定要測(cè)量的正確參數(shù)，然后選擇最合適的傳感器。由于被測(cè)對(duì)象的獨(dú)特性，目前還沒有工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)用于確定測(cè)量參數(shù)和選擇傳感器。但是制造商、認(rèn)證機(jī)構(gòu)和測(cè)試室都需要可靠的方法用于驗(yàn)證設(shè)備，特別是這些設(shè)備涉及到人身安全時(shí)。
本文探索沖擊測(cè)試傳感器的進(jìn)步，包括多模阻尼、ESD防護(hù)和低噪音電纜。我們將比較傳統(tǒng)技術(shù)和新技術(shù)，并展示這些改進(jìn)。
教訓(xùn).1：多模阻尼的好處
聽上去似乎有些反直覺，你可能因?yàn)槭职岩粋€(gè)2000g量程的加速度計(jì)掉到地板上而摔壞它?？赡苁羌铀俣扔?jì)經(jīng)歷了超過2000g的沖擊，但是更大可能是沖擊激發(fā)的共振損壞了加速度計(jì)。許多人認(rèn)為阻尼的好處是在安裝后測(cè)試過程中保護(hù)傳感器，其實(shí)在安裝前傳感器更容易被損壞。適當(dāng)?shù)冒惭b好加速度計(jì)后，加速度計(jì)就是相對(duì)于被測(cè)對(duì)象的相對(duì)運(yùn)動(dòng)傳感器。在安裝好之前，加速度計(jì)可能被在任意角度撞擊，被扔進(jìn)儲(chǔ)物柜的另一個(gè)傳感器碰撞，或者無意中被靜電釋放沖擊。失效分析經(jīng)常會(huì)富有爭(zhēng)議，因?yàn)闊o法確定傳感器有缺陷還是使用不當(dāng)造成損壞。
作為一家每年售出成千上萬的加速度計(jì)生產(chǎn)商，我們顯然需要尋求解決加速度計(jì)在現(xiàn)場(chǎng)容易損壞問題的方法。阻尼是一個(gè)不錯(cuò)的解決方案，但是氣阻尼還是油阻尼更好呢? 就可應(yīng)用的傳感元件而言，油阻尼受到限制；油阻尼有可能影響傳感器隨著溫度變化而變化的性能，也可能導(dǎo)致糟糕的頻率響應(yīng)。氣阻尼也有一些問題，難于控制阻尼量的大小和測(cè)量到底有多大的阻尼，總的來說清除共振的效果較差。油阻尼只對(duì)尺寸大的應(yīng)變計(jì)實(shí)用，而且昂貴臟亂；而壓阻MEMS內(nèi)部空間太小不適合填充油液。因此氣阻尼是壓阻加速度計(jì)的最好選擇，但是如何得到足夠的氣阻尼同時(shí)不限制頻率響應(yīng)呢？
壓阻MEMS加速度計(jì)的制造是半導(dǎo)體流程，每個(gè)傳感器由三個(gè)晶片堆疊。三個(gè)晶片要固定到一起，在此過程中我們引入壓力和溫度參數(shù)以控制密封在加速度計(jì)中的氣體的量，從而實(shí)現(xiàn)控制阻尼的大小。
增加阻尼的主要目的是保護(hù)加速度計(jì)免于造成破壞的頻率。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，我們需要理解加速度計(jì)的固有頻率，這些頻率下的共振是激勵(lì)出振鈴和造成加速度計(jì)損壞的元兇。我們的2000g加速度計(jì)有兩個(gè)接近的頻率模式：第一個(gè)是25kHz（傳感方向），第二個(gè)是36kHz（對(duì)角傾斜方向）。傳感器設(shè)計(jì)的目標(biāo)是成功的衰減這兩個(gè)多模阻尼的模式，同時(shí)保持平直的頻率響應(yīng)（多數(shù)情況下保持到10kHz，而且到40kHz也沒有明顯的共振）。這樣可以正確的平衡足夠的阻尼以阻止振鈴和保持出色的頻率響應(yīng)的兩種需求。
圖1 多模阻尼典型頻率響應(yīng)
高度成功的氣阻尼不僅在安裝前保護(hù)加速度計(jì)，而且在測(cè)試中保護(hù)加速度計(jì)免于危險(xiǎn)的振鈴問題。一方面振鈴可能損壞一個(gè)加速度計(jì)，另一方面更為常見的是振鈴造成數(shù)據(jù)采集的零點(diǎn)漂移或者飽和。兩種情況都能導(dǎo)致不良數(shù)據(jù)，特別是需要積分到振動(dòng)速度值時(shí)。
- 未完待續(xù) -
在下一期，我們將繼續(xù)向您介紹ESD（靜電釋放）保護(hù)的重要性以及運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)電纜噪音的影響。
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