电缆扰动对传感器信号的影响


摘要:本文介绍不同传感器电缆线的动态性能,特别是碰撞工况下电缆线的干扰信号,分析不同电缆及操作对碰撞信号品质的影响。

关键词:摩擦电噪声(Triboelectric noise),压阻(PR),压电(PE

1.     引言

使用传感器工程师有时会反映不同厂家的传感器在调试阶段性能都很好,但到了实际测试阶段部分传感器的信号会夹杂一些非物理信号的毛刺,导致数据分析不便,经分析比较这些干扰信号的大部分来源都是摩擦电噪声,通过一定准备措施,这种情况是完全可以避免的。

2.     实验设计

2.1      实验目的

模拟汽车碰撞的工况观察传感器电缆线可能产生的干扰信号,评估电缆线固定的必要性。

2.2      实验装置

实验当中将一截9米长的电缆线固定于一张木板上面,木板通过螺丝安装于冲击头上面,冲击头产生加速度模拟碰撞的工况。电缆线的一端接一个森瑟410型号的压阻加速度传感器,传感器与冲击头固定在一起。另一端连接信号采集仪。因为冲击头有缓冲装置,冲击头运动会很快消停,理论上采集信号只会有加速度的峰值。峰值信号后面的波动就可以理解为单纯的电缆噪音信号了。

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实验结构

3.     实验数据

3.1      在参考传感器和森瑟410型号传感器电缆线均未固定好情况下冲击测试结果:

下面图显示冲击之后传感器输出端的真实信号。纵坐标是加速度g值,横坐标是时间ms(毫秒)。波形显示传感器的主要加速度信号峰值约为270g。而加速度信号之后(6~8ms)有多个尖峰的波形为电缆噪音信号,信号峰值大概是加速度信号的13%左右。由于电缆柔性大不能快速回应机械运动的动作,这些信号一般是发生在主加速度信号之后几个毫秒,因此它一般不影响工程师真正感兴趣的数据。然而,还有可能发生情况是:加速度持续的时间更长而出现跟干扰信号重叠的实际情况。显然,我们想避免这种情况发生的。

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摩擦电噪声影响


3.2      接下来的图显示了相同的冲击和传感器,电缆被很好地固定的测试结果:

由于限制了电缆扰动,特别是防止电缆拍打安装表面,我们可以看出后期的干扰信号被很好的消除掉了。

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无摩擦电噪声影响

4.     分析

4.1      参考传感器的干扰信号更大是因为该传感器是压电原理(PE)的,由于高阻抗特性,更容易被电缆噪音影响。

摩擦电噪声对使用压电传感器(PE)的工程师来说是经常会谈论到的因素,但对于使用压阻(PR)传感器的工程师来说还比较陌生。许多情况下它对压阻传感器来说不是很严重的问题,尤其是带信号放大器的传感器,摩擦电噪声的信号相对较小,对于这种大信号输出来说,这种影响并不明显。然而当伴随高冲击的情况,摩擦电噪声会变大,而高冲击的压阻传感器灵敏度较小使得这种干扰不能被忽视了。

4.2      冲击测量环境下的正确操作:

降低电缆噪音的关键因素之一是正确操作电缆。野蛮操作电缆会使的电缆变得松散,产生比新电缆更大的噪音。所以电缆应该小心处理,尽可能防止退化。工艺良好的电缆可以为很多测试提供低噪音的信号,但打结、拉伸、撕裂都可能把低噪声电缆变成高噪声电缆。这是可以避免的,应该定期检查损坏和处理。

冲击环境一般是不利于信号采集的,没有预防措施甚至会损伤电缆。最重要的是固定好电缆,使得电缆不会跟硬表面有撞击,因为这不但会损伤电缆,而且会产生大的摩擦电噪音。所以好的电缆固定会保护电缆和降低电缆噪声。用胶纸分段将电缆线固定于车体上就是比较好的操作。当然,尽可能将电缆线导向冲击较小的区域也是可取的。实在不行的话也可以将几股同向输出的电缆捆在一起,能起到互相固定的作用。

4.3      好的安装方式能消除大部分的电缆噪音,但理想情况当然是使用更好品质的电缆将这种干扰的可能性降到最低。

一般电缆的设计的初衷是容易加工,不容易缠绕,易于剥离等,噪声品质并不是首要的特征:在大多数情况下用户衡量电缆的品质如柔软度、拉力、紧密度、非粘性,易于剥离等特点。但在选择噪声最低的电缆同时,有可能无法满足上面这些所有的要求。例如紧密的电缆外皮(有助于低噪声)使得电缆比较生硬,或者好的外皮材料(TPE)也可能使线缆通过狭小的空间时容易与别的线缆缠绕在一起。所以遇到这些烦恼时请记住,这种电缆是由于低噪声、高保真数据而被选中的,有一些不便是在所难免的。

4.4      如果现场不能快速判断电缆的噪音品质,可以从电缆的紧密程度来判断。线缆导体拧的越紧,与线缆外皮间越紧密,噪音越低。不同电缆线的噪音水平可能相差达到5倍之多。

4.5      当然,使用灵敏度更高的传感器可以在在同样的电缆品质情况下取得更好的信噪比。这可以通过提高传感器供电或者增加前端放大器来实现。

 

5.     结论

5.1      电缆的安装固定在冲击工况下是至关重要的。

5.2      并不是所有的电缆线都是同样品质的,匹配不适当的(或质量差的)电缆会导致传感器输出不干净的信号,传感器制造企业应该知道如何匹配合适的电缆线用于不同类型的传感器。尤其是用于加速度传感器的线缆,因为这种传感器使用都会伴随较大冲击,而且基于小型化设计考虑前端都不会有信号放大,这样信号的品质就很大程度上决定于线缆了。

5.3      森瑟公司已经有多年不同电缆线材质的研究成果,并且将这种成果应用到不同的传感器上面,使得我们的碰撞加速度传感器在任何工况下面都能得到更好的信号保真度。

6.     参考文献:

[1]  Guide to Wire and Cable Construction, American Insulated Wire Corp., 1981.


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