沖擊測試傳感器的進步及經驗教訓（上）
2025-01-09
新產品開發時經常要進行沖擊測試，研發人員首先確定要測量的正確參數，然后選擇最合適的傳感器。由于被測對象的獨特性，目前還沒有工業標準用于確定測量參數和選擇傳感器。但是制造商、認證機構和測試室都需要可靠的方法用于驗證設備，特別是這些設備涉及到人身安全時。
本文探索沖擊測試傳感器的進步，包括多模阻尼、ESD防護和低噪音電纜。我們將比較傳統技術和新技術，并展示這些改進。
教訓.1：多模阻尼的好處
聽上去似乎有些反直覺，你可能因為失手把一個2000g量程的加速度計掉到地板上而摔壞它。可能是加速度計經歷了超過2000g的沖擊，但是更大可能是沖擊激發的共振損壞了加速度計。許多人認為阻尼的好處是在安裝后測試過程中保護傳感器，其實在安裝前傳感器更容易被損壞。適當得安裝好加速度計后，加速度計就是相對于被測對象的相對運動傳感器。在安裝好之前，加速度計可能被在任意角度撞擊，被扔進儲物柜的另一個傳感器碰撞，或者無意中被靜電釋放沖擊。失效分析經常會富有爭議，因為無法確定傳感器有缺陷還是使用不當造成損壞。
作為一家每年售出成千上萬的加速度計生產商，我們顯然需要尋求解決加速度計在現場容易損壞問題的方法。阻尼是一個不錯的解決方案，但是氣阻尼還是油阻尼更好呢? 就可應用的傳感元件而言，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，也可能導致糟糕的頻率響應。氣阻尼也有一些問題，難于控制阻尼量的大小和測量到底有多大的阻尼，總的來說清除共振的效果較差。油阻尼只對尺寸大的應變計實用，而且昂貴臟亂；而壓阻MEMS內部空間太小不適合填充油液。因此氣阻尼是壓阻加速度計的最好選擇，但是如何得到足夠的氣阻尼同時不限制頻率響應呢？
壓阻MEMS加速度計的制造是半導體流程，每個傳感器由三個晶片堆疊。三個晶片要固定到一起，在此過程中我們引入壓力和溫度參數以控制密封在加速度計中的氣體的量，從而實現控制阻尼的大小。
增加阻尼的主要目的是保護加速度計免于造成破壞的頻率。為了實現這一點，我們需要理解加速度計的固有頻率，這些頻率下的共振是激勵出振鈴和造成加速度計損壞的元兇。我們的2000g加速度計有兩個接近的頻率模式：第一個是25kHz（傳感方向），第二個是36kHz（對角傾斜方向）。傳感器設計的目標是成功的衰減這兩個多模阻尼的模式，同時保持平直的頻率響應（多數情況下保持到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的兩種需求。
圖1 多模阻尼典型頻率響應
高度成功的氣阻尼不僅在安裝前保護加速度計，而且在測試中保護加速度計免于危險的振鈴問題。一方面振鈴可能損壞一個加速度計，另一方面更為常見的是振鈴造成數據采集的零點漂移或者飽和。兩種情況都能導致不良數據，特別是需要積分到振動速度值時。
- 未完待續 -
在下一期，我們將繼續向您介紹ESD（靜電釋放）保護的重要性以及運動誘導電纜噪音的影響。
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