摘要：本文介紹不同傳感器電纜線(xiàn)的動(dòng)態(tài)性能，特別是碰撞工況下電纜線(xiàn)的干擾信號(hào)，分析不同電纜及操作對(duì)碰撞信號(hào)品質(zhì)的影響。

關(guān)鍵詞：摩擦電噪聲（Triboelectric noise），壓阻（PR），壓電（PE）

1. 引言

使用傳感器工程師有時(shí)會(huì)反映不同廠(chǎng)家的傳感器在調(diào)試階段性能都很好，但到了實(shí)際測(cè)試階段部分傳感器的信號(hào)會(huì)夾雜一些非物理信號(hào)的毛刺，導(dǎo)致數(shù)據(jù)分析不便，經(jīng)分析比較這些干擾信號(hào)的大部分來(lái)源都是摩擦電噪聲，通過(guò)一定準(zhǔn)備措施，這種情況是*可以避免的。

2. 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/span>

模擬汽車(chē)碰撞的工況觀察傳感器電纜線(xiàn)可能產(chǎn)生的干擾信號(hào)，評(píng)估電纜線(xiàn)固定的必要性。

2.2 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)當(dāng)中將一截9米長(zhǎng)的電纜線(xiàn)固定于一張木板上面，木板通過(guò)螺絲安裝于沖擊頭上面，沖擊頭產(chǎn)生加速度模擬碰撞的工況。電纜線(xiàn)的一端接一個(gè)森瑟410型號(hào)的壓阻加速度傳感器，傳感器與沖擊頭固定在一起。另一端連接信號(hào)采集儀。因?yàn)闆_擊頭有緩沖裝置，沖擊頭運(yùn)動(dòng)會(huì)很快消停，理論上采集信號(hào)只會(huì)有加速度的峰值。峰值信號(hào)后面的波動(dòng)就可以理解為單純的電纜噪音信號(hào)了。

實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)

3. 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

3.1 在參考傳感器和森瑟410型號(hào)傳感器電纜線(xiàn)均未固定好情況下沖擊測(cè)試結(jié)果：

下面圖顯示沖擊之后傳感器輸出端的真實(shí)信號(hào)。縱坐標(biāo)是加速度g值，橫坐標(biāo)是時(shí)間ms（毫秒）。波形顯示傳感器的主要加速度信號(hào)峰值約為270g。而加速度信號(hào)之后（6~8ms）有多個(gè)尖峰的波形為電纜噪音信號(hào)，信號(hào)峰值大概是加速度信號(hào)的13%左右。由于電纜柔性大不能快速回應(yīng)機(jī)械運(yùn)動(dòng)的動(dòng)作，這些信號(hào)一般是發(fā)生在主加速度信號(hào)之后幾個(gè)毫秒，因此它一般不影響工程師真正感興趣的數(shù)據(jù)。然而，還有可能發(fā)生情況是：加速度持續(xù)的時(shí)間更長(zhǎng)而出現(xiàn)跟干擾信號(hào)重疊的實(shí)際情況。顯然，我們想避免這種情況發(fā)生的。

摩擦電噪聲影響

3.2 接下來(lái)的圖顯示了相同的沖擊和傳感器，電纜被很好地固定的測(cè)試結(jié)果：

由于限制了電纜擾動(dòng)，特別是防止電纜拍打安裝表面，我們可以看出后期的干擾信號(hào)被很好的消除掉了。

無(wú)摩擦電噪聲影響

4. 分析

4.1 參考傳感器的干擾信號(hào)更大是因?yàn)樵搨鞲衅魇菈弘娫恚?/span>PE）的，由于高阻抗特性，更容易被電纜噪音影響。

摩擦電噪聲對(duì)使用壓電傳感器(PE)的工程師來(lái)說(shuō)是經(jīng)常會(huì)談?wù)摰降囊蛩兀珜?duì)于使用壓阻(PR)傳感器的工程師來(lái)說(shuō)還比較陌生。許多情況下它對(duì)壓阻傳感器來(lái)說(shuō)不是很?chē)?yán)重的問(wèn)題，尤其是帶信號(hào)放大器的傳感器，摩擦電噪聲的信號(hào)相對(duì)較小，對(duì)于這種大信號(hào)輸出來(lái)說(shuō)，這種影響并不明顯。然而當(dāng)伴隨高沖擊的情況，摩擦電噪聲會(huì)變大，而高沖擊的壓阻傳感器靈敏度較小使得這種干擾不能被忽視了。

4.2 沖擊測(cè)量環(huán)境下的正確操作：

降低電纜噪音的關(guān)鍵因素之一是正確操作電纜。野蠻操作電纜會(huì)使的電纜變得松散，產(chǎn)生比新電纜更大的噪音。所以電纜應(yīng)該小心處理，盡可能防止退化。工藝良好的電纜可以為很多測(cè)試提供低噪音的信號(hào)，但打結(jié)、拉伸、撕裂都可能把低噪聲電纜變成高噪聲電纜。這是可以避免的，應(yīng)該定期檢查損壞和處理。

沖擊環(huán)境一般是不利于信號(hào)采集的，沒(méi)有預(yù)防措施甚至?xí)p傷電纜。最重要的是固定好電纜，使得電纜不會(huì)跟硬表面有撞擊，因?yàn)檫@不但會(huì)損傷電纜，而且會(huì)產(chǎn)生大的摩擦電噪音。所以好的電纜固定會(huì)保護(hù)電纜和降低電纜噪聲。用膠紙分段將電纜線(xiàn)固定于車(chē)體上就是比較好的操作。當(dāng)然，盡可能將電纜線(xiàn)導(dǎo)向沖擊較小的區(qū)域也是可取的。實(shí)在不行的話(huà)也可以將幾股同向輸出的電纜捆在一起，能起到互相固定的作用。

4.3 好的安裝方式能消除大部分的電纜噪音，但理想情況當(dāng)然是使用更好品質(zhì)的電纜將這種干擾的可能性降到。

一般電纜的設(shè)計(jì)的初衷是容易加工，不容易纏繞，易于剝離等，噪聲品質(zhì)并不是首要的特征：在大多數(shù)情況下用戶(hù)衡量電纜的品質(zhì)如柔軟度、拉力、緊密度、非粘性，易于剝離等特點(diǎn)。但在選擇噪聲的電纜同時(shí)，有可能無(wú)法滿(mǎn)足上面這些所有的要求。例如緊密的電纜外皮(有助于低噪聲)使得電纜比較生硬，或者好的外皮材料(如TPE)也可能使線(xiàn)纜通過(guò)狹小的空間時(shí)容易與別的線(xiàn)纜纏繞在一起。所以遇到這些煩惱時(shí)請(qǐng)記住，這種電纜是由于低噪聲、高保真數(shù)據(jù)而被選中的，有一些不便是在所難免的。

4.4 如果現(xiàn)場(chǎng)不能快速判斷電纜的噪音品質(zhì)，可以從電纜的緊密程度來(lái)判斷。線(xiàn)纜導(dǎo)體擰的越緊，與線(xiàn)纜外皮間越緊密，噪音越低。不同電纜線(xiàn)的噪音水平可能相差達(dá)到5倍之多。

4.5 當(dāng)然，使用靈敏度更高的傳感器可以在在同樣的電纜品質(zhì)情況下取得更好的信噪比。這可以通過(guò)提高傳感器供電或者增加前端放大器來(lái)實(shí)現(xiàn)。

5. 結(jié)論

5.1 電纜的安裝固定在沖擊工況下是至關(guān)重要的。

5.2 并不是所有的電纜線(xiàn)都是同樣品質(zhì)的，匹配不適當(dāng)?shù)模ɑ蛸|(zhì)量差的）電纜會(huì)導(dǎo)致傳感器輸出不干凈的信號(hào)，傳感器制造企業(yè)應(yīng)該知道如何匹配合適的電纜線(xiàn)用于不同類(lèi)型的傳感器。尤其是用于加速度傳感器的線(xiàn)纜，因?yàn)檫@種傳感器使用都會(huì)伴隨較大沖擊，而且基于小型化設(shè)計(jì)考慮前端都不會(huì)有信號(hào)放大，這樣信號(hào)的品質(zhì)就很大程度上決定于線(xiàn)纜了。

5.3 森瑟公司已經(jīng)有多年不同電纜線(xiàn)材質(zhì)的研究成果，并且將這種成果應(yīng)用到不同的傳感器上面，使得我們的碰撞加速度傳感器在任何工況下面都能得到更好的信號(hào)保真度。

6. 參考文獻(xiàn)：

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