摘要：本文介紹不同傳感器電纜線的動(dòng)態(tài)性能，特別是碰撞工況下電纜線的干擾信號，分析不同電纜及操作對碰撞信號品質(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)反映不同廠家的傳感器在調(diào)試階段性能都很好，但到了實(shí)際測試階段部分傳感器的信號會(huì)夾雜一些非物理信號的毛刺，導(dǎo)致數(shù)據(jù)分析不便，經(jīng)分析比較這些干擾信號的大部分來源都是摩擦電噪聲，通過一定準(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>

模擬汽車碰撞的工況觀察傳感器電纜線可能產(chǎn)生的干擾信號，評估電纜線固定的必要性。

2.2 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)當(dāng)中將一截9米長的電纜線固定于一張木板上面，木板通過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。電纜線的一端接一個(gè)森瑟410型號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，理論上采集信號只會(huì)有加速度的峰值。峰值信號后面的波動(dòng)就可以理解為單純的電纜噪音信號了。

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型號傳感器電纜線均未固定好情況下沖擊測試結(jié)果：

下面圖顯示沖擊之后傳感器輸出端的真實(shí)信號。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峰值約為270g。而加速度信號之后（6~8ms）有多個(gè)尖峰的波形為電纜噪音信號，信號峰值大概是加速度信號的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，這些信號一般是發(fā)生在主加速度信號之后幾個(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)間更長而出現(xiàn)跟干擾信號重疊的實(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 接下來的圖顯示了相同的沖擊和傳感器，電纜被很好地固定的測試結(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被很好的消除掉了。

無摩擦電噪聲影響

4. 分析

4.1 參考傳感器的干擾信號更大是因?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。

摩擦電噪聲對使用壓電傳感器(PE)的工程師來說是經(jīng)常會(huì)談?wù)摰降囊蛩?，但對于使用壓?/span>(PR)傳感器的工程師來說還比較陌生。許多情況下它對壓阻傳感器來說不是很嚴(yán)重的問題，尤其是帶信號放大器的傳感器，摩擦電噪聲的信號相對較小，對于這種大信號輸出來說，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試提供低噪音的信號，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采集的，沒有預(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固定于車體上就是比較好的操作。當(dāng)然，盡可能將電纜線導(dǎo)向沖擊較小的區(qū)域也是可取的。實(shí)在不行的話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)，有可能無法滿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)也可能使線纜通過狹小的空間時(shí)容易與別的線纜纏繞在一起。所以遇到這些煩惱時(shí)請記住，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判斷。線纜導(dǎo)體擰的越緊，與線纜外皮間越緊密，噪音越低。不同電纜線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。這可以通過提高傳感器供電或者增加前端放大器來實(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，傳感器制造企業(yè)應(yīng)該知道如何匹配合適的電纜線用于不同類型的傳感器。尤其是用于加速度傳感器的線纜，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)有信號放大，這樣信號的品質(zhì)就很大程度上決定于線纜了。

5.3 森瑟公司已經(jīng)有多年不同電纜線材質(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保真度。

6. 參考文獻(xiàn)：

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