可嵌入式飞行器振动谱测试分析装置设计

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3.0 牛悦 2024-11-19 5 4 2.66MB 61 页 15积分

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摘要

小型飞行器在发射与飞行变速的过程中，通常会产生一些比较大的本体冲击

振动，这种冲击振动有可能会导致飞行器所装载的导向装置等脆弱部件的损坏。

为了避免这种问题的出现，除设法提高导向装置本身的抗振能力外，还可以采用

阻尼装置来有效地抑制振动，以保护脆弱部件。为取得最佳隔振性能，希望能随

时根据小型飞行器产生的本体冲击振动状况，调整阻尼装置内设的力学参数，达

到有效隔振的目的。

本论文在综合阐述振动谱测试分析基本理论的基础上，着重考虑提高装置电

路快速处理振动信号的性能，采用低成本、易实现的设计思路来完成振动谱测试

分析装置电路的设计。通过对传感器各项参数的分析，设计了传感器模块的外围

电路部分，完成了对振动信号的有效提取。通过对振动信号参数的分析，设计了

用多组滤波器的方法来实现对振动信号快速分析处理的功能。然后通过多组比较

电平实现从模拟量到数字量的转换，基本实现了对小型飞行器振动信号分析处理

的要求，具有一定的实际参考价值。

本论文所涉及到的硬件电路装置主要包括振动信号获取模块的小型振动传感

器的外围电路的设计，进行振动谱分析模块的前置信号放大电路、带通滤波电路

组的设计、电压比较电路的设计等，把各个模块进行整合，使之完成对飞行器在

运行过程中的振动谱实时监控处理的功能，还对后续的阻尼隔振装置进行了探讨

和相应的选型研究。

关键词:可嵌入式振动谱传感器带通滤波阻尼隔振

ABSTRACT

Small aircraft often have a tremendous impact on the vibration to their body in the

launch and flight speed. This situation may lead the devices which loaded in the

vehicle to shock and vibration such as the damage to fragile oriented components. In

order to avoid this problem, besides enhance the oriented components to enhance the

ability of anti-vibration, also can using a damped devices to avoid the harmful

vibration effectively. In order to have the best performance on vibration isolation,We

can adjust the parameters of the mechanics to avoid the vibration to make the small

aircraft work well according to vibration information collect from the aircraft.

In this paper we use a low cost, easy realizing way to design vibration spectral test

analysis device circuit. Through the parameters of sensor analysis, design of sensor

module, the periphery of the circuit of the completion of the vibration signal extracted

effectively. Through the vibration signal parameter analysis, design of using multiple

filters ways to achieve rapid analysis of vibration signal processing function. Then

through multiple sets of comparative level realize from the analogue to digital quantity

of conversion, basically achieved for small vehicle vibration signal analysis processing

requirements, with some practical reference value.

In this thesis, the hardware devices involved in the vibration signal acquisition

module includes a small vibration sensor peripheral circuit design, pre-vibration

spectrum analysis of signal amplification circuit, group, band pass filter circuit design,

circuit design, voltage comparator To integrate the various modules, so that the process

of complete aircraft in operation in real-time monitoring of vibration spectrum of

processing capabilities, but also the subsequent damping of vibration isolation system

are discussed and the corresponding selection.

Key words: Embedded，Vibration Spectra，Sensor，Band-Pass Filter，

Damping vibration isolation

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论.....................................................................................................................1

§1.1 课题的背景 ....................................................................................................... 1

§1.2 课题的设计任务 ............................................................................................... 2

§1.3 课题的研究内容 ............................................................................................... 2

§1.4 本章小结 ........................................................................................................... 3

第二章系统整体设计方案.............................................................................................4

§2.1 小型飞行器的异常振动设计需求分析 ........................................................... 4

§2.2 常见的振动测试和分析方法 ........................................................................... 4

§2.3 振动检测总体硬件装置方案 ........................................................................... 6

§2.4 硬件电路的开发介绍 ....................................................................................... 6

§2.5 本章小结 ........................................................................................................... 8

第三章振动谱检测装置电路设计.................................................................................9

§3.1 振动信号获取模块 ........................................................................................... 9

§3.1.1 传感器的选型介绍....................................................................................9

§3.1.2 ADXL210 传感器的参数信息...................................................................11

§3.1.3 ADXL210 的管脚说明及外围电路设计...................................................13

§3.2 放大电路 ......................................................................................................... 15

§3.2.1 放大电路类型介绍及选型......................................................................15

§3.2.2 放大电路模块设计..................................................................................16

§3.3 振动谱分析模块 ............................................................................................. 17

§3.3.1 滤波器的选型..........................................................................................18

§3.3.2 有源带通滤波器的设计..........................................................................19

§3.3.3 滤波器族的设计......................................................................................21

§3.3.4 多反馈带通滤波电路..............................................................................22

§3.3.5 传递函数和幅频响应..............................................................................23

§3.3.6 带通滤波器参数设计..............................................................................25

§3.4 电压比较电路模块 ......................................................................................... 26

§3.4.1 比较器电路介绍及选型..........................................................................26

§3.4.2 比较器电路设计......................................................................................29

§3.5 缓冲存储器模块 ............................................................................................. 32

§3.6 PCB 板的制作 .................................................................................................. 36

§3.6.1 电路原理图及 PCB 电路板的设计流程..................................................36

§3.6.2 印制 PCB 电路板的注意事项................................................................. 39

§3.7 本章小结 ......................................................................................................... 40

第四章阻尼隔振装置...................................................................................................42

§4.1 常见的隔振装置 ............................................................................................. 42

§4.2 装置电路的隔振阻尼装置的选取 ................................................................. 45

§4.3 本章小结 ......................................................................................................... 46

第五章结论和展望.......................................................................................................47

§5.1 主要研究工作总结 ......................................................................................... 47

§5.2 振动谱检测装置电路的实物及测试结果 ..................................................... 48

§5.3 存在的问题及改进思想 ................................................................................. 50

§5.4 展望 ................................................................................................................. 51

附录 A：振动谱分析装置 PCB 图纸正面布线图......................................................... 53

附录 B：振动谱检测装置电路 PCB 图纸背面布线 ..................................................... 53

附录 C：1号电路板原理图 .......................................................................................... 54

参考文献.........................................................................................................................55

在读期间公开发表的论文和承担的科研项目.............................................................58

致谢.................................................................................................................................59

第一章绪论

§1.1 课题的背景

产品在生产、运输和使用等过程中都会遭受各种各样的振动冲击，尤其是在

国防领域和一些关系到国计民生的支柱性行业中，有关振动冲击的研究就显得更

加重要了。有害的振动冲击不但会给产品带来一定的损伤和破坏，而且还会大大

地降低产品的可靠性[1]。随着科学技术的进步，航天航空工业也有了突飞猛进的变

化，世界各国都在越来越多的关注空间领域，我国近年来也开放了1000米以下的

低领空区域，在空间领域的小型飞行器将会越来越多，卫星、运载火箭、洲际导

弹、载人航天等也已经成为各国在航天领域的荣耀。这些飞行器在正常作业时所

处的是一个复杂的环境体系，除了包括自然环境的因素外，还包括气流环境、电

磁环境、诱发环境等这些特有的环境要素，所有这些周围环境的因素最终都会反

馈到飞行器的本身，这就要求飞行器所处的环境会对它造成影响时，应当有很强

的抗干扰的适应能力。

用于小飞行器廉价的振动测试分析装置方面的研究和著作我们很少能在市面

上见到，我们知道例如小型导弹等这样的小型飞行器在飞行或变速的过程中，经

常会突然产生一些不可预料的比较强烈的本体冲击振动，比如说无人侦察机在高

空作业的时候如果遇到空气环流则会对飞行器机体造成比较强烈的振动；运载火

箭在级间分离和整流罩分离的时候所产生的振动冲击力对火箭的其它部件就会产

生不利的影响；飞机的起落架在落地的过程中所产生的冲击力也会对机身存在潜

在的破坏作用；电子产品在运载过程中的抗跌落性能的考虑等，如果这些问题不

能很好解决的话，是会带来比较大的损失的。目前，涉及到空间领域的一些高、

精、尖的技术，各国都十分重视，庞大的资金投入使得对中型或高等级级别价格

昂贵的空间飞行器的抗振、隔振保障手段已比较成熟了，但对一般低价位的小型

飞行器的抗振、隔振保障手段还很不完备，很少能在市面上找到相关的资料，本

设计主要是针对这种情况，尝试着采用尽可能低的造价，比较简单的相关电路的

设计，以通过对小型飞行器的隔振装置的参数的控制来实现对在小型飞行器中产

生的有害振动成分进行抑制。从而达到使小型飞行器正常工作，延长工作寿命的

目的。

装置主要是设计完成可嵌入到小型飞行器中的振动信号采集与分析处理的集

成系统，对可能产生破坏的振动的判别，主要是对振动的频域谱波形的比较判别。

通过频谱分析，可以判别振动能量主要分布的频段，从而调整设计的隔振装置的

参数，重点对抑制这些频段的有害振动成分，起到保护作用。

可嵌入式飞行器振动谱测试分析装置的设计

§1.2 课题的设计任务

诸如导弹这样的小型飞行器在发射与飞行的过程中，经常会产生比较大的本

体振动冲击，这样的振动很有可能导致飞行器所装载的导向装置等脆弱部件的损

坏，而使得飞行器的正常作业受到影响。为了避免这样的危害的发生，应当设法

提高导向装置本身的抗振能力，比如说可设法早先捕获飞行器机体突然产生的异

常振动，通过阻尼装置来有效地抑制有害振动，以保护机载脆弱部件。为了取得

最佳的隔振性能，可以通过改变阻尼装置的力学参数的方法来实现对不同的振动

成分进行抑制，从而达到有效隔振的目的。

为了实现这些功能就需要在小型飞行器中嵌入一个检测分析装置，来监控小

型飞行器在正常作业时机体会受到的冲击振动，通过检测分析的结果来有针对性

地调节阻尼装置的力学参数，以有效保护机载脆弱部件。这种可嵌入式的振动谱

测试分析装置，应当是体积小而且不会对小型飞行器造成额外影响（比如说重量，

干扰等）的情况下嵌入到小型飞行器当中，该装置也应当具有比较快速的数据采

集、分析处理能力。

本设计主要关注的是小型飞行器在 500Hz-5KHz 的振动谱范围内产生的异常

振动成分。

§1.3 课题的研究内容

本课题所要设计的可嵌入式振动谱频率测试分析装置，主要研究的内容包括：

研究振动信号的获取，实现传感器芯片的选型、外围电路设计等。

研究振动谱信号的分析，提取各个频率的信号成分，以获得能够对小型飞行

器产生危害的异常振动，主要包括振动谱检测所涉及到的放大电路、滤波电路、

电平比较电路等相关硬件电路的设计，印刷电路板的设计与绘制等。提出了用带

通滤波器组来实现快速处理振动信号的新思路。

研究了可以在小型飞行器中应用的隔振阻尼装置，提出了两种可以应用在小

型飞行器上的阻尼隔振装置。

在本文的内容结构方面，首先根据需求简要介绍了选定的传感器，此款传感

器体积小，成本较低，功耗比较低，市场上也很容易购买得到的产品。我们根据

传感器的内部结构和引脚，设计了相关的匹配电路，使其有准确的振动模拟量输

出；介绍了振动信号的分析处理过程，通过带通滤波电路组和电平比较电路来实

现从模拟输出量到量化值的转变，之后是对检测到的有害信号进行相关补救措施

的阻尼装置的探讨和设计等。文章的第二章主要介绍了系统的整体设计方案，对

系统整体的构造环节作了简要的介绍。第三章是本文的重点，传感器芯片的选型、

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摘要：

摘要小型飞行器在发射与飞行变速的过程中，通常会产生一些比较大的本体冲击振动，这种冲击振动有可能会导致飞行器所装载的导向装置等脆弱部件的损坏。为了避免这种问题的出现，除设法提高导向装置本身的抗振能力外，还可以采用阻尼装置来有效地抑制振动，以保护脆弱部件。为取得最佳隔振性能，希望能随时根据小型飞行器产生的本体冲击振动状况，调整阻尼装置内设的力学参数，达到有效隔振的目的。本论文在综合阐述振动谱测试分析基本理论的基础上，着重考虑提高装置电路快速处理振动信号的性能，采用低成本、易实现的设计思路来完成振动谱测试分析装置电路的设计。通过对传感器各项参数的分析，设计了传感器模块的外围电路部分，完成了对振动信号...

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