汽车悬架用压电陶瓷振动传感器采集系统设计与分析.pdf

摘要

现代汽车对高速行驶时的性能要求日趋提高，被动悬架的振动抑制性能受限

于其结构设计，因此主动悬架技术成为提高悬架减振性能的研究主流。传感器作

为主动悬架的动态特性监测环节之一，实时将振动信号反馈至悬架主动控制系统，

以提高汽车在路面不平道路上行驶时的车身平顺性和操纵稳定性。因此，传感器

技术作为对悬架进行实时动态特性监测的基础是汽车主动悬架产业发展不可或缺

的研究方向。

许多国内外专家学者致力于压电式振动传感器的理论及应用研究，但是对于

汽车悬架振动特性、压电传感器压电特性及其电子转换电路功能和性能的综合性

研究仍有许多有待解决的理论争议和应用问题。本课题针对压电传感器信号采集

系统对汽车悬架振动特性进行基于微主机的实时动态监测进行了以下研究：

1、分析汽车悬架振动的产生，构建悬架垂直方向上的简化两自由度悬架系

统模型，进行系统稳定性分析。以压电陶瓷传感器为研究对象，建立压电陶瓷本

构关系的一维压电转换效应模型、简化的压电陶瓷结构动力学模型，以及电荷输

入-电压输出的信号调理模型，对压电陶瓷传感器压电源信号进行分析，获取采

集系统电子电路的设计依据。

2、从信号调理电路、转换信号传输、系统装置结构完成传感器电子转换系

统设计。在信号调理环节，进行差分放大、低通滤波等电路设计，理论结合虚拟

仿真测试验证电路设计的可行性；在转换信号传输环节，从UART串口通信实现

上位机数据传输、MQTT通讯实现客户端APP交互式控制界面；在系统装置结构

环节，选择稳定可靠的固定结构基于调理电路PCB板进行装置结构设计。

3、针对压电陶瓷传感器的电子转换电路进行集成化实时数据转换和通信系

统设计，本课题分别选择STM32F4、ESP32单片机作为转换、通信系统下位机芯

片，对各自集成化系统进行软硬件设计，并通过实验进行功能与性能的分析与验

证。本课题着重于在转换过程中对外界干扰信号进行有效处理，并将转换处理后

的数据进行通信传输，且通过对各环节功能与性能测试验证各系统设计是否达到

设计要求。

4、为验证虚拟仿真分析的可靠性和有效性，本课题对压电陶瓷传感器采集

系统实验平台进行设计与物理实现，通过在Matlab端完成采集信号补偿和分析处

理，测试验证采集系统装置各功能参数信息。经过仿真分析与实验验证，该集成

系统功能正常，运行稳定，为汽车悬架主动振动控制系统信号采集、处理与通信

的实现提供有效的设计方法，具备一定的应用价值。

关键词：压电陶瓷振动传感器，悬架振动特性，数据采集系统，信号分析

Abstract

Theperformancerequirementsofmodernvehicleswereincreasingathighspeed.

Thevibrationsuppressionperformanceofpassivesuspensionwaslimitedbyitsstructural

design.Activesuspensiontechnologyhadbecomethemainstreamoftheresearchon

improvingtheperformanceofsuspension.Asoneofthedynamiccharacteristics

monitoringlinksofactivesuspension,thesensorfedthevibrationsignaltotheactive

suspensioncontrolsysteminrealtimetoimprovetheridecomfortandhandlingstability

ofthevehiclewhendrivingontheunevenroadsurface.Therefore,sensortechnology,as

thebasisofreal-timedynamiccharacteristicsmonitoringofsuspension,wasan

indispensabl