加速度傳感器的選型要求 靈敏度

傳感器的靈敏度是傳感器的最基本指標(biāo)之一。傳感器的靈敏度應(yīng)根據(jù)被測(cè)振動(dòng)量（加速度值）大小而定，但由于壓電加速度傳感器是測(cè)量振動(dòng)的加速度值，而在相同的位移幅值條件下加速度值與信號(hào)的頻率平方成正比，所以不同頻段的加速度信號(hào)大小相差甚大。

大型結(jié)構(gòu)的低頻振動(dòng)其振動(dòng)量的加速度值可能會(huì)相當(dāng)小，例如當(dāng)振動(dòng)位移為 1mm， 頻率為1 Hz 的信號(hào)其加速度值僅為0.04m/s2（0.004g）；然而對(duì)高頻振動(dòng)當(dāng)位移為0.1mm，頻率為10 kHz的信號(hào)其加速度值可達(dá)4 x 10 5m/s2（40000g）。因此盡管壓電式加速度傳感器具有較大的測(cè)量量程范圍，但對(duì)用于測(cè)量高低兩端頻率的振動(dòng)信號(hào)，選擇加速度傳感器靈敏度時(shí)應(yīng)對(duì)信號(hào)有充分的估計(jì)。

最常用的振動(dòng)測(cè)量壓電式加速度計(jì)靈敏度，電壓輸出型（IEPE 型）為50~100 mV/g，電荷輸出型為10 ~ 50 pC/g。

量程范圍

加速度值傳感器的測(cè)量量程范圍是指?jìng)鞲衅髟谝欢ǖ姆蔷€(xiàn)性誤差范圍內(nèi)所能測(cè)量的最大測(cè)量值。通用型壓電加速度傳感器的非線(xiàn)性誤差大多為1%。作為一般原則，靈敏度越高其測(cè)量范圍越小，反之靈敏度越小則測(cè)量范圍越大。

IEPE電壓輸出型壓電加速度傳感器的測(cè)量范圍是由在線(xiàn)性誤差范圍內(nèi)所允許的最大輸出信號(hào)電壓所決定。而電荷輸出型測(cè)量范圍則受傳感器機(jī)械剛度的制約，在同樣的條件下傳感敏感芯體受機(jī)械彈性區(qū)間非線(xiàn)性制約的最大信號(hào)輸出要比IEPE型傳感器的量程大得多，其值大多需通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)確定。

一般情況下當(dāng)傳感器靈敏度高，其敏感芯體的質(zhì)量塊也就較大，傳感器的量程就相對(duì)較小。同時(shí)因質(zhì)量塊較大其諧振頻率就偏低這樣就較容易激發(fā)傳感器敏感芯體的諧振信號(hào)，結(jié)果使諧振波疊加在被測(cè)信號(hào)上造成信號(hào)失真輸出。因此在最大測(cè)量范圍選擇時(shí)，也要考慮被測(cè)信號(hào)頻率組成以及傳感器本身的自振諧振頻率，避免傳感器的諧振分量產(chǎn)生。同時(shí)在量程上應(yīng)有足夠的安全空間以保證信號(hào)不產(chǎn)生失真。

測(cè)量頻率范圍

傳感器的頻率測(cè)量范圍是指?jìng)鞲衅髟谝?guī)定的頻率響應(yīng)幅值誤差內(nèi)（±5%， ±10%， ±3dB）傳感器所能測(cè)量的頻率范圍。頻率范圍的高，低限分別稱(chēng)為高，低頻截至頻率。截至頻率與誤差直接相關(guān)，所允許的誤差范圍大則其頻率范圍也就寬。作為一般原則，傳感器的高頻響應(yīng)取決于傳感器的機(jī)械特性，而低頻響應(yīng)則由傳感器和后繼電路的綜合電參數(shù)所決定。高頻截止頻率高的傳感器必然是體積小，重量輕，反之用于低頻測(cè)量的高靈敏度傳感器相對(duì)來(lái)說(shuō)則一定體積大和重量重。

選擇加速度計(jì)的頻率應(yīng)高于被測(cè)物的振動(dòng)頻率，有倍頻分析要求的加速度計(jì)頻響應(yīng)更高。土木工程是低頻，加速度計(jì)可選擇0.2Hz～1kHz左右，機(jī)械設(shè)備一般是中頻段，可根據(jù)設(shè)備轉(zhuǎn)速、設(shè)備剛度等因素綜合估計(jì)頻率，選擇0.5Hz～5kHz的加速度計(jì)。沖擊測(cè)量高頻居多。

內(nèi)部結(jié)構(gòu)

內(nèi)部結(jié)構(gòu)是指敏感材料晶體片感受振動(dòng)的方式及安裝形式，有壓縮和剪切兩大類(lèi)，常見(jiàn)的有中心壓縮、平面剪切、三角剪切、環(huán)型剪切。中心壓縮頻響高于剪切型，剪切型的環(huán)境適應(yīng)性好于中心壓縮型。如配用積分型電荷放大器測(cè)量速度、位移時(shí)，最好選用剪切型產(chǎn)品，這樣所得信號(hào)波動(dòng)小，穩(wěn)定性好。

輸出型式

取決于系統(tǒng)和加速度傳感器之間的接口。一般模擬輸出的電壓和加速度是成比例的，比如2.5V對(duì)應(yīng)0g的加速度，2.6V對(duì)應(yīng)于0.5g的加速度。數(shù)字輸出一般使用脈寬調(diào)制（PWM）信號(hào)。

如果使用的微控制器只有數(shù)字輸入，比如BASIC Stamp，那就只能選擇數(shù)字輸出的加速度傳感器了，但是必須占用額外的一個(gè)時(shí)鐘單元用來(lái)處理PWM信號(hào)，同時(shí)對(duì)處理器也是一個(gè)不小的負(fù)擔(dān)。

如果使用的微控制器有模擬輸入口，比如PIC/AVR/OOPIC，可以非常簡(jiǎn)單的使用模擬接口的加速度傳感器，所需要的就是在程序里加入一句類(lèi)似“acceleraTIon=read_adc（）”的指令，而且處理此指令的速度只要幾微秒。

內(nèi)置電路

內(nèi)置的概念是將電荷/電壓轉(zhuǎn)換放大電路置于加速度計(jì)內(nèi)，成為具有電壓輸出功能的傳感元件。它可分雙電源（四線(xiàn)）及單電源（二線(xiàn)并帶偏置的稱(chēng)ICP）兩種，下面所指內(nèi)裝電路專(zhuān)指ICP型。

目前，內(nèi)置電路傳感器在國(guó)內(nèi)使用較多的方面是用于機(jī)械故障、樁基檢測(cè)，不少在線(xiàn)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目上也在使用該類(lèi)產(chǎn)品。

ICP傳感器的芯線(xiàn)作供電并又是信號(hào)輸出通道。內(nèi)置電路傳感器靈敏度的選型計(jì)算：

如選用目前最為通用的100mV/g，可測(cè)50g以?xún)?nèi)振動(dòng)，因?yàn)樵搨鞲衅鲃?dòng)態(tài)范圍±5Vp，如測(cè)量100g，則用50mV/g的加速度計(jì)，其余以此類(lèi)推。

內(nèi)置電路的優(yōu)勢(shì)是低價(jià)位，抗干擾好，可長(zhǎng)線(xiàn)使用，但它的耐高溫、可靠性不如電荷輸出產(chǎn)品，且動(dòng)態(tài)范圍也因輸出電壓和偏置電壓的作用而受到限制。

測(cè)量軸數(shù)量

對(duì)于多數(shù)項(xiàng)目來(lái)說(shuō)，兩軸的加速度傳感器已經(jīng)能滿(mǎn)足多數(shù)應(yīng)用了。對(duì)于某些特殊的應(yīng)用，比如UAV，ROV控制，三軸的加速度傳感器可能會(huì)適合一點(diǎn)。

三軸加速度傳感器可以實(shí)現(xiàn)雙軸正負(fù)90度或雙軸0-360度的傾角，通過(guò)校正后期精度要高于雙軸加速度傳感器大于測(cè)量角度為60度的情況。

三軸加速度傳感器具有體積小和重量（gm）輕特點(diǎn)，可以測(cè)量空間加速度，能夠全面準(zhǔn)確反映物體的運(yùn)動(dòng)性質(zhì)，在航空航天、機(jī)器人、汽車(chē)和醫(yī)學(xué)、消費(fèi)電子等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

 外部環(huán)境的影響

某些測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境較為惡劣，考慮的因素較多，如防水、高溫、安裝位置、強(qiáng)磁電場(chǎng)及地回路等，均會(huì)給測(cè)量帶來(lái)極大的影響。

防水：

防水有兩個(gè)概念，淺層防水和深層防水，尤以深層防水為難，如三峽工程永久船閘閘門(mén)的振動(dòng)監(jiān)測(cè)，水深近百米，它涉及地回路干擾、高壓滲水、導(dǎo)線(xiàn)防護(hù)、長(zhǎng)期可靠性等諸多問(wèn)題。

溫度影響：

溫度改變而引起傳感器輸出變化是由壓電材料（敏感芯體）特性所造成的。 傳感器輸出與溫度間并不呈線(xiàn)性變化，一般說(shuō)低溫時(shí)的輸出變化比高溫時(shí)的要大。另因?yàn)楦鱾鞲衅鞯臏囟软憫?yīng)很難保持一致，所以實(shí)際使用中傳感器的輸出一般很少用溫度系數(shù)進(jìn)行修正。

需要特別指出溫度變化有穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)兩種，傳感器輸出靈敏度隨溫度變化通常是指穩(wěn)態(tài)高低溫度狀態(tài)對(duì)信號(hào)輸出的影響。瞬態(tài)溫度變化對(duì)傳感器輸出的影響主要表現(xiàn)在低頻測(cè)量中。

多數(shù)廠商給出的溫度范圍為可用值，而不是高溫狀況的靈敏度，實(shí)際上，高溫時(shí)靈敏度偏差較大，特殊用戶(hù)應(yīng)向廠商索取專(zhuān)用的高溫時(shí)的靈敏度指標(biāo)，靈敏度指標(biāo)是保證測(cè)試準(zhǔn)確的關(guān)鍵。

位置限制：

加速度計(jì)永久安裝在現(xiàn)場(chǎng)會(huì)受到人為碰撞，應(yīng)選擇工業(yè)型產(chǎn)品，在加速度計(jì)外加裝防護(hù)罩，這可同時(shí)起絕緣、防塵的作用，對(duì)出線(xiàn)方向有要求也應(yīng)向廠商提出，對(duì)于不能觸及的部位，可用手持式加速度計(jì)（帶長(zhǎng)探針）。

絕緣、地回路及磁電場(chǎng)輻射：

為了克服多點(diǎn)接地產(chǎn)生地回路電流影響測(cè)試，可以選用浮地或絕緣傳感器。沒(méi)有特殊要求且干擾不大的工況，可用絕緣型加速度計(jì)。而永久型監(jiān)測(cè)或干擾大的工況則應(yīng)采用浮地型。這二種命名的區(qū)別在于絕緣型傳感器的外殼為信號(hào)地，底座采取絕緣方法，而浮地型產(chǎn)品的外殼為屏蔽層，要采取三線(xiàn)方式。

聲波和磁場(chǎng)對(duì)傳感器的作用而引起的信號(hào)輸出的大小與傳感器靈敏度的比值被稱(chēng)作為壓電傳感器的聲靈敏度和磁靈敏度。最直接減小傳感器聲靈敏度的方法是增加傳感器外殼的厚度，絕大多數(shù)傳感器的這一指標(biāo)都能滿(mǎn)足通常的測(cè)量條件。為降低傳感器磁靈敏度最直接的措施是金屬零部件盡量采用無(wú)磁或弱磁的材料，另外雙層屏蔽殼結(jié)構(gòu)形式也能較好地減小傳感器的磁靈敏度。

附加質(zhì)量：

在振動(dòng)結(jié)構(gòu)上安裝的加速度計(jì)的質(zhì)量只要小于結(jié)構(gòu)自身質(zhì)量的1/10即可，認(rèn)為對(duì)被測(cè)信號(hào)無(wú)大影響。

配套儀器

壓電類(lèi)加速度計(jì)如是電荷輸出，可與任何一種高阻輸入的電荷放大器或具有電荷前置功能的采集器相配，電荷放大器種類(lèi)較多，有單臺(tái)、多路、積分、準(zhǔn)靜態(tài)，這都要根據(jù)測(cè)量要求進(jìn)行選擇。

也有特例，如直接將壓電傳感器的輸出信號(hào)接入具有一定高阻性能的三次儀表（如示波器），同樣可測(cè)得信號(hào)，但因阻抗匹配不夠，只能是定性了解動(dòng)態(tài)狀況。

ICP型內(nèi)置式加速度計(jì)專(zhuān)門(mén)有恒流適配器，一臺(tái)儀器可供多只加速度計(jì)的恒流供電及信號(hào)輸出。部分?jǐn)?shù)據(jù)采集儀器也自帶恒流功能，可直接與ICP傳感器配用。

普通電荷輸出型傳感器如與具有恒流輸出的數(shù)據(jù)采集器配套，可采用JM3861恒流適調(diào)器。

雙電源加速度計(jì)可由采集器提供雙電源或用雙路直流穩(wěn)壓電源供電。

 加速度傳感器的安裝

用加速度計(jì)進(jìn)行測(cè)量，為使數(shù)據(jù)準(zhǔn)確和使用方便，可使用多種方法安裝，這有幾種，供大家選擇應(yīng)用。

1. 螺釘安裝

使用螺釘安裝，它的使用頻率響應(yīng)可近似原標(biāo)定的頻率響應(yīng)，且稱(chēng)剛性安裝。螺釘安裝是在允許打孔的被測(cè)物上沿振源軸線(xiàn)方向打孔攻絲。

2. 粘接安裝

在被測(cè)物體不允許鉆孔時(shí)，可使用各種粘接劑，如“502”、環(huán)氧樹(shù)脂膠、雙面粘膠帶、橡皮泥。應(yīng)注意，前二種方法的使用頻率接近剛性安裝方法，后兩種一般用于低頻現(xiàn)場(chǎng)，且會(huì)使被測(cè)頻率大大降低。粘接方法不適合沖擊測(cè)量。

3. 磁座

磁座的優(yōu)點(diǎn)是不破壞被測(cè)物體，移動(dòng)方便。但是應(yīng)考慮用磁座測(cè)試會(huì)使加速度計(jì)的使用頻率響應(yīng)有所下降（磁座在使用時(shí)要將短于路片拆卸掉?。?，可能低于三分之一。使用時(shí)應(yīng)先在被測(cè)物上安裝磁座，再擰上傳感器，或者將二者輕輕吸附于被測(cè)物上。沖擊狀態(tài)會(huì)使傳感器產(chǎn)生電荷積累，影響測(cè)試精度。

4. 云母片/四氟膜

云母片安裝有兩個(gè)作用，隔熱、絕緣。對(duì)高溫狀態(tài)試件，可用厚度《0.1毫米的云母片墊置，其加速度計(jì)頻率響應(yīng)會(huì)略有降低。對(duì)試件與加速度計(jì)間的絕緣，云母與四氟是最佳材料。

5. 三向傳感器安裝

為螺絲穿過(guò)通孔安裝，側(cè)端螺紋供檢測(cè)或測(cè)試用。

隨著智能手機(jī)等消費(fèi)類(lèi)電子的普及，要求設(shè)備具備更高的功能和可設(shè)計(jì)性，在這種情況下，對(duì)組件的高度集成化和小型化低功耗的需求強(qiáng)勁。小型封裝的3軸加速度傳感器和3軸陀螺儀的復(fù)合傳感器的漸漸出現(xiàn)，不但具有以上小型封裝陀螺儀的各種特點(diǎn)和功能，同時(shí)還擁有業(yè)界領(lǐng)先的低耗電量，僅為4mA。他們適應(yīng)了智能手機(jī)、平板電腦、游戲機(jī)、遙控器及其他小型智能設(shè)備，以及迎接人工智能時(shí)代的到來(lái)。