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- 如何選擇合適的加速度傳感器
- 來(lái)源：賽斯維傳感器網(wǎng) 發(fā)表于 2012/3/12
對(duì)于多數(shù)工程應(yīng)用來(lái)說(shuō)，選擇合適的測(cè)試工具將對(duì)測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生很大的影響。本文將幫助讀者正確的選擇加速度傳感器。讓我們從傳感器的分類和原理開始。
基本的加速度傳感器類型
總的來(lái)說(shuō)有兩類加速度傳感器:交流響應(yīng)加速度傳感器 直流響應(yīng)加速度傳感器
作為交流響應(yīng)的加速度傳感器，正如它的名稱，它的輸出是交流耦合的。此類傳感器不能用來(lái)測(cè)試靜態(tài)的加速度，比如重力加速度和離心加速度。他們僅適合測(cè)量動(dòng)態(tài)事件。而直流響應(yīng)的加速度傳感器，具有直流耦合輸出，能夠響應(yīng)低至0赫茲的加速度信號(hào)。因此直流響應(yīng)的加速度傳感器適合同時(shí)測(cè)試靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的加速度。并不是只有需要測(cè)試靜態(tài)加速度時(shí)才選擇直流響應(yīng)的加速度傳感器。
加速度，速度，位移
許多對(duì)于振動(dòng)的研究需要獲取加速度，速度和位移的信息，這些是工程師們?cè)O(shè)計(jì)和驗(yàn)證結(jié)構(gòu)時(shí)所需要的重要信息 。一般說(shuō)來(lái)，加速度提供了很好的參考，而速度和位移卻是計(jì)算時(shí)所需的變量。為了從加速度計(jì)算出速度和位移，從傳感器輸出的加速度信號(hào)會(huì)通過(guò)數(shù)字或模擬的形式分別做一次和二次積分。這就可能導(dǎo)致了交流耦合的傳感器會(huì)產(chǎn)生問(wèn)題。為了演示這個(gè)問(wèn)題，設(shè)想采用交流傳感器測(cè)量一個(gè)寬脈沖半正弦波信號(hào)。由于固有的交流RC時(shí)間常數(shù)的限制，傳感器的輸出不能很好跟輸入脈沖吻合。同樣的原因，在脈沖的結(jié)束點(diǎn)，傳感器輸出將產(chǎn)生一個(gè)負(fù)向零點(diǎn)偏移。下圖展示了傳感器的輸出（紅色的曲線）和寬脈沖半正弦加速度輸入（藍(lán)色曲線）的關(guān)系。
這個(gè)看似微小的幅度上的差異在積分之后將產(chǎn)生重大的誤差1。直流響應(yīng)的加速度傳感器卻沒(méi)有這樣的問(wèn)題，因?yàn)槠漭敵瞿軌驕?zhǔn)確的跟隨緩慢變化的輸入。 在實(shí)際的日常應(yīng)用中，輸入信號(hào)可能不是單純的半正弦脈沖，但是用交流耦合的傳感器測(cè)試任何緩慢變化的信號(hào)時(shí)這樣的問(wèn)題始終會(huì)存在。
現(xiàn)在我們看看各種常用的加速度傳感器技術(shù)。
交流響應(yīng)加速度傳感器
最常用的交流響應(yīng)加速度傳感器是采用壓電元件作為其敏感單元的。當(dāng)有加速度輸入時(shí)，傳感器中的檢測(cè)質(zhì)量塊“移動(dòng)”使壓電元件產(chǎn)生正比于輸入加速度的電荷信號(hào)。從電學(xué)角看，壓電元件如同一個(gè)有源的電容器，其內(nèi)阻在10x9 歐姆級(jí)別。由內(nèi)阻和電容決定了RC時(shí)間常數(shù)，這也決定了傳感器的高頻通過(guò)特性。由于這個(gè)原因，壓電加速度傳感器不能用于測(cè)量靜態(tài)事件。壓電元件可來(lái)自于自然界或人造。它們有不同的信號(hào)轉(zhuǎn)換效率和線性。市場(chǎng)上有兩類壓電加速度傳感器－電荷輸出型，電壓輸出型。
電荷輸出型加速度傳感器
主要的壓電加速度傳感器采用鋯鈦酸鹽陶瓷，具有很寬的工作溫度范圍，寬的動(dòng)態(tài)量程，寬的頻率范圍（可用頻率 >10kHz）。電荷輸出型加速度傳感器把壓電陶瓷封裝在具有氣密性的金屬外殼中。由于具有抵抗嚴(yán)酷環(huán)境的能力，其具有非常好的耐久性。由于其具有很高的阻抗，該傳感器需要配合電荷放大器和低噪聲屏蔽電纜使用，最好是同軸電纜。低噪聲電纜是指其具有低的摩擦電噪聲2，這是一種運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的來(lái)自電纜本身的噪聲。很多傳感器廠家同時(shí)提供這種低噪聲電纜。電荷放大器和電荷輸出型加速度傳感器連接，從而可以消除電纜電容和傳感器電容并聯(lián)帶來(lái)的影響。配合先進(jìn)的電荷放大器，電荷輸出型加速度傳感器很容易實(shí)現(xiàn)寬的動(dòng)態(tài)響應(yīng)（>120dB）。由于壓電陶瓷的工作溫度范圍很寬，有些傳感器可以用于-200°C 到 +400°C，甚至更寬溫度的環(huán)境。它們特別適合極限溫度下的振動(dòng)測(cè)試，如渦輪引擎的監(jiān)測(cè)。
電壓輸出型加速度傳感器
另一種壓電加速度傳感器輸出電壓信號(hào)而不是電荷信號(hào)。這種傳感器的內(nèi)部包含了電荷放大器。電壓模式的傳感器有3線式（信號(hào)，地，電源）和2線式（信號(hào)/電源，地）。2線式又被稱為集成電路式壓電傳感器（IEPE）。由于可以方便的采用同軸線（2線，芯線和屏蔽線）連接， IEPE非常流行。該模式下，交流信號(hào)疊加在直流電源上。在輸出端串聯(lián)一個(gè)耦合電容能夠去掉傳感器的直流偏置電壓，從而僅獲得傳感器信號(hào)輸出。許多現(xiàn)代儀器提供IEPE/ICP3輸入接口，從而可以和IEPE傳感器直接連接。如果IEPE供電接口不可用，需要一個(gè)帶有恒流源的信號(hào)放大器和IEPE傳感器一期使用。3線式傳感器則需要一根單獨(dú)的直流電源線供電。
與電荷輸出型加速度傳感器不同的是，除了壓電陶瓷元件，電壓輸出型加速度傳感器包含一個(gè)微型電路，電路的工作溫度范圍限制了傳感器的整體工作溫度范圍，通常不超過(guò)125°C。也有一些設(shè)計(jì)提高到了175°C， 但其在其它性能方面會(huì)有所下降。
可用動(dòng)態(tài)范圍－由于壓電陶瓷元件具有極寬的動(dòng)態(tài)范圍，電荷輸出型加速度傳感器在量程定義上顯得十分靈活，因?yàn)槠錆M量程可以通過(guò)遠(yuǎn)程的電荷放大器由用戶自由調(diào)節(jié)。而電壓輸出型加速度傳感器具有既定的滿量程，其決定于內(nèi)部的電荷放大器，一旦由工廠生產(chǎn)出來(lái)，將不再能改變。
壓電加速度傳感器可以制成很小的封裝，因此適合做輕結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)測(cè)試。
直流響應(yīng)加速度傳感器
兩種技術(shù)經(jīng)常被用來(lái)制作直流響應(yīng)加速度傳感器：電容型 壓阻型
電容型
電容型（隨加速度變化，由檢測(cè)質(zhì)量塊引起電容變化）加速度傳感器在當(dāng)今是最通用的。在某些領(lǐng)域無(wú)可替代，如安全氣囊，手機(jī)移動(dòng)設(shè)備等。高的產(chǎn)量使得該類傳感器成本低廉。但是這種低成本的傳感器受制于較低的信噪比，有限的動(dòng)態(tài)范圍。所有的電容型加速度傳感器都具有內(nèi)部時(shí)鐘，該時(shí)鐘(~500kHz)是檢測(cè)電路必不可少的部分，由于泄漏經(jīng)常會(huì)對(duì)輸出信號(hào)產(chǎn)生干擾。這種噪聲的頻率遠(yuǎn)高于測(cè)量信號(hào)的頻率，一般不會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果造成影響，但是它始終和測(cè)試信號(hào)疊加在一起。由于內(nèi)置了放大器芯片，其一般具有3線（或4線差分輸出）接口。只要有直流供電便能工作。
電容型加速度傳感器的工作帶寬一般限制在幾百Hz，部分原因是其具有大的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和重的空氣阻尼。電容型加速度傳感器適合測(cè)量低量程的加速度，其上限一般在100g以內(nèi)。除了這些限制，現(xiàn)代的電容型加速度傳感器，特別是儀用級(jí)別的器件，具有很好的線性和高的穩(wěn)定性。
電容型加速度傳感器通常適合板載測(cè)試，成本低是一個(gè)原因。對(duì)于低頻運(yùn)動(dòng)測(cè)試，加速度一般也低，它們是一個(gè)理想的選擇。例如土木工程中的振動(dòng)測(cè)試。
壓阻型
壓阻型加速度傳感器是另一種廣泛應(yīng)用的直流響應(yīng)加速度傳感器。不同于電容型加速度傳感器通過(guò)電容的變化測(cè)量加速度，壓阻型加速度傳感器通過(guò)應(yīng)變電阻值的變化輸出加速度信號(hào)，應(yīng)變電阻是傳感器慣性感應(yīng)系統(tǒng)的一部分。很多工程師熟悉應(yīng)變片，并知道如何測(cè)量其輸出。大多數(shù)的壓阻型傳感器對(duì)溫度變化敏感，因而需要對(duì)其輸出信號(hào)在傳感器內(nèi)部或外部做溫度補(bǔ)償�，F(xiàn)代壓阻型加速度傳感器包含一個(gè)專用集成電路做在板信號(hào)處理，也包含溫度補(bǔ)償。
壓阻型加速度傳感器的工作頻率可達(dá)5000Hz。許多壓阻型加速度傳感器要么采用空氣阻尼（MEMS型），要么采用液體阻尼（粘貼應(yīng)變片型）。阻尼特性是選擇傳感器的一個(gè)重要因素。某些應(yīng)用下，輸入的機(jī)械振動(dòng)包含高頻成份（或激發(fā)高頻響應(yīng)），帶阻尼的傳感器可以防止本身產(chǎn)生振鈴（諧振），從而保留或增大了可用動(dòng)態(tài)范圍。由于壓阻型加速度傳感器的輸出是差分的純電阻信息，信噪比通常很好；其動(dòng)態(tài)范圍僅受限于后接直流放大器的品質(zhì)。對(duì)于高加速度沖擊測(cè)試，某些壓阻型加速度傳感器能夠測(cè)量到超出10000g的加速度。
由于具有寬的頻率響應(yīng)能力。壓阻型加速度傳感器適合做脈沖、碰撞測(cè)試，在這些測(cè)試中頻率和加速度通常都很高。作為具有直流響應(yīng)能力的傳感器，通過(guò)其加速度輸出，使用者可以得到無(wú)積分誤差的速度和位移信息。壓阻型加速度傳感器通常應(yīng)用于汽車安全測(cè)試，武器測(cè)試，地震測(cè)試等。
小結(jié)
每種加速度傳感器技術(shù)都有其優(yōu)缺點(diǎn)。在作出選擇之前，明確它們的區(qū)別和測(cè)試需求是非常重要的。首先也是最重要的是，對(duì)于需要測(cè)量靜態(tài)加速度或低頻加速度（<1Hz）的應(yīng)用，或者需要用加速度計(jì)算速度和位移的應(yīng)用，需要選擇具有直流響應(yīng)的加速度傳感器。直流和交流響應(yīng)的加速度傳感器都可以測(cè)量動(dòng)態(tài)信號(hào)。當(dāng)僅需要測(cè)量動(dòng)態(tài)信號(hào)時(shí)，使用者可以各取所好。有些使用者不喜歡處理直流響應(yīng)加速度傳感器的零點(diǎn)偏置，而更加喜歡交流耦合、單端輸出的壓電加速度傳感器。而另一些使用者不在乎處理零點(diǎn)偏置，習(xí)慣3線或4線接口，喜歡負(fù)載電阻自檢測(cè)試（shunt），和重力加速度自檢測(cè)試（2g 翻轉(zhuǎn)）功能。他們會(huì)選擇直流響應(yīng)加速度傳感器。
總的來(lái)說(shuō)：電荷輸出模式的壓電加速度傳感器是最耐久的一種設(shè)計(jì)，這主要由于它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，材料堅(jiān)固可靠。對(duì)于高溫(>125°C)動(dòng)態(tài)測(cè)試，電荷輸出模式的壓電加速度傳感器是毫無(wú)疑問(wèn)的選擇，也是唯一的選擇。對(duì)于電荷輸出模式的壓電加速度傳感器，配備低噪聲同軸電纜和電荷放大器（或在線電荷轉(zhuǎn)換器）是必須的。
電壓輸出型壓電加速度傳感器是最常用于動(dòng)態(tài)測(cè)試的。其具有小的尺寸，寬的帶寬，內(nèi)置電荷放大器使得其與現(xiàn)有儀器或數(shù)據(jù)采集器（具有IEPE/ICP接口）可以直接連接。電壓輸出型壓電加速度傳感器一般用于125°C以下的應(yīng)用，但是由于其輸出阻抗低，不需要使用低噪聲同軸電纜。
電容型加速度傳感器通常設(shè)計(jì)成零界阻尼或過(guò)阻尼狀態(tài)，適合做低頻測(cè)試。其低成本，SMD封裝的器件適合汽車、消費(fèi)品等大批量的應(yīng)用，這些應(yīng)用對(duì)精度的要求往往不高。價(jià)格更昂貴的儀用級(jí)別的MEMS結(jié)構(gòu)電容型加速度傳感器具有良好的零點(diǎn)穩(wěn)定性和較低的噪聲。電容型加速度傳感器一般都具有低的輸出阻抗，2～5V的輸出擺幅，需要穩(wěn)定的直流電壓供電。
壓阻型加速度傳感器種類很多，具有不同的頻率響應(yīng)范圍和動(dòng)態(tài)范圍。作為具有直流響應(yīng)的傳感器，它們能夠測(cè)試靜態(tài)加速度，進(jìn)而準(zhǔn)確的計(jì)算速度和位移。壓阻型加速度傳感器的頻率響應(yīng)帶寬足夠做大部分的動(dòng)態(tài)測(cè)試。它們的阻尼可以設(shè)計(jì)成不同值（ =0.1～0.8），這使得它們適應(yīng)不同的測(cè)試條件，包括沖擊測(cè)試。純壓阻型加速度傳感器（不包含信號(hào)調(diào)理電路）可以制作得很小很輕，具有中等輸出阻抗(<5000)和100 ～ 200 mV的滿量程輸出。而帶放大的壓阻型加速度傳感器（內(nèi)置信號(hào)調(diào)理芯片）具有較低的輸出阻抗(<100)和2～5V的滿量程輸出。
注釋及參考文獻(xiàn)
A. G. Piersol, T.L. Paez, Harris’ Shock and Vibration Handbook 6th Ed., p.10.9, McGraw-Hill, 2010
A. G. Piersol, T.L. Paez, Harris’ Shock and Vibration Handbook 6th Ed., p.15.19, McGraw-Hill, 2010
ICP 是PCB公司經(jīng)注冊(cè)的商標(biāo). 市場(chǎng)上有很多不同公司關(guān)于此類傳感器的商標(biāo).
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