振動傳感器該如何選型

由于傳感器應用十分廣泛，類型多種多樣，在各行各業(yè)都有應用。因此，在這里主要介紹用于振動測試的振動傳感器的選型。按測量振動參量分類可分為三大類：位移傳感器、速度傳感器和加速度傳感器（也稱為加速度計）。一般來說，位移傳感器適用于低頻測量，速度傳感器適用于中頻測量，加速度傳感器適用于中高頻測量。由于加速度傳感器具有生產(chǎn)工藝成熟、頻響范圍寬、動態(tài)范圍大、安裝方便等特點，因而在振動測試中應用最廣。因此，在這里主要介紹加速度傳感器的選型。

本文主要內(nèi)容包括：

1. 傳感器分類；

2. 常見的加速計類型；

3. 選型指標；

4. 選型原則。

1. 傳感器分類

在這主要介紹兩種分類，一類是有源與無源，另一類是隔離與非隔離。

有源傳感器是指將傳感器將非電能量轉化為電能量輸出，只轉化能量本身，并不轉化能量信號的傳感器，也稱為能量轉換性傳感器或換能器。因而，這類傳感器工作時需要外部能量源激勵，如激勵電壓，才能正常工作。由于需要進行能量轉化，因而，傳感器內(nèi)部封裝了電子元器件，測量過程中會帶來噪聲。這類傳感器如ICP型（也稱為IEPE型）加速度度傳感器，零頻加速度傳感器等。

無源傳感器是指不需要使用外接電源就能正常工作的傳感器，且可以通過外部獲取到無限制的能源。這類傳感器對測量系統(tǒng)無噪聲影響，或者影響很小，如應變片（花）、壓電式傳感器等。

隔離傳感器是指傳感器與待測結構之間相隔離，電流不能在二者之間流通。隔離傳感器從電氣角度與被測結構相分離，如應變片（花）通常與被測結構是相隔離的。傳感器實現(xiàn)隔離的通常做法是在傳感器底部安裝了隔離器件，使電流不能流通，如圖1所示紅色器件即是隔離器件。

圖1 隔離傳感器示意圖

非隔離傳感器是指傳感器與被測結構之間無隔離，電流可以在二者之間進行流通。這類傳感器像熱電偶，某些加速度傳感器等。這類非隔離的傳感器通常要求采用浮地或隔離地線，以避免接地循環(huán)，關于接地循環(huán)，請閱讀《采樣過程中存在的誤差，您肯定不全知道！》。如果傳感器自身不隔離，用戶可以自行使用電氣隔離器件實現(xiàn)隔離，這類器件如云母片、玻璃片和環(huán)氧樹脂等。當對處于工作狀態(tài)下的待測結構進行測量時，推薦使用“隔離”傳感器。

2. 常見加速度計類型

振動測量一般使用加速度計，是因為加速度計具有以下優(yōu)點：生產(chǎn)工藝成熟、動態(tài)范圍大、頻率范圍寬、線性度好、穩(wěn)定性高、安裝方便等特點。常用于中小結構的模態(tài)試驗、汽車試驗、旋轉機械故障診斷試驗和振動控制試驗等。在這主要介紹兩種類型的加速度傳感器：壓電式和ICP型加速度傳感器。

壓電式加速度傳感器：是一種無源傳感器，屬于慣性式傳感器。利用壓電晶體，如石英晶體、壓電陶瓷等的“壓電效應”：在加速度計感受到振動時，質(zhì)量塊加在壓電元件上的力也隨之變化。壓電晶體受力變形后，其內(nèi)部會產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在它的兩個表面產(chǎn)生符號相反的電荷，當被測振動頻率遠低于加速度計的固有頻率（諧振頻率）時，則力的變化與被測加速度成正比。當外力去除后，又重新恢復到不帶電狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為“壓電效應”，具有“壓電效應”的晶體稱為壓電晶體。

壓電加速度計輸出為電荷類型，故需要與電荷放大器配合使用，然后信號再傳輸?shù)讲杉瘍x或者與內(nèi)置電荷調(diào)理的采集儀直接連接。電荷放大器以電容作負反饋，使用中基本不受電纜電容的影響，但會受到靜電場的影響。在電荷放大器中，通常用高質(zhì)量的元器件，輸入阻抗高，因而價格也比較貴，一般用的比較少。

ICP型加速度傳感器：由于壓電式傳感器的輸出電信號是微弱的電荷，而且傳感器本身有很大內(nèi)阻，故輸出能量甚微，這給后接電路帶來一定困難。為此，通常把傳感器信號先輸?shù)礁咻斎胱杩沟那爸?a href="http://ttokpm.com/tags/放大器/" target="_blank">放大器。經(jīng)過阻抗變換以后，電荷量轉換成電壓量，然后再輸出給后續(xù)的紀錄儀器。目前，制造廠家已有把壓電式加速度傳感器與前置放大器集成在一起的加速度傳感器，即：ICP型加速度傳感器，也稱IEPE加速度傳感器，不僅方便了使用，而且也大大降低了成本。

ICP型加速度傳感器由于內(nèi)置了專門的集成調(diào)理電路，因此，屬于有源傳感器。而該電路要正常工作需要恒流源供電。當今普遍使用的24位采集儀一般都自帶恒流功能，因而可直接與ICP型傳感器連接使用。

內(nèi)置集成電路的ICP型優(yōu)勢是低價位，抗干擾好，可長導線使用，但它的耐高溫、可靠性不如電荷輸出的壓電加速度傳感器，且動態(tài)范圍也因輸出電壓和偏置電壓的影響而受到限制。ICP型傳感器的低頻頻響主要受傳感器的放電時間常數(shù)影響，因此大多數(shù)信號適調(diào)器都采用交流耦合。關于交流與直流耦合，請閱讀《信號AC和DC的區(qū)別》一文。

3. 選型指標

每一種型號的加速度傳感器都有特別合適的應用場景，因此，測試時必須根據(jù)測試使用要求，選擇最合適的加速度傳感器。在選擇加速度計時，主要從傳感器性能、環(huán)境因素、電氣特性和物理特性四個方面去考慮。

性能包括靈敏度、量程、頻響特性、諧振頻率、橫向效應和線性度等指標。環(huán)境因素包括工作溫度、溫度響應和沖擊極限等。電氣特性包括激勵電壓與電流、穩(wěn)定時間等。物理特征包括敏感材料，結構設計、尺寸、重量和出線方式等。