加速度傳感器的選型要求和安裝方法

加速度傳感器為滿足使用中的工況環(huán)境和量程、精度等需求，要做正確的選型，我們來了解一下加速度傳感器有哪些技術(shù)要求。

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)被測振動量（加速度值）大小而定，但由于壓電加速度傳感器是測量振動的加速度值，而在相同的位移幅值條件下加速度值與信號的頻率平方成正比，所以不同頻段的加速度信號大小相差甚大。

大型結(jié)構(gòu)的低頻振動其振動量的加速度值可能會相當(dāng)小，例如當(dāng)振動位移為 1mm, 頻率為1 Hz 的信號其加速度值僅為0.04m/s2(0.004g)；然而對高頻振動當(dāng)位移為0.1mm，頻率為10 kHz的信號其加速度值可達(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量量程范圍，但對用于測量高低兩端頻率的振動信號，選擇加速度傳感器靈敏度時應(yīng)對信號有充分的估計(jì)。

最常用的振動測量壓電式加速度計(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量量程范圍是指傳感器在一定的非線性誤差范圍內(nèi)所能測量的最大測量值。通用型壓電加速度傳感器的非線性誤差大多為1%。作為一般原則，靈敏度越高其測量范圍越小，反之靈敏度越小則測量范圍越大。

IEPE電壓輸出型壓電加速度傳感器的測量范圍是由在線性誤差范圍內(nèi)所允許的最大輸出信號電壓所決定。而電荷輸出型測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)間非線性制約的最大信號輸出要比IEPE型傳感器的量程大得多，其值大多需通過實(shí)驗(yàn)來確定。

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較小。同時因質(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，結(jié)果使諧振波疊加在被測信號上造成信號失真輸出。因此在最大測量范圍選擇時，也要考慮被測信號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。同時在量程上應(yīng)有足夠的安全空間以保證信號不產(chǎn)生失真。

測量頻率范圍

傳感器的頻率測量范圍是指傳感器在規(guī)定的頻率響應(yīng)幅值誤差內(nèi)（±5%, ±10%, ±3dB）傳感器所能測量的頻率范圍。頻率范圍的高，低限分別稱為高，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，反之用于低頻測量的高靈敏度傳感器相對來說則一定體積大和重量重。

選擇加速度計(jì)的頻率應(yīng)高于被測物的振動頻率，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的方式及安裝形式，有壓縮和剪切兩大類，常見的有中心壓縮、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量速度、位移時，最好選用剪切型產(chǎn)品，這樣所得信號波動小，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對應(yīng)0g的加速度，2.6V對應(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。

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時鐘單元用來處理PWM信號，同時對處理器也是一個不小的負(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)及單電源(二線并帶偏置的稱ICP)兩種，下面所指內(nèi)裝電路專指ICP型。

目前，內(nèi)置電路傳感器在國內(nèi)使用較多的方面是用于機(jī)械故障、樁基檢測，不少在線監(jiān)測項(xiàng)目上也在使用該類產(chǎn)品。

ICP傳感器的芯線作供電并又是信號輸出通道。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50g以內(nèi)振動，因?yàn)樵搨鞲衅鲃討B(tài)范圍±5Vp，如測量100g，則用50mV/g的加速度計(jì)，其余以此類推。

內(nèi)置電路的優(yōu)勢是低價位，抗干擾好，可長線使用，但它的耐高溫、可靠性不如電荷輸出產(chǎn)品，且動態(tài)范圍也因輸出電壓和偏置電壓的作用而受到限制。

測量軸數(shù)量

對于多數(shù)項(xiàng)目來說，兩軸的加速度傳感器已經(jīng)能滿足多數(shù)應(yīng)用了。對于某些特殊的應(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，通過校正后期精度要高于雙軸加速度傳感器大于測量角度為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)，可以測量空間加速度，能夠全面準(zhǔn)確反映物體的運(yùn)動性質(zhì)，在航空航天、機(jī)器人、汽車和醫(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

某些測試現(xiàn)場的環(huán)境較為惡劣，考慮的因素較多，如防水、高溫、安裝位置、強(qiáng)磁電場及地回路等，均會給測量帶來極大的影響。

防水：

防水有兩個概念，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的振動監(jiān)測，水深近百米，它涉及地回路干擾、高壓滲水、導(dǎo)線防護(hù)、長期可靠性等諸多問題。

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性變化，一般說低溫時的輸出變化比高溫時的要大。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)對信號輸出的影響。瞬態(tài)溫度變化對傳感器輸出的影響主要表現(xiàn)在低頻測量中。

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，高溫時靈敏度偏差較大，特殊用戶應(yīng)向廠商索取專用的高溫時的靈敏度指標(biāo)，靈敏度指標(biāo)是保證測試準(zhǔn)確的關(guān)鍵。

位置限制：

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

絕緣、地回路及磁電場輻射：

為了克服多點(diǎn)接地產(chǎn)生地回路電流影響測試，可以選用浮地或絕緣傳感器。沒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，要采取三線方式。

聲波和磁場對傳感器的作用而引起的信號輸出的大小與傳感器靈敏度的比值被稱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)都能滿足通常的測量條件。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)為對被測信號無大影響。

配套儀器

壓電類加速度計(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，電荷放大器種類較多，有單臺、多路、積分、準(zhǔn)靜態(tài)，這都要根據(jù)測量要求進(jìn)行選擇。

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

ICP型內(nèi)置式加速度計(jì)專門有恒流適配器，一臺儀器可供多只加速度計(jì)的恒流供電及信號輸出。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)，且稱剛性安裝。螺釘安裝是在允許打孔的被測物上沿振源軸線方向打孔攻絲。

2. 粘接安裝

在被測物體不允許鉆孔時，可使用各種粘接劑，如“502”、環(huán)氧樹脂膠、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，且會使被測頻率大大降低。粘接方法不適合沖擊測量。

3. 磁座

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

4. 云母片/四氟膜

云母片安裝有兩個作用，隔熱、絕緣。對高溫狀態(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)會略有降低。對試件與加速度計(jì)間的絕緣，云母與四氟是最佳材料。

5. 三向傳感器安裝

為螺絲穿過通孔安裝，側(cè)端螺紋供檢測或測試用。

加速度傳感器排障處理

加速度傳感器在運(yùn)行過程中的常見故障和排除的方法，我們用下面這張表羅列：

隨著智能手機(jī)等消費(fèi)類電子的普及，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代的到來。

審核編輯：湯梓紅