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工控摘要：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(lèi)和原理開(kāi)始�；镜募铀俣葌鞲衅黝�(lèi)型。
總的來(lái)說(shuō)有兩類(lèi)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(lèi)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。
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(lèi)壓電加速度傳感器－電荷輸出型，電壓輸出型。
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)。
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(lèi)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。
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(zhuān)用集成電路做在板信號(hào)處理，也包含溫度補(bǔ)償。
總的來(lái)說(shuō)有兩類(lèi)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(lèi)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。
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(lèi)壓電加速度傳感器－電荷輸出型，電壓輸出型。
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)。
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(lèi)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。
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(zhuān)用集成電路做在板信號(hào)處理，也包含溫度補(bǔ)償。
