1、如何選擇合適的加速度計(jì)傳感器技術(shù)選擇 選擇傳感器的第一步就是確定你要做什么種類的測(cè)試測(cè)量。確定測(cè)量種類是傳感器技術(shù)選擇 的第一步。在加速度測(cè)試測(cè)量領(lǐng)域有三種被廣泛使用的技術(shù)。壓電式加速度計(jì)是在測(cè)試測(cè)量領(lǐng)域最被廣泛使用的加速度計(jì)。這種壓電式加速度計(jì)提供了非 常寬的測(cè)量頻率范圍（幾HZ到30KHZ）以及非常多的靈敏度，重量，大小及形狀選擇范圍。壓電加速度計(jì)可以考慮使用在沖擊及振動(dòng)的測(cè)量。壓電加速度計(jì)可以以電荷輸出或電壓輸出 本文后面會(huì)有介紹。壓阻加速度計(jì)的靈敏度通常比較小，因此非常適合沖擊測(cè)量。他們同樣也被廣泛使用在汽車 碰撞測(cè)試。因?yàn)樗麄兊牡挽`敏度，他們很少用來進(jìn)行振動(dòng)的測(cè)量。壓阻傳感器通常具有

2、很寬 的頻帶以及頻率響應(yīng)可以低到零HZ （經(jīng)常叫DC響應(yīng)）或到穩(wěn)定狀態(tài)，所以他們可以用來測(cè) 量長時(shí)間的瞬變現(xiàn)象。變電容傳感器是傳感器中的比較新的技術(shù)。向壓阻加速度計(jì)一樣，他們也是DC響應(yīng)。變電 容傳感器的靈敏度比較高，頻帶比較窄以及出色的溫度穩(wěn)定性。變電容加速度計(jì)非常適用于 低頻振動(dòng)，運(yùn)動(dòng)以及穩(wěn)態(tài)加速度。測(cè)試測(cè)量類型 在本節(jié)中將會(huì)講述一些基本的測(cè)試測(cè)量類型，然后在本文后面會(huì)有詳細(xì)的介紹。在本文中， 加速度測(cè)試測(cè)量被分成以下幾種類型：振動(dòng)：一個(gè)物體以某一平衡點(diǎn)為基準(zhǔn)做震蕩運(yùn)動(dòng)就被認(rèn)為是振動(dòng)。振動(dòng)通常在運(yùn)輸工具及航 天航空的環(huán)境下可以找到或被一個(gè)振動(dòng)器系統(tǒng)激勵(lì)的運(yùn)動(dòng)。沖擊：對(duì)物體的一個(gè)突然的瞬態(tài)激

3、勵(lì)，它通常會(huì)激起物體的共振。 運(yùn)動(dòng)：本文中運(yùn)動(dòng)被定義為慢速移動(dòng)時(shí)間，比如機(jī)械手的移動(dòng)或汽車懸浮測(cè)量。 地震：這個(gè)也是運(yùn)動(dòng)或說是低頻振動(dòng)。這種測(cè)試測(cè)量通常需要特別的低噪-高分辨率加速度 計(jì)。當(dāng)測(cè)試測(cè)量類型確定后，讀者可以直接去你需要的測(cè)試測(cè)量類型章節(jié)瀏覽，或?yàn)g覽其他 不同的測(cè)試測(cè)量類型。總則 在進(jìn)入各種加速度計(jì)技術(shù)及應(yīng)用之前，先瀏覽一下這里的一些總體上的考慮因素。在選擇加 速度計(jì)時(shí)，頻率響應(yīng)是一個(gè)非常關(guān)鍵的參數(shù)。這個(gè)參數(shù)通常定為參考頻率（通常100HZ ）的5%偏差的頻率范圍。很多加速度計(jì)把參數(shù)規(guī)格延伸到土 1dB或有些情況到土3dB. 大部分技術(shù)規(guī)格書會(huì)有一個(gè)典型的頻率響應(yīng)曲線來更好地幫助用戶

4、。頻率范圍通常由測(cè)試的 要求來確定或由用戶來決定。另外一個(gè)需要考慮的參數(shù)就是有多少軸需要測(cè)量。加速度計(jì)有 單軸和三軸可供選擇。另外一種達(dá)到測(cè)試三軸的方法就是把三個(gè)單軸加速度計(jì)安裝到三軸安 裝塊。兩種方法都可以實(shí)現(xiàn)同時(shí)進(jìn)行三個(gè)正交方向的測(cè)量。圖1 一種微型三軸向加速度計(jì)（同時(shí)測(cè)量三個(gè)正交方向振動(dòng)）振動(dòng)由于壓電加速度計(jì)具有很寬的頻率響應(yīng)，很好的靈敏度及分辨率以及容易的安裝這些優(yōu)勢(shì) 它們是大部分振動(dòng)測(cè)試測(cè)量的首選目標(biāo)。壓電加速度計(jì)有兩種類型，一種是基本的電荷輸出 模式的加速度計(jì)，另外一種是帶集成電路的電壓輸出模式的加速度計(jì)。IEPE 壓電加速度計(jì)最近幾年,EPE加速度計(jì)是最常用的加速度計(jì)種類IEPE

5、傳感器在市場上有不同的商標(biāo)名稱, 但是本質(zhì)上都遵循一個(gè)偽工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)各種名字的IEPE傳感器可以互換。原理上來講,IEPE 加速度計(jì)就是一個(gè)內(nèi)部集成電荷放大器的加速度計(jì)。他們不需要外部的電荷放大器,而且可 以使用普通的低成本導(dǎo)線。這類加速度計(jì)需要一個(gè)穩(wěn)流電源，很多數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)內(nèi)部帶有這 種電源。如果用戶知道振動(dòng)范圍以及工作溫度范圍在-55 C125 C之間，那么就可以考慮 IEPE加速度計(jì)。某些IEPE的高溫型應(yīng)用傳感器工作溫度可以達(dá)到175 Co 電荷輸出模式壓電加速度計(jì)電荷模式壓電加速度計(jì)的優(yōu)勢(shì)在于很高的工作溫度范圍以及相當(dāng)寬的幅值范圍。一個(gè)典型的 電荷模式壓電加速度計(jì)的工作溫度范圍為-

6、55 C288 C. 特殊場合使用的加速度計(jì)工作溫 度可以低到-269 C，可高達(dá)760 C.抗輻射的電荷模式加速度計(jì)可以核環(huán)境使用。不像 IEPE加速度計(jì)，電荷模式加速度計(jì)需要使用低噪導(dǎo)線。和普通的同軸導(dǎo)線相比，低噪導(dǎo)向比 較貴。同樣，電荷模式加速度計(jì)還需要電荷放大器或在線電荷轉(zhuǎn)換器。電荷輸出模式壓電加速度計(jì)電荷模式壓電加速度計(jì)的優(yōu)勢(shì)在于很高的工作溫度范圍以及相當(dāng)寬的幅值范圍。一個(gè)典型的 電荷模式壓電加速度計(jì)的工作溫度范圍為-55 C288 C. 特殊場合使用的加速度計(jì)工作溫 度可以低到-269 C，可高達(dá)760 C.抗輻射的電荷模式加速度計(jì)可以核環(huán)境使用。不像 IEPE加速度計(jì)，電荷模式加

7、速度計(jì)需要使用低噪導(dǎo)線。和普通的同軸導(dǎo)線相比，低噪導(dǎo)向比 較貴。同樣，電荷模式加速度計(jì)還需要電荷放大器或在線電荷轉(zhuǎn)換器。圖2 4-40螺釘安裝變電容加速度計(jì)（也可選擇10-32螺釘安裝）沖擊兩種技術(shù)類型的加速度計(jì)可以適用于沖擊測(cè)量，各種各樣的加速度計(jì)可供選擇，取決于沖擊 水平及最終的數(shù)據(jù)要求。知道所要測(cè)量的沖擊水平非常重要，這個(gè)沖擊水平的不同將決定使 用哪種類型的加速度計(jì)。下面有一個(gè)簡單的指導(dǎo)幫助用戶選擇合適的加速度計(jì)。 低沖擊水平 500 g碰撞 2000 g遠(yuǎn)場500 g 1000 g （加速度計(jì)位于沖擊波源2米處）近場5000 g （加速度計(jì)與沖擊波源距離小于1米）對(duì)于低沖擊水平的測(cè)量，

8、通用的加速度計(jì)可以很好地完成這個(gè)工作。加速度計(jì)的線性范圍至 少達(dá)到500g同時(shí)耐沖擊水平也要到達(dá)500g.這類應(yīng)用首選IEPE加速度計(jì)，因?yàn)樗軐?dǎo)線運(yùn) 動(dòng)產(chǎn)生噪音的影響很小。用戶可以使用一個(gè)帶低通濾波的放大器來減弱加速度計(jì)共振的影響。 汽車碰撞測(cè)試時(shí)相當(dāng)特殊的沖擊測(cè)試領(lǐng)域。通常都使用壓阻加速度計(jì)。圖 3 用于汽車碰撞試驗(yàn)的壓阻加速度計(jì)沖擊對(duì)遠(yuǎn)場沖擊的測(cè)試測(cè)量，一種內(nèi)部帶電子濾波器的剪切模式加速度計(jì)就足夠應(yīng)付了。他們通 常是帶焊接接頭的輕巧性 IEPE 加速度計(jì)。電子濾波器可以通過電子的方式來減弱加速度計(jì) 的共振頻率以防止數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)過載。對(duì)于近場沖擊的測(cè)量，沖擊水平通常很高，有時(shí)高達(dá)20000

9、g。這里要根據(jù)測(cè)試的種類來選 擇加速度計(jì)。特制的壓電加速度計(jì)或壓阻加速度計(jì)比較適合這類應(yīng)用。通常，和遠(yuǎn)場測(cè)試的 加速度計(jì)類似特性的 IEPE 加速度計(jì)都比較合適，但是增加了一個(gè)額外的內(nèi)部機(jī)械濾波器。 這個(gè)機(jī)械濾波器保證加速度計(jì)的抗毀能力，通常也可以消除零點(diǎn)漂移。關(guān)于零點(diǎn)漂移的詳細(xì)討論超出本文的范疇。通常的術(shù)語來講，零點(diǎn)漂移現(xiàn)象就是發(fā)生沖擊后， 隨著時(shí)間的推移，加速度計(jì)沒有回到零加速度的水平位臵。零點(diǎn)漂移的后果就是在進(jìn)行積分 的時(shí)候會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)失真。如果選擇壓阻加速度計(jì)，零點(diǎn)漂移很小。和振動(dòng)測(cè)試一樣，頻率響應(yīng)同樣是沖擊測(cè)試的一個(gè)重要參數(shù)。通常來說，沖擊加速度計(jì)應(yīng)該 具備很寬的頻率響應(yīng)范圍（典型值1

10、0KHZ）,取決于進(jìn)行什么測(cè)試。圖4近場沖擊加速度計(jì)（內(nèi)置機(jī)械濾波器，帶有堅(jiān)固的1/4-26 安裝螺柱） 運(yùn)動(dòng)，恒加速及低頻振動(dòng)這類應(yīng)用應(yīng)該考慮變電容加速度計(jì)。這種技術(shù)的加速度計(jì)可以進(jìn)行低g值，低頻以及高水平 輸出的測(cè)試測(cè)量。它們通常在很寬的溫度范圍表現(xiàn)出非常高的穩(wěn)定性。當(dāng)一個(gè)變電容加速度計(jì)放在一個(gè)地方它的感應(yīng)軸與地球重力平行時(shí)，它就會(huì)產(chǎn)生 1g 的輸出。 這個(gè)現(xiàn)象通常也被稱為“直流響應(yīng)”。因?yàn)檫@個(gè)特性，變電容加速度計(jì)非常適合測(cè)量離心力 或像電梯這種設(shè)備的加速度及減速度。在振動(dòng)測(cè)試領(lǐng)域，變電容加速度計(jì)使用在低頻事件研 究，這種應(yīng)用相位數(shù)據(jù)的保留是非常重要的。變電容加速度計(jì)發(fā)現(xiàn)它們非常適合飛機(jī)顫

11、振測(cè)試。當(dāng)然它們也是汽車行駛舒適度測(cè)量的有用 工具。變電容加速度計(jì)的低頻特性使它們成為汽車、卡車以及軌道設(shè)備行駛舒適度測(cè)試的理想選擇 這些是低頻加速度計(jì)，因而寬頻頻率響應(yīng)不是它們的特性。環(huán)境一旦選擇好了傳感器技術(shù)類型，測(cè)試類型也確定了，這里還有大量的其它因素需要考慮。首 先要考慮的就是環(huán)境。環(huán)境因素包括了溫度，最大加速度水平及濕度。下面是一個(gè)數(shù)據(jù)表， 顯示了一些典型的溫度數(shù)值，幫助用戶選擇合適的加速度計(jì)。匸fl也堰也出論注n-L血卅甲一占附LSsWFft-電一詢申曲電慎船舉-1HV mr c菜城:出簾壓卜匕一Ti* iW朮玻咁辭I*：出一島辿刑-fifi.-C-黑C -(-環(huán)境由于 g 值范圍

12、這個(gè)參數(shù)在規(guī)格書上出現(xiàn)兩次，加速度計(jì)的新用戶它常常被混淆這個(gè)參數(shù)。加 速度計(jì)實(shí)際可用的g值范圍出現(xiàn)在動(dòng)態(tài)范圍的規(guī)格參數(shù)。比如，IEPE加速度計(jì)可能有個(gè)500g 的范圍，同時(shí)，在環(huán)境特性下有一項(xiàng)參數(shù)定義為1000g的振動(dòng)上限以及2000g的沖擊上限。 在上面的示例中，500g是它的最大線性工作范圍。而在環(huán)境特性下定義的是最大的耐沖擊g 值水平以及或正弦g值水平。對(duì)于電荷輸出模式的壓電傳感器，線性g值范圍沒有被定義在動(dòng)態(tài)特性一欄，是因?yàn)樗?動(dòng)態(tài)范圍大部分取決于電荷放大器。用戶應(yīng)該關(guān)注幅值線性度的規(guī)格，它出現(xiàn)在技術(shù)規(guī)格書 動(dòng)態(tài)特性這一欄。同上面講述的一樣，在環(huán)境特性定義的最大g值范圍是最大的耐沖

13、擊數(shù)值。 濕度規(guī)格通常表示為“氣密密封”，“樹脂密封”或是“環(huán)境密封”。大部分的這些密封可以 承受比較高的濕氣。如果加速度計(jì)使用在太空環(huán)境，水下或長時(shí)間浸泡在非常高濕度的環(huán)境， 那么推薦使用氣密密封的傳感器。請(qǐng)注意持續(xù)的溫度循環(huán)會(huì)導(dǎo)致樹脂密封失效。如果加速度 計(jì)是設(shè)計(jì)在核輻射環(huán)境下使用，那么技術(shù)規(guī)格書會(huì)指示。磁化率這個(gè)參數(shù)很少被定義，因?yàn)?對(duì)于現(xiàn)在的新的加速度計(jì)不是一個(gè)問題。非磁性的材料被使用在現(xiàn)在的加速度計(jì)來減少這個(gè) 問題。如果加速度計(jì)準(zhǔn)備安裝在高彈性表面，那么基座應(yīng)力規(guī)格就顯得特別重要。彈性表面 容易被彎曲，導(dǎo)致在加速度計(jì)基座的應(yīng)力。應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致加速度計(jì)產(chǎn)生輸出，像振動(dòng)產(chǎn)生的輸 出一樣。加速

14、度計(jì)重量 當(dāng)加速度計(jì)安裝測(cè)試物體，測(cè)試的加速度會(huì)產(chǎn)生改變。這個(gè)效果可以通過控制加速度計(jì)的重 量減少到一個(gè)不顯著的數(shù)量。經(jīng)驗(yàn)法則，加速度計(jì)的重量不能大于測(cè)試物體重量的10%。圖5 左圖為最常用的側(cè)端出線加速度計(jì)，重量為7.8克，適用于大型結(jié)構(gòu)件振動(dòng)測(cè)試；右圖 為微型加速度計(jì)，重量為0.5克，適用于小型結(jié)構(gòu)件和電路板振動(dòng)測(cè)試安裝這里有許多種安裝加速度計(jì)到被測(cè)物體的方法。所有安裝可分成永久安裝或臨時(shí)安裝。本文 將介紹最普遍的安裝方法。到目前為止，最好的安裝方法就是螺柱安裝或螺紋安裝。在高頻 時(shí)，由于螺柱或螺紋安裝本質(zhì)上和安裝表面融合在一起，因此他能夠提供最好的傳遞性。高 頻頻率響應(yīng)性能可以通過在加速

15、度計(jì)和被測(cè)物體之間加一層低粘度油脂來提高。如果想要使 用這種安裝方法，必須選擇帶有螺柱或螺紋安裝的加速度計(jì)。粘結(jié)劑安裝經(jīng)常被使用。特別 是使用在小測(cè)試面以及PC主板。超黏膠是首選的粘結(jié)劑，因?yàn)槭褂煤线m的清除技巧非常容 易清除這種粘接劑。用戶有很多種粘結(jié)劑安裝的選擇。許多加速度計(jì)被特別設(shè)計(jì)用粘結(jié)劑安 裝，通常在技術(shù)規(guī)格中會(huì)注明。螺柱安裝的加速度計(jì)可能也可以使用粘接劑安裝，但是需要 使用粘接劑-螺柱安裝座，防止粘結(jié)劑損壞加速度計(jì)的內(nèi)螺紋。地線隔離 加速度計(jì)可以提供地線隔離或地線連接到加速度計(jì)的外殼。地線隔離的加速度計(jì)通常有一個(gè) 隔離的安裝基座，如果適用的話，帶有隔離的安裝螺紋或在某些情況下，加速度

16、計(jì)的整個(gè)外 殼度都是和地線隔離。在測(cè)試物體具有導(dǎo)電性且?guī)в薪拥仉娢坏那闆r下，地線隔離變得非常 重要。電子設(shè)備與加速度計(jì)的接地電位有差異時(shí)會(huì)形成接地回路，導(dǎo)致錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)。 靈敏度和分辨率加速度計(jì)是一個(gè)傳遞器件，它把機(jī)械動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電子信號(hào)。輸出是用mV/g來表示的，或如 果是電荷輸出模式的加速度計(jì)輸出是用pC/g來表示的。加速度計(jì)可供選擇的靈敏度范圍很 寬，最優(yōu)化的靈敏度取決于被測(cè)的信號(hào)水平。比如，在艇值沖擊測(cè)試時(shí)，低靈敏度是比較 合適的。對(duì)于低信號(hào)水平，更愿意使用高靈敏度的加速度計(jì)，它能夠得到大大高于放大器噪 音水平的輸出信號(hào)。比如，假設(shè)預(yù)期的振動(dòng)水平為O.lg，同時(shí)加速度計(jì)的靈敏度為10mV/g， 那么信號(hào)的電壓水平為lmV，因而，高靈敏度的加速度計(jì)更加適合這種測(cè)試類型。假如某 些應(yīng)用測(cè)試信號(hào)