本文主要是關(guān)于加速度傳感器的相關(guān)介紹，并著重對加速度傳感器的工作原理及其選型技巧進(jìn)行了詳盡的闡述。
加速度傳感器
加速度傳感器是一種能夠測量加速度的傳感器。通常由質(zhì)量塊、阻尼器、彈性元件、敏感元件和適調(diào)電路等部分組成。傳感器在加速過程中，通過對質(zhì)量塊所受慣性力的測量，利用牛頓第二定律獲得加速度值。根據(jù)傳感器敏感元件的不同，常見的加速度傳感器包括電容式、電感式、應(yīng)變式、壓阻式、壓電式等。
加速度傳感器原理
線加速度計的原理是慣性原理，也就是力的平衡，A（加速度）=F（慣性力）/M（質(zhì)量） 我們只需要測量F就可以了。怎么測量F？用電磁力去平衡這個力就可以了。就可以得到 F對應(yīng)于電流的關(guān)系。只需要用實(shí)驗(yàn)去標(biāo)定這個比例系數(shù)就行了。當(dāng)然中間的信號傳輸、放大、濾波就是電路的事了。
多數(shù)加速度傳感器是根據(jù)壓電效應(yīng)的原理來工作的。
所謂的壓電效應(yīng)就是 “對于不存在對稱中心的異極晶體加在晶體上的外力除了使晶體發(fā)生形變以外，還將改變晶體的極化狀態(tài)，在晶體內(nèi)部建立電場，這種由于機(jī)械力作用使介質(zhì)發(fā)生極化的現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng) ”。
一般加速度傳感器就是利用了其內(nèi)部的由于加速度造成的晶體變形這個特性。由于這個變形會產(chǎn)生電壓，只要計算出產(chǎn)生電壓和所施加的加速度之間的關(guān)系，就可以將加速度轉(zhuǎn)化成電壓輸出。當(dāng)然，還有很多其它方法來制作加速度傳感器，比如壓阻技術(shù)，電容效應(yīng)，熱氣泡效應(yīng)，光效應(yīng)，但是其最基本的原理都是由于加速度產(chǎn)生某個介質(zhì)產(chǎn)生變形，通過測量其變形量并用相關(guān)電路轉(zhuǎn)化成電壓輸出。每種技術(shù)都有各自的機(jī)會和問題。
壓阻式加速度傳感器由于在汽車工業(yè)中的廣泛應(yīng)用而發(fā)展最快。由于安全性越來越成為汽車制造商的賣點(diǎn)，這種附加系統(tǒng)也越來越多。壓阻式加速度傳感器2000年的市場規(guī)模約為4.2億美元，根據(jù)有關(guān)調(diào)查，預(yù)計其市值將按年平均4.1%速度增長，至2007年達(dá)到5.6億美元。這其中，歐洲市場的速度最快，因?yàn)闅W洲是許多安全氣囊和汽車生產(chǎn)企業(yè)的所在地。
壓電技術(shù)主要在工業(yè)上用來防止機(jī)器故障，使用這種傳感器可以檢測機(jī)器潛在的故障以達(dá)到自保護(hù)，及避免對工人產(chǎn)生意外傷害，這種傳感器具有用戶，尤其是質(zhì)量行業(yè)的用戶所追求的可重復(fù)性、穩(wěn)定性和自生性。但是在許多新的應(yīng)用領(lǐng)域，很多用戶尚無使用這類傳感器的意識，銷售商冒險進(jìn)入這種尚待開發(fā)的市場會麻煩多多，因?yàn)榻K端用戶對由于使用這種傳感器而帶來的問題和解決方法都認(rèn)識不多。
如果這些問題能夠得到解決，將會促進(jìn)壓電傳感器得到更快的發(fā)展。2002年壓電傳感器市值為3億美元，預(yù)計其年增長率將達(dá)到4.9%，到2007年達(dá)到4.2億美元。
使用加速度傳感器有時會碰到低頻場合測量時輸出信號出現(xiàn)失真的情況，用多種測量判斷方法一時找不出故障出現(xiàn)的原因，經(jīng)過分析總結(jié)，導(dǎo)致測量結(jié)果失真的因素主要是：系統(tǒng)低頻響應(yīng)差，系統(tǒng)低頻信噪比差，外界環(huán)境對測量信號的影響。 所以，只要出現(xiàn)加速度傳感器低頻測量信號失真情況，對比以上三點(diǎn)看看是哪個因素造成的，有針對性的進(jìn)行解決。
加速度傳感器選型技巧
加速度計因其頻響寬、動態(tài)范圍大、可靠性高、使用方便，受到廣泛應(yīng)用。用戶作通用振動、沖擊測量時，主要關(guān)心的技術(shù)指標(biāo)為：靈敏度、頻率范圍，內(nèi)部結(jié)構(gòu)，現(xiàn)場環(huán)境和與后續(xù)儀器配置等。
1、靈敏度的選擇
揚(yáng)州晶明的產(chǎn)品介紹給出了參考量程范圍，目的是讓用戶在眾多不同靈敏度的加速度計中能方便地選出合適的產(chǎn)品，最小加速度測量值也稱最小分辨率，考慮到后級放大電路噪聲問題，應(yīng)盡量遠(yuǎn)離最小可用值，以確保最佳信噪比。最大測量極限要考慮加速度計自身的非線性影響和后續(xù)儀器的最大輸出電壓，估算方法：最大被測加速度×傳感器的電荷/電壓靈敏度，以上數(shù)值是否超過配套儀器的最大輸入電荷/電壓值，建議如已知被測加速度范圍可在傳感器指標(biāo)中的“參考量程范圍”中選擇（兼顧頻響、重量），同時，在頻響、重量允許的情況下，靈敏度可考慮高些，以提高后續(xù)儀器輸入信號，提高信噪比。
在兼顧頻響、重量的同時，可參照以下范圍選擇傳感器靈敏度：土木工程原型和超大型機(jī)械結(jié)構(gòu)的振動在0.1g～10g左右，可選3000pC/g～300pC/g的加速度計，機(jī)械設(shè)備的振動在10g～100g左右，可選擇20pC/g～200pC/g的加速度計，沖擊可選0.1pC/g～20pC/g左右的加速度計。
2、頻率選擇
生產(chǎn)廠給出的頻響曲線是用螺釘安裝的，一般將曲線分成二段：諧振頻率和使用頻率。使用頻率的給值是按靈敏度偏差給出，有±10%、±5%、±3dB。諧振頻率一般是避開不用，但也有特例，如軸承故障檢測。
選擇加速度計的頻率應(yīng)高于被測物的振動頻率，有倍頻分析要求的加速度計頻響應(yīng)更高。土木工程是低頻，加速度計可選擇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頻率，選擇0.5Hz～5kHz的加速度計。沖擊測量高頻居多。
加速度計的安裝方式不同也會改變使用頻響（對振動值影響不大），安裝面要平整、光潔，安裝選擇應(yīng)根據(jù)方便、安全的原則。這里給出同一只KD1005加速度計不同安裝方式的使用頻率：螺釘5kHz，環(huán)氧或“502”4kHz，磁吸盤1.5kHz，雙面膠0.5kHz，由此可見，安裝方式對測試頻響影響很大，應(yīng)注意選擇。
加速度計的重量、靈敏度與使用頻率成反比，靈敏度高，重量大，使用頻率低，這也是選擇的技巧。
3、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。
4、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，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。
5、環(huán)境影響
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。
高溫：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（帶長探針）。
絕緣、地回路及磁電場輻射：輻射較強(qiáng)的測試現(xiàn)場，應(yīng)選擇特殊外殼材料的加速度計和專用導(dǎo)線，此類研究國內(nèi)罕見。對于多點(diǎn)接地、潮濕等現(xiàn)場，要解決好測試干擾則可用浮地或絕緣型加速度計。
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。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。
附加質(zhì)量：在振動結(jié)構(gòu)上安裝的加速度計的質(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。
6、配套儀器
壓電類加速度計如是電荷輸出，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)置式加速度計專門有恒流適配器，一臺儀器可供多只加速度計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。
加速度傳感器的分類
壓電式
壓電式加速度傳感器又稱壓電加速度計。它也屬于慣性式傳感器。壓電式加速度傳感器的原理是利用壓電陶瓷或石英晶體的壓電效應(yīng)，在加速度計受振時，質(zhì)量塊加在壓電元件上的力也隨之變化。當(dāng)被測振動頻率遠(yuǎn)低于加速度計的固有頻率時，則力的變化與被測加速度成正比。
壓阻式
基于世界領(lǐng)先的MEMS硅微加工技術(shù)，壓阻式加速度傳感器具有體積小、低功耗等特點(diǎn)，易于集成在各種模擬和數(shù)字電路中，廣泛應(yīng)用于汽車碰撞實(shí)驗(yàn)、測試儀器、設(shè)備振動監(jiān)測等領(lǐng)域。
電容式
電容式加速度傳感器是基于電容原理的極距變化型的電容傳感器。電容式加速度傳感器/電容式加速度計是對比較通用的加速度傳感器。在某些領(lǐng)域無可替代，如安全氣囊，手機(jī)移動設(shè)備等。電容式加速度傳感器/電容式加速度計采用了微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）工藝，在大量生產(chǎn)時變得經(jīng)濟(jì)，從而保證了較低的成本。
伺服式
伺服式加速度傳感器是一種閉環(huán)測試系統(tǒng)，具有動態(tài)性 能好、動態(tài)范圍大和線性度好等特點(diǎn)。其工作原理，傳感器的振動系統(tǒng)由 “m-k”系統(tǒng)組成，與一般加速度計相同，但質(zhì)量m上還接著一個電磁線圈，當(dāng)基座上有 加速度輸入時，質(zhì)量塊偏離平衡位置，該位移大小由位移傳感器檢測出來，經(jīng)伺服放大器 放大后轉(zhuǎn)換為電流輸出，該電流流過電磁線圈，在永久磁鐵的磁場中產(chǎn)生電磁恢復(fù)力，力圖使質(zhì)量塊保持在儀表殼體中原來的平衡位置上，所以伺服加速度傳感器在閉環(huán)狀態(tài)下工作。
由于有反饋?zhàn)饔?，增?qiáng)了抗干擾的能力，提高測量精度，擴(kuò)大了測量范圍，伺服加速度測量技術(shù)廣泛地應(yīng)用于慣性導(dǎo)航和慣性制導(dǎo)系統(tǒng)中，在高精度的振動測量和標(biāo)定中也有應(yīng)用。
結(jié)語
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