振动试验中加速度传感器的选择

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　　振动试验中，我们对控制点、监测点等的振动量值大多是通过加速度传感器采样得到的，该数值的正确性、可信性，直接影响到对试验的结果的判定。影响振动试验中振动量值的正确获得，除了与传感器的安装位置、试件的安装等外，还跟传感器的技术指标有关，它是得到振动量值的最直接也是最重要的单元之一。本文结合理论及实际经验，介绍振动试验中压电式加速度传感器的选择。

　　1、灵敏度
　　压电式加速度传感器的灵敏度有两种表示方法，一个是电荷灵敏度Sq，另一个是电压灵敏度Sv，其电学特性等效电路如图1。

　　图1 压电式加速度传感器的是电学特性等效电路

　　压电片上承受的压力为F1=ma，在压电片的工作表面上产生的qa与被测振动的加速度a成正比：即

　　其中，比例系数Sq就是压电式加速度传感器的电荷灵敏度，量纲是[pC/ms⁻2]。传感器的开路电压：

　　式中，Ca为传感器的内部电容量，对于一个特定的传感器来说，Ca为一个确定值。所以

　　也就是说，加速度传感器的开路电压Ua也与被测加速度a成正比，比例系数Sv就是压电式加速度传感器的电压灵敏度，量纲是[mV/ms⁻2]。

　　在压电式加速度传感器的使用说明书上所标出的电压灵敏度，一般是指在限定条件下的频率范围内的电压灵敏度Sv。在通常条件下，当其它条件相同时，几何尺寸较大的加速度传感器有较大的灵敏度。使用说明书上还会给出最小加速度测量值，也称最小分辨率，考虑到后级放大电路噪声问题，应尽量远离最小可能值，以确保最佳信噪比。最大测量极限要考虑加速度传感器自身的非线性影响和后续仪器的最大输出电压。

　　估算方法：
　　最大被测加速度×传感器电荷(电压)灵敏度，其数值是否超过配套仪器的最大输入(电压)值。

　　如已知被测加速度范围可在传感器指标中的参考量程范围中选择(兼顾频响、重量)，同时，在频响、质量允许的情况下，尽量选择高灵敏度的传感器，以提高后续仪器输入信号，提高信噪比。

　　在兼顾频响、质量的同时，可参照以下范围选择传感器灵敏度：
　　  · 振动加速度在1ms⁻2~100ms⁻2左右，可选300pC/ms⁻2~30pC/ms⁻2的加速度传感器;

　　  · 振动加速度在100ms⁻2~1000ms⁻2，可选择20pC/ms⁻2~2pC/ms⁻2的加速度传感器;


　　  · 碰撞、冲击测量一般10000ms⁻2~1000000ms⁻2，可选择0.2pC/ms⁻2~0.002pC/ms⁻2的加速度传感器。


　　2、频率
　　典型的压电式加速度传感器的频率特性曲线如图2所示。该曲线的横坐标是对数刻度的频率值，而纵坐标则是相对电压灵敏度，就是被标定的加速度传感器的电压灵敏度和一个标准加速度传感器的电压灵敏度之比。从图中可以看出压电式加速度传感器工作频率范围很宽，只有在加速度传感器的固有频率附近灵敏度才发生急剧变化。

　　图2 压电式加速度传感器的频率特性曲线

　　因此就传感器本身而言，固有频率fn是其主要参数，通常一般几何尺寸较小的传感器有较高的固有频率，但灵敏度较低。权衡传感器的灵敏度和使用频率范围这一对矛盾，到底如何取舍?这决定于测量要求。但是就一项精确的测量而言，宁肯选取较小灵敏度的加速度传感器，也要保证有足够宽的有效频率范围。

　　选择加速度传感器的频率范围应高于被测试件的振动频率，有倍频分析要求的加速度传感器频率响应应更高。

　　  · 低频振动：加速度传感器频率响应范围可选择0.2Hz~1kHz;


　　  · 中频段振动：机械设备一般是中频段，可根据设备转速、设备刚度等因素综合估算振动频率，选择0.5Hz~5kHz的加速度传感器;


　　  · 碰撞、冲击：测量高频居多。

　　加速度传感器的安装方式不同也会改变使用频响。安装面要平整、光洁，安装选择应根据方便、安全的原则。安装方式的不同对测试频率的响应影响很大，应注意选择。

　　3、内部结构
　　内部结构是指敏感材料晶体片感受振动的方式及安装形式。有压缩和剪切两大类，常见的有中心压缩、平面剪切、三角剪切、环型剪切。

　　中心压缩频响高于剪切型，剪切型对环境适应性好于中心压缩型。如配用积分型电荷放大器测量速度、位移时， 最好选用剪切型产品，这样所获得的信号波动小，稳定性好。

　　4、内置电路
　　内置是指将放大电路置于加速度传感器内，成为具有电压输出功能的传感元件。它可分双电源(四线)和单电源(二线、带偏置，又称ICP)两种，内置电路传感器一般是与数据采集仪配套，直接采集数据。ICP型加速度传感器的供电和信号输出共用一根线，其特点是：低阻抗输出，抗干扰，噪声小，性能价格比高，安装方便，尤其适于多点测量，稳定可靠、抗潮湿、抗粉尘、抗有害气体。

　　内置电路传感器灵敏度的选型计算：

　　被测加速度值(g)=最大输出电压(mV) / 传感器灵敏度(mV/g)

　　如选用目前最为通用的100mV/g，可测50g以内振动;如测量100g，则用50mV/g的加速度计，其余以此类推。

　　5、环境影响
　　在机械振动试验室环境一般较为恶劣，考虑因素较多，如高温、强磁电场及地电回路等，均会给测量带来很大的影响，另电缆噪声和基座应变都会造成虚假数据。

　　在一般机械振动试验室主要环境因素影响是高温，多数厂商给出的传感器温度范围为可用值，而不是高温状况的灵敏度，实际上，高温时灵敏度偏差较大。因为标定灵敏度是在室温20℃的条件下测定的，根据使用环境温度的不同，可按每个传感器出厂时给出的温度修正曲线(或向厂商索取)修正其灵敏度，灵敏度指标是保证测试准确的关键。使用加速度传感器时，不允许超过许用温度，否则会造成压电元件的损坏。另外，温度瞬变也会使测量数据漂移造成误差。

　　来源：摘编自《环境技术》2009年第3期《振动试验中加速度传感器的选择》，原文作者：符瑜慧、李雪松、杨红、左进凯