加速度传感器的选型

由于传感器应用十分广泛，类型多种多样，在各行各业都有应用。因此，在这里主要介绍用于振动测试的振动传感器的选型。按测量振动参量分类可分为三大类：位移传感器、速度传感器和加速度传感器（也称为加速度计）。一般来说，位移传感器适用于低频测量，速度传感器适用于中频测量，加速度传感器适用于中高频测量。由于加速度传感器具有生产工艺成熟、频响范围宽、动态范围大、安装方便等特点，因而在振动测试中应用最广。因此，在这里主要介绍加速度传感器的选型。

李欣海

2020-8-11 14:53:17

本文主要内容包括：

1. 传感器分类；
2. 常见的加速计类型；
3. 选型指标；
4. 选型原则。

1. 传感器分类

在这主要介绍两种分类，一类是有源与无源，另一类是隔离与非隔离。

有源传感器是指将传感器将非电能量转化为电能量输出，只转化能量本身，并不转化能量信号的传感器，也称为能量转换性传感器或换能器。因而，这类传感器工作时需要外部能量源激励，如激励电压，才能正常工作。由于需要进行能量转化，因而，传感器内部封装了电子元器件，测量过程中会带来噪声。这类传感器如ICP型（也称为IEPE型）加速度度传感器，零频加速度传感器等。

无源传感器是指不需要使用外接电源就能正常工作的传感器，且可以通过外部获取到无限制的能源。这类传感器对测量系统无噪声影响，或者影响很小，如应变片（花）、压电式传感器等。

隔离传感器是指传感器与待测结构之间相隔离，电流不能在二者之间流通。隔离传感器从电气角度与被测结构相分离，如应变片（花）通常与被测结构是相隔离的。传感器实现隔离的通常做法是在传感器底部安装了隔离器件，使电流不能流通，如图1所示红色器件即是隔离器件。

图1 隔离传感器示意图
非隔离传感器是指传感器与被测结构之间无隔离，电流可以在二者之间进行流通。这类传感器像热电偶，某些加速度传感器等。这类非隔离的传感器通常要求采用浮地或隔离地线，以避免接地循环，关于接地循环，请阅读《采样过程中存在的误差，您肯定不全知道！》。如果传感器自身不隔离，用户可以自行使用电气隔离器件实现隔离，这类器件如云母片、玻璃片和环氧树脂等。当对处于工作状态下的待测结构进行测量时，推荐使用“隔离”传感器。

2. 常见加速度计类型

振动测量一般使用加速度计，是因为加速度计具有以下优点：生产工艺成熟、动态范围大、频率范围宽、线性度好、稳定性高、安装方便等特点。常用于中小结构的模态试验、汽车试验、旋转机械故障诊断试验和振动控制试验等。在这主要介绍两种类型的加速度传感器：压电式和ICP型加速度传感器。

压电式加速度传感器：是一种无源传感器，属于惯性式传感器。利用压电晶体，如石英晶体、压电陶瓷等的“压电效应”：在加速度计感受到振动时，质量块加在压电元件上的力也随之变化。压电晶体受力变形后，其内部会产生极化现象，同时在它的两个表面产生符号相反的电荷，当被测振动频率远低于加速度计的固有频率（谐振频率）时，则力的变化与被测加速度成正比。当外力去除后，又重新恢复到不带电状态，这种现象称为“压电效应”，具有“压电效应”的晶体称为压电晶体。

压电加速度计输出为电荷类型，故需要与电荷放大器配合使用，然后信号再传输到采集仪或者与内置电荷调理的采集仪直接连接。电荷放大器以电容作负反馈，使用中基本不受电缆电容的影响，但会受到静电场的影响。在电荷放大器中，通常用高质量的元器件，输入阻抗高，因而价格也比较贵，一般用的比较少。

ICP型加速度传感器：由于压电式传感器的输出电信号是微弱的电荷，而且传感器本身有很大内阻，故输出能量甚微，这给后接电路带来一定困难。为此，通常把传感器信号先输到高输入阻抗的前置放大器。经过阻抗变换以后，电荷量转换成电压量，然后再输出给后续的纪录仪器。目前，制造厂家已有把压电式加速度传感器与前置放大器集成在一起的加速度传感器，即：ICP型加速度传感器，也称IEPE加速度传感器，不仅方便了使用，而且也大大降低了成本。

ICP型加速度传感器由于内置了专门的集成调理电路，因此，属于有源传感器。而该电路要正常工作需要恒流源供电。当今普遍使用的24位采集仪一般都自带恒流功能，因而可直接与ICP型传感器连接使用。

内置集成电路的ICP型优势是低价位，抗干扰好，可长导线使用，但它的耐高温、可靠性不如电荷输出的压电加速度传感器，且动态范围也因输出电压和偏置电压的影响而受到限制。ICP型传感器的低频频响主要受传感器的放电时间常数影响，因此大多数信号适调器都采用交流耦合。关于交流与直流耦合，请阅读《信号AC和DC的区别》一文。

3. 选型指标

每一种型号的加速度传感器都有特别合适的应用场景，因此，测试时必须根据测试使用要求，选择最合适的加速度传感器。在选择加速度计时，主要从传感器性能、环境因素、电气特性和物理特性四个方面去考虑。

性能包括灵敏度、量程、频响特性、谐振频率、横向效应和线性度等指标。环境因素包括工作温度、温度响应和冲击极限等。电气特性包括激励电压与电流、稳定时间等。物理特征包括敏感材料，结构设计、尺寸、重量和出线方式等。

性能指标：

量程/灵敏度：每个传感器都有测量范围，通常量程大的传感器，灵敏度低，量程小的传感器，灵敏度高。通常传感器输出电压的上限为5V，因此，传感器灵敏度乘以量程得到的为传感器的量大输出电压5V。如某型号传感器的灵敏度为50mV/g，则该传感器的量程为100g。通常ICP型加速度传感器满足这个规律，而其他类型，如零频加速度传感器，则不满足此规律。另一方面，传感器灵敏度越高，则传感器的质量越大，传感器输出电压越大，信噪比越高，分辨能力越强。对于测试不同的结构，应选择相匹配的传感器量程，通常，土木桥梁和超大型机械结构加速度振动量级在0.1g～10g 左右，机械设备的振动在 10g～100g 左右。

谐振频率：传感器本身也是一个结构，因而，也存在固有频率，通常，把传感器的第一阶固有频率称为谐振频率。传感器尺寸越小，谐振频率越高。加速度计的使用上限频率取决于幅频曲线中的谐振频率。一般传感器的工作频率范围为其自身谐振频率的1/3以下。

频响特性：一般加速度传感器的工作频率上限为自身谐振频率的1/3左右。另一方面，通常加速度传感器低频特性较差，信号衰减严重，而在高频段线性度差，非线性影响严重。如图2为某型号加速度计的频响曲线，从曲线图中可以看出，在2Hz以下信号衰减严重，频响性能差，在12KHz以上线性度差，其谐振频率约为38KHz。因此，该传感器的工作频率为12KHz以下。在选择加速度计时，加速度计的频率上限稍高于被测结构的振动频率即可。一般，土木工程结构的频率范围在0.2~1KHz左右，机械设备是中频段，频率范围在0.5~5KHz左右。另外，传感器的安装刚度对传感器能测的频率范围也有影响，关于这一点，请参考《传感器怎样安装才能满足测试要求，误差最小？》。

图2 某加速度计的频响曲线

线性度：由于传感器测量时只能输入单一灵敏度，因此，用于描述在一定的频响范围内，传感器的灵敏度是否满足实际的灵敏度的指标，即为线性度。相对而言，在低频段（如5Hz以下），传感器的灵敏度会少于实际的灵敏度，而在高频段（如大于工作频率上限），则灵敏度会大于实际的灵敏度。只有在中间频段，灵敏度满足线性关系，如图2所示。如果传感器不在线性区间进行测量，则测量得到的幅值误差较大，一般要求传感器非线性

横向效应：当测量某个方向的振动时，信号输出应该全为振动感知方向，但实际上在与该方向垂直的方向也有信号输出，这种效应称为横向效应。横向效应灵敏度越低，性能越好，但是相对而言，传感器都存在一定的横向效应，通常标称横向效应

环境因素：

使用环境：传感器使用时受温度、湿度、尘土等环境因素的影响。任何一种传感器都有自身的工作温度范围，因此必须根据实际测点位置的温度，以及环境温度来选择合适的传感器。另外，对于测试环境存在潮湿、腐蚀和电磁场等影响因素时，选择传感器也应该考虑这些因素。

温度响应：传感器的灵敏度会受到温度的影响，当温度发生了改变，如果我们还使用常温下的灵敏度，则会给测量带来误差。如图3为某传感器的温度响应曲线，从图中可以看出，当室温时，传感器的灵敏度没有偏差，但当温度远离室温时，灵敏度偏差则越来越大。因此，传感器的工作温度应与温度响应曲线中灵敏度无偏差的温度一致。

图3 某加速度计的温度响应曲线
冲击极限：表示传感器能经受的瞬时冲击限制，通常用峰值表示，如某传感器的冲击极限为±7000g pk。

电气特性：

激励电压/电流：有源传感器都需要提供激励电压/电流才能正常工作，像ICP型传感器需要提供20-30VDC激励电压和2-20mA的恒流激励。当今的数据采集仪普遍内置了这样的供电装置，因此，可直接给ICP传感器供电。但还有很多其他类型的加速度传感器，如MEMS加速度传感器，力平衡式加速度传感器等，如果采集仪不能提供相应的激励电压/电流，则需要选择外部供电方式。

稳定时间：对于ICP型传感器，由于存在放电常数，当给传感器供电时，传感器输出的信号会从无穷远处慢慢地稳定到基线附近，这个时间称为稳定时间。而我们在进行测量时，应待传感器输出的信号稳定之后再进行测量。通常这个时间只需要几秒钟。

物理特性：

敏感材料：对于压电式和ICP型传感器多半采用石英晶体和压电陶瓷作为敏感材料。石英晶体的介电和压电常数的温度稳定性好，适于做工作温度很宽的传感器。具有压电效应的压电陶瓷是人工合成的，原始的压电陶瓷不具有压电效应。由于压电陶瓷制作工艺更方便、耐湿、耐高温等优点，当今的压电传感器多半采用压电陶瓷作为敏感材料。

尺寸和质量：加速度传感器外形以圆柱体和六面体居多，而圆柱形的加速度计又分顶部出线和侧面出线两种方式。选择加速度计的外形尺寸时，主要受安装位置空间的影响，对于安装位置空间有限的测点，则必须选择合适的传感器外形尺寸。另一方面，在选择传感器类型时，还必须考虑传感器本身的重量带来的附加质量的影响，特别是测试轻质结构时，传感器本身重量影响显著。可能对待测结构总质量来说，传感器的总质量很少，但是，参与振动的不是结构的全部质量，而是参与振动的那部分质量，称为有效质量，此时，传感器的总质量可能相对于结构的有效质量会很大，此时传感器附加质量的影响会很明显。另外，传感器安装时，可能还会使用工装，此时工装的质量对结构振动幅值会存在影响。对于一些小巧轻型的结构振动或在薄板上测量振动参数时，传感器和固定件质量引起的“额外”荷载可能会改变结构的原始振动，从而使测得结果无效。因此，在这种情况下应该使用小而轻的传感器，估算加速度计质量—荷载的影响。

ar =as*ms/(ms+ma)

式中，ar——带有加速度计的结构加速度响应；

as——不带有加速度计的结构加速度响应；

ms——待装加速度计的结构“部件”的等效质量；

ma——加速度计的质量。

因此，应注意因附加质量而改变结构振动的幅值和频率，这在大型的工程结构测试中，并不突出，而对小型的机械零部件影响较大，测试分析中要考虑。关于对测量频率的影响请参阅《怎样评价传感器附加质量对模态频率的影响？》一文。

叶紫薇

2020-8-11 14:53:22

4. 选型原则

振动加速度传感器选型原则：

1. 根据与后续设备的匹配性来选择传感器类型，如ICP型调理设备宜用ICP型传感器，电荷调理设备宜选用压电式传感器。

2. 当对处于工作状态下的待测结构进行测量时，宜使用“隔离”传感器。若传感器自身不隔离，可在传感器底部添加绝缘材料作为隔离器件。

3. 测点位置的振动量级宜为选择的传感器量程的60-80%，这样能保证信噪比高，又不会过载。

4. 选择的传感器的工作频率范围略高于实际测量的带宽即可。

5. 根据环境因素来选择合适的传感器，如测量处的温度、湿度应保证选用的传感器正常工作，且测量幅值不受影响。

6. 根据测量位置的空间来选择传感器尺寸和出线方式。

7. 对于轻质结构则必须考虑传感器重量对测量的影响。

8. 根据行业应用选择传感器，如机械行业宜选用振动量级大，频率频率广的传感器，而土木行业宜选用量程小，灵敏度高，低频性能好的传感器。

因此，在选择传感器时，必须充分考虑以上因素，选择最合适的传感器进行测量，尽量减少因传感器本身给测试带来的影响。

王萍

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李欣海

叶紫薇

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