壓電式加速度傳感器的應用及選擇

　　壓電式加速度傳感器應用場合

　　在現代生產生活中被應用於許許多多的方面，如手提電腦的硬碟抗摔保護，目前用的數位相機和攝像機裡，也有加速度傳感器，用來檢測拍攝時候的手部的振動，並根據這些振動，自動調節相機的聚焦。壓電加速度傳感器還應用於汽車安全氣囊、防抱死系統、牽引控制系統等安全性能方面。

　　壓電式加速度傳感器的選擇

　　一、靈敏度的選擇

　　製造商在產品介紹或說明書中一般都給出傳感器的靈敏度和參考量程範圍，目的是讓用戶在選擇不同靈敏度的加速度傳感器時能方便地選出合適的產品，最小加速度測量值也稱最小解析度，考慮到後級放大電路噪聲問題，應儘量遠離最小可用值，以確保最佳信噪比。最大測量極限要考慮加速度傳感器自身的非線性影響和後續儀器的最大輸出電壓。

　　估算方法：最大被測加速度×傳感器電荷（電壓）靈敏度，其數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範圍可在傳感器指標中的「參考量程範圍」中選擇（兼顧頻響、重量），同時，在頻響、質量允許的情況下，儘量選擇高靈敏度的傳感器，以提高後續儀器輸入信號，提高信噪比。在兼顧頻響、質量的同時，可參照以下範圍選擇傳感器靈敏度：以電荷輸出型壓電加速度傳感器為例：

　　1. 土木工程和超大型機械結構的振動在0.1g-10g（1g=9.81m/s2）左右，可選電荷靈敏度在300pC/ms-2～30pC/ms-2的壓電加速度傳感器，屬於電荷輸出型壓電加速度傳感器。

　　2. 特殊的土木結構（如樁基）和機械設備的振動在100ms-2～1000ms-2，可選擇20pC/ms-2～2pC/ms-2的加速度傳感器。

　　3. 衝擊，碰撞測量量程一般10000ms-2～1000000ms-2，可選則傳感器靈敏度是0.2pC/ms-2～0.002pC/ms-2的加速度傳感器。

　　二、頻率選擇

　　製造商給出的加速度傳感器的頻響曲線是用螺釘剛性連接安裝的。

　　一般將曲線分成二段：諧振頻率和使用頻率。使用頻率是按靈敏度偏差給出的，有±10%、±5%、±3dB。諧振頻率一般是避開不用的，但也有特例，如軸承故障檢測。選擇加速度傳感器的頻率範圍應高於被測試件的振動頻率。有倍頻分析要求的加速度傳感器頻率響應應更高。土木工程一般是低頻振動，加速度傳感器頻率響應範圍可選擇0.2Hz～1kHz，機械設備一般是中頻段，可根據設備轉速、設備剛度等因素綜合估算振動頻率，選擇0.5Hz～5kHz的加速度傳感器。如發電機轉速在3000rms時，除以60s此時它的主頻率為50Hz。碰撞、衝擊測量高頻居多。

　　加速度傳感器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，安裝選擇應根據方便、安全的原則。我們給出同一隻RC6500S加速度傳感器不同安裝方式的使用頻率：螺釘剛性連接（±10%誤差）10kHz;環氧膠或「502」粘接安裝6kHz;磁力吸座安裝2kHz；雙面膠安裝1kHz。由此可見，安裝方式的不同對測試頻率的響應影響很大，應注意選擇。加速度傳感器的質量、靈敏度與使用頻率成反比，靈敏度高，質量大，使用頻率低，這也是選擇的技巧。

　　三、內部結構

　　內部結構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、環型剪切。

　　中心壓縮型頻響高於剪切型，剪切型對環境適應性好於中心壓縮型。如配用積分型電荷放大器測量速度、位移時，最好選用剪切型產品，這樣所獲得的信號波動小，穩定性好。

　　四、內置電路

　　內置的概念是將放大電路置於加速度傳感器內，成為具有電壓輸出功能的傳感元件。它可分雙電源（四線）和單電源（二線、帶偏置，又稱ICP）兩種，下面所指內裝電路專指ICP型。目前，內置電路傳感器一般是與數據採集儀配套，在國內使用較多的方面是用於機械故障、樁基檢測，不少在線監測項目上也在使用該類產品。ICP型加速度傳感器的供電和信號輸出共用一根線。其特點是：低阻抗輸出，抗幹擾，噪聲小，性能價格比高，安裝方便，尤其適於多點測量，穩定可靠、抗潮溼、抗粉塵、抗有害氣體。內置電路傳感器靈敏度的選型計算：

　　被測加速度值（g）=最大輸出電壓（mV）/傳感器靈敏度（mV/g）

　　如選用目前最為通用的100mV/g，可測50g以內振動，如測量100g，則用50mV/g的加速度計，其餘以此類推。

　　五、環境影響

　　某些測試現場的環境較為惡劣，考慮的因素較多，如防水、高溫、安裝位置、強磁電場及地電迴路等，均會給測量帶來很大的影響。

　　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測，水深近百米，它涉及地迴路幹擾、高壓滲水、導線防護、長期可靠性等諸多問題。

　　高溫：多數廠商給出的傳感器溫度範圍為可用值，而不是高溫狀況的靈敏度，實際上，高溫時靈敏度偏差較大，特殊用戶應向廠商索取專用的高溫時的靈敏度指標，靈敏度指標是保證測試準確的關鍵。

　　位置限制：加速度傳感器永久安裝在現場會受到人為碰撞，應選擇工業型長期監測加速度傳感器，它採用外加防護罩，三角法蘭安裝，具有對地絕緣、防塵的作用。對出線方向有要求的可向製造商提出。對於不能觸及的部位，可用手持式加速度傳感器（帶長探針）。

　　絕緣、地電迴路及磁電場：對磁電場較強的測試現場，應選擇特殊外殼材料的加速度傳感器和專用導線，此類研究國內還比較少見。對於兩點接地、潮溼等現場，要解決好測試幹擾則可採用浮地或絕緣型加速度傳感器，同時要考慮導線接頭的防護。為了克服兩點或多點接地產生地電迴路電流對測試的影響，可以選用浮地或絕緣傳感器。沒有特殊要求且幹擾不大的工況，可用絕緣型加速度傳感器，而永久型監測或幹擾大的工況則應採用浮地型。這二種命名的區別在於絕緣型產品的外殼為信號地，而浮地型產品的外殼為屏蔽層。

　　附加質量：在振動結構上安裝的加速度傳感器的質量要小於被測點的自身動態質量的1/10即可，認為對被測信號的影響可以忽略。

　　六、配套儀器

　　壓電類加速度傳感器如是電荷輸出的，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採集器相配，電荷放大器種類較多，有單臺、多路、積分、準靜態，這都要根據測量要求來確定。

　　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狀況。內裝IC放大器加速度傳感器（ICP型）專門有恆流適配器，一臺恆流適配器可供多隻加速度傳感器的恆流供電及信號輸出。對於提供恆流源供電的數據採集儀器，可以將該類型傳感器直接接入數據採集儀器。雙電源供電的加速度傳感器可由採集器提供雙電源或用雙路直流穩壓電源供電。目前ICP加速度傳感器的典型供電方式為：24V4mA恆流。

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