本文內容轉載自《中國檢驗檢測》2019年第4期，版權歸《中國檢驗檢測》編輯部所有。
徐文駿
上海航天電子有限公司/上海科學儀器廠
0 引言
加速度傳感器是工程振動測量中的最重要因素。在測試系統中，傳感器是數據採集分析的第一環節，因此，能否正確選擇和使用傳感器將直接影響到測量信號的質量和精度。雖然從事工程振動的人員都知道這個概念，但在實際應用中卻往往因為各方面的原因而無法正確判斷傳感器是否真實反映了被測信號。另一方面在科技不斷發展的趨勢下，環境模擬的試驗條件要求越來越高，與之對應傳感器的技術指標也不斷提高，從而使之前廣泛應用的單一標準傳感器發展到如今類別的多樣化，也對工程人員在應對不同試驗要求的傳感器選擇上增加了相應的難度。
1 傳感器的種類
目前市場中常見的加速度傳感器分為三大類別，分別為壓電式、壓阻式和電容式。
1.1 壓電式
壓電式加速度傳感器的構造是利用了彈簧質量系統的原理。敏感芯體質量受振動加速度作用後產生一個與加速度成正比的力，壓電材料受此力作用後沿其表面形成與此力成正比的電荷信號，從而能採集到數據。
壓電式加速度傳感器具有動態範圍大、頻率範圍寬、堅固耐用、受外界幹擾小以及不需要外界電源等特點，是目前被工程人員使用最為廣泛的振動測量傳感器。雖然壓電式加速度傳感器相對來說結構比較簡單，誕生時間也較長，但因其性能指標與材料特性、設計和加工工藝密切相關，因此，在市場上銷售的同類傳感器性能的實際參數以及其穩定性和一致性差別非常大。與壓阻和電容式相比，其最大的缺點是壓電式加速度傳感器不能測量零頻率的信號。
1.2 壓阻式
壓阻式加速度傳感器的敏感芯體為半導體材料製成的電阻測量電橋，其結構動態模型仍然是彈簧質量系統。現代微加工製造技術的發展使壓阻式敏感芯體的設計具有很大的靈活性以適合各種不同的測量要求。在靈敏度和量程方面，從低靈敏度高量程的衝擊測量，到直流高靈敏度的低頻測量都有壓阻形式的加速度傳感器。同時壓阻式加速度傳感器測量頻率範圍也可從直流信號到幾十千赫茲的高頻測量。壓阻式傳感器的最大亮點就是超小型化的設計，可以在很多狹小的空間內使用。需要指出的是儘管壓阻敏感芯體的設計和應用具有很大靈活性，但對某個特定設計的壓阻式芯體而言其使用範圍一般要小於壓電型傳感器。壓阻式加速度傳感器的另一缺點是受溫度的影響較大，使用的傳感器都需要進行溫度補償。在價格方面，使用特殊敏感芯體製造的壓阻式傳感器成本將遠高於壓電型加速度傳感器，通常要達到好幾倍以上。
1.3 電容式
電容式加速度傳感器的結構形式也採用了彈簧質量系統。當質量受加速度作用運動而改變質量塊與固定電極之間的間隙進而使電容值產生變化。電容式加速度計與其他類型的加速度傳感器相比具有靈敏度高、零頻響應、環境適用性好等特點，尤其是受溫度的影響比較小，能夠運用於很多現場環境苛刻的數據採集；但不足之處表現在信號的輸入與輸出為非線性，量程有限，並且受電纜的電容影響，因為電容傳感器本身是高阻抗信號源，因此，輸出信號往往需要通過後繼電路給予改善，對屏蔽電纜線有著很高的使用要求。在實際應用中電容式加速度傳感器大多用於低頻測量，其通用性遠不及壓電式加速度傳感器，且成本也要比壓電式加速度傳感器高出許多倍。
2 壓電式加速度傳感器的敏感芯體材料和結構形式
2.1 壓電材料
壓電材料一般可以分為兩大類，即壓電晶體和壓電陶瓷。壓電型加速度計最常用的壓電晶體材質為石英，因為石英的材料特性是工作溫度範圍寬，性能穩定，所以在實際應用中經常被用作標準傳感器的壓電材料。
由於石英的壓電係數比其他壓電材料低很多，所以通用型的壓電傳感器都採用壓電陶瓷作為主材料。陶瓷中的鋯鈦酸鉛是目前壓電加速度計中最經常使用的壓電材料。其特點為具有較高的壓電係數和居裡點，各項機電參數隨溫度時間外界條件的變化相對較小。如圖1所示。
圖1 石英壓電傳感器內部結構
但是就同一種的壓電陶瓷而言，雖然都具有相同的基本特性，但由於製作工藝不同可以使兩個相同材料的壓電陶瓷的具體性能指標相差甚大。這種現象在國產傳感器和進口傳感器的互相比較上尤為明顯。兩者雖然材料不同，但是在構造上卻是近似一致。如圖2所示。
圖2 陶瓷壓電傳感器內部結構
2.2 傳感器敏感芯體的結構形式
壓電加速度傳感器的敏感芯體一般由壓電材料和附加質量塊組成，當質量塊受到加速度作用後便轉換成一個與加速度成正比並加載到壓電材料上的力，而壓電材料受力後在其表面產生一個與加速度成正比的電荷信號。壓電材料的特性決定了作用力可以是受正應力也可以是剪應力，壓電材料產生的電荷大小隨作用力的方向以及電荷引出表面的位置而變。根據壓電材料不同的受力方法，常用傳感器敏感芯體的結構一般有以下三種形式：
a) 壓縮形式：壓電材料受到壓縮或拉伸力而產生電荷的結構形式。壓縮式敏感芯體是加速度傳感器中最為傳統的結構形式。其特點是製造簡單方便，能產生較高的自振諧振頻率和較寬的頻率測量範圍。而最大的缺點是不能有效地排除各種幹擾對測量信號的影響。
b) 剪切形式：通過對壓電材料施加剪切力而產生電荷的結構形式。從理論上來說在剪切力作用下的壓電材料所產生的電荷信號受外界幹擾的影響甚小，因此，剪切結構形式是最適合廣泛使用的加速度傳感器敏感芯體。然而在實際製造過程中，要確保剪切敏感芯體的加速度計具有較高和穩定的頻率測量範圍卻是傳感器製造工藝中最為困難的一個環節。要得到高參數指標只能採用進口記憶金屬材料的緊固件從而保證傳感器具有穩定可靠的諧振頻率和頻率測量範圍。
c) 彎曲變形粱形式：壓電材料受到彎曲變形而產生電荷的結構形式。彎曲變形粱結構可產生比較大的電荷輸出信號，也較容易實現控制阻尼；但因為其測量頻率範圍低，更由於此結構不能排除因溫度變化而極易產生的信號漂移，所以此結構在壓電型加速度計的設計中很少被採用。
3 壓電式加速度傳感器的信號輸出形式
3.1 電荷輸出型
傳統的壓電加速度計通過內部敏感芯體輸出一個與加速度成正比的電荷信號。實際使用中傳感器輸出的高阻抗電荷信號必須通過二次儀表將其轉換成低阻抗電壓信號才能讀取。由於高阻抗電荷信號非常容易受到幹擾，所以傳感器到二次儀表之間的信號傳輸必須使用低噪聲屏蔽電纜。由於電子器件的使用溫度範圍有限，所以高溫環境下的測量一般還是使用電荷輸出型。
3.2 IEPE輸出型
IEPE型壓電加速度計既工程人員稱之的ICP型壓電加速度計，也稱為低阻抗電壓輸出型加速度計。
壓電傳感器換能器輸出的電荷通過裝在傳感器內部的前置放大器轉換成低阻抗的電壓輸出，而IEPE型傳感器則為二線輸出形式，採用恆電流電壓源供電，直流供電和信號使用同一根線的方式，因為直流電部分在恆電流電源的輸出端需要通過高通濾波器濾去雜波信號。
IEPE型傳感器的最大優點是測量信號質量好、噪聲小、抗外界幹擾能力強和測量 距離遠，特別是隨著科技的發展，現在已經有很多新型的數採系統很多都已配備恆流電壓源，因此，IEPE傳感器能與數採系統直接相連而不需要任何其他二次儀表，在振動測試中IEPE傳感器已逐漸取代傳統的電荷輸出型壓電加速度計。
4 小結
加速度傳感器隨著科技的發展，種類不斷的增多，從最早的進口製造商B&K，到現在國產的製造商B&W，光是力學傳感器的種類以及超過了3位數，並且隨著科技的發展，越來越多的苛刻試驗的順勢而生，傳感器的原理、分類以及適用性是工程人員所要了解的必修課，只有了解透徹，才能更好的完成試驗工作。