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加速度傳感器選型

　　壓電加速度傳感器因其頻響寬、動態(tài)范圍大、可靠性高、使用方便， 受到廣泛應(yīng)用。在一般通用振動測量時，用戶主要關(guān)心的技術(shù)指標為： 靈敏度、頻率范圍，內(nèi)部結(jié)構(gòu)、內(nèi)置電路型與純壓電型的區(qū)別，現(xiàn)場環(huán)境與后續(xù)儀器配置等。

　　一、靈敏度的選擇

　　制造商在產(chǎn)品介紹或說明書中一般都給出傳感器的靈敏度和參考量 程范圍，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(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×傳感器電荷(電壓)靈敏度，其數(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 可在傳感器指標中的“參考量程范圍”中選擇(兼顧頻響、重量)，同 時，在頻響、質(zhì)量允許的情況下，盡量選擇高靈敏度的傳感器，以提高后續(xù)儀器輸入信號，提高信噪比。在兼顧頻響、質(zhì)量的同時，可參照以下范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(jié)構(gòu)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，屬于電荷輸出型壓電加速度傳感器

　　2、特殊的土木結(jié)構(gòu)(如樁基)和機械設(shè)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、沖擊，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

　　制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范圍應(yīng)高于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(yīng)應(yīng)更高。土木工程一般是低頻振動， 加速度傳感器頻率響應(yīng)范圍可選擇0.2Hz～1kHz，機械設(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算振動頻率，選擇 0.5Hz～ 5kHz 的加速度傳感器。如發(fā)電機轉(zhuǎn)速在3000rms 時，除以60s 此時它的 主頻率為 50Hz。碰撞、沖擊測量高頻居多。

　　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(yīng)根據(jù)方便、安全的原則。我們給 出同一只 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(huán)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(yīng) 影響很大，應(yīng)注意選擇。加速度傳感器的質(zhì)量、靈敏度與使用頻率成反比，靈敏度高，質(zhì)量 大，使用頻率低，這也是選擇的技巧。

　　三、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。

　　中心壓縮型頻響高于剪切型，剪切型對環(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 所獲得的信號波動小，穩(wěn)定性好。

　　四、內(nèi)置電路

　　內(nèi)置的概念是將放大電路置于加速度傳感器內(nèi)，成為具有電壓輸出 功能的傳感元件。它可分雙電源(四線)和單電源(二線、帶偏置，又稱ICP) 兩種，下面所指內(nèi)裝電路專指ICP 型。目前，內(nèi)置電路傳感器一般是與 數(shù)據(jù)采集儀配套，在國內(nèi)使用較多的方面是用于機械故障、樁基檢測， 不少在線監(jiān)測項目上也在使用該類產(chǎn)品。 ICP 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，抗干擾，噪聲小，性能價格比高，安裝方便，尤其適于多點測量， 穩(wěn)定可靠、抗潮濕、抗粉塵、抗有害氣體。 內(nèi)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(nèi)振動，如測量100g，則用 50mV/g 的加速度計，其余以此類推。

　　五、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、強磁電場及地電回路等，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(jiān)測，水深近百米，它涉及地回路干擾、 高壓滲水、導線防護、長期可靠性等諸多問題。

　　高溫：多數(shù)廠商給出的傳感器溫度范圍為可用值，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(yīng)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(guān)鍵。

　　位置限制：加速度傳感器永久安裝在現(xiàn)場會受到人為碰撞，應(yīng)選擇 工業(yè)型長期監(jiān)測加速度傳感器，它采用外加防護罩，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制造商提出。對于不能觸及的部位，可用手持式加速度傳感器(帶長探針)。

　　絕緣、地電回路及磁電場：對磁電場較強的測試現(xiàn)場，應(yīng)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(nèi)還比較少見。對于兩點接 地、潮濕等現(xiàn)場，要解決好測試干擾則可采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(chǎn)生地電回路電流對測試的影響，可以選 用浮地或絕緣傳感器。沒有特殊要求且干擾不大的工況，可用絕緣型加速度傳感器，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)別在于絕緣型產(chǎn)品的外殼為信號地，而浮地型產(chǎn)品的外殼為屏蔽 層。

　　附加質(zhì)量：在振動結(jié)構(gòu)上安裝的加速度傳感器的質(zhì)量要小于被測點 的自身動態(tài)質(zhì)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采集器相配，電荷放大器種類較多，有 單臺、多路、積分、準靜態(tài)，這都要根據(jù)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(tài)狀況。 內(nèi)裝IC 放大器加速度傳感器(ICP 型)專門有恒流適配器，一臺恒 流適配器可供多只加速度傳感器的恒流供電及信號輸出。對于提供恒流 源供電的數(shù)據(jù)采集儀器，可以將該類型傳感器直接接入數(shù)據(jù)采集儀器。 雙電源供電的加速度傳感器可由采集器提供雙電源或用雙路直流穩(wěn)壓電 源供電。目前ICP加速度傳感器的典型供電方式為：24V 4mA恒流。