加速度傳感器選型

　　壓電加速度傳感器因其頻響寬、動(dòng)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(dòng)測(cè)量時(shí)，用戶主要關(guān)心的技術(shù)指標(biāo)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(chǎng)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(shuō)明書(shū)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(shí)能方便地選 出合適的產(chǎn)品，最小加速度測(cè)量值也稱最小分辨率，考慮到后級(jí)放大電 路噪聲問(wèn)題，應(yīng)盡量遠(yuǎn)離最小可用值，以確保最佳信噪比。最大測(cè)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(cè)加速度×傳感器電荷(電壓)靈敏度，其數(shù)值是否 超過(guò)配套儀器的最大輸入電荷(電壓)值。建議如已知被測(cè)加速度范圍 可在傳感器指標(biāo)中的“參考量程范圍”中選擇(兼顧頻響、重量)，同 時(shí)，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(hào)，提高信噪比。在兼顧頻響、質(zhì)量的同時(shí)，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(jī)械結(jié)構(gòu)的振動(dòng)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(jī)械設(shè)備的振 動(dòng)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(cè)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(kāi)不用的，但也有 特例，如軸承故障檢測(cè)。選擇加速度傳感器的頻率范圍應(yīng)高于被測(cè)試件的振動(dòng)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(dòng)， 加速度傳感器頻率響應(yīng)范圍可選擇0.2Hz～1kHz，機(jī)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(dòng)頻率，選擇 0.5Hz～ 5kHz 的加速度傳感器。如發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速在3000rms 時(shí)，除以60s 此時(shí)它的 主頻率為 50Hz。碰撞、沖擊測(cè)量高頻居多。

　　加速度傳感器的安裝方式不同也會(huì)改變使用頻響(對(duì)振動(dòng)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(jiàn)，安裝方式的不同對(duì)測(cè)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(dòng)的方式及安裝形式。

　　有壓縮和剪切兩大類，常見(jiàn)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(duì)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(cè)量速度、位移時(shí)，最好選用剪切型產(chǎn)品，這樣 所獲得的信號(hào)波動(dòng)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(guó)內(nèi)使用較多的方面是用于機(jī)械故障、樁基檢測(cè)， 不少在線監(jiān)測(cè)項(xiàng)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(hào)輸出共用一根線。其特點(diǎn)是：低阻 抗輸出，抗干擾，噪聲小，性能價(jià)格比高，安裝方便，尤其適于多點(diǎn)測(cè)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(jì)算：

　　被測(cè)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(cè)50g 以內(nèi)振動(dòng)，如測(cè)量100g，則用 50mV/g 的加速度計(jì)，其余以此類推。

　　五、環(huán)境影響

　　某些測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)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(qiáng)磁電場(chǎng)及地電回路等，均會(huì)給測(cè)量帶來(lái)很大的影響。

　　防水：防水有兩個(gè)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(dòng)監(jiān)測(cè)，水深近百米，它涉及地回路干擾、 高壓滲水、導(dǎo)線防護(hù)、長(zhǎng)期可靠性等諸多問(wèn)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(shí)際上，高溫時(shí)靈敏度偏差較大，特殊用戶應(yīng)向廠商索取專用的高溫時(shí)的靈敏度指標(biāo)，靈敏度指標(biāo)是保證測(cè)試準(zhǔn)確的關(guān)鍵。

　　位置限制：加速度傳感器永久安裝在現(xiàn)場(chǎng)會(huì)受到人為碰撞，應(yīng)選擇 工業(yè)型長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)加速度傳感器，它采用外加防護(hù)罩，三角法蘭安裝，具 有對(duì)地絕緣、防塵的作用。對(duì)出線方向有要求的可向制造商提出。對(duì)于不能觸及的部位，可用手持式加速度傳感器(帶長(zhǎng)探針)。

　　絕緣、地電回路及磁電場(chǎng)：對(duì)磁電場(chǎng)較強(qiáng)的測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)，應(yīng)選擇特殊 外殼材料的加速度傳感器和專用導(dǎo)線，此類研究國(guó)內(nèi)還比較少見(jiàn)。對(duì)于兩點(diǎn)接 地、潮濕等現(xiàn)場(chǎng)，要解決好測(cè)試干擾則可采用浮地或絕緣型加速度傳感器，同時(shí)要考慮導(dǎo)線接頭的防護(hù)。 為了克服兩點(diǎn)或多點(diǎn)接地產(chǎn)生地電回路電流對(duì)測(cè)試的影響，可以選 用浮地或絕緣傳感器。沒(méi)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(cè)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(hào)地，而浮地型產(chǎn)品的外殼為屏蔽 層。

　　附加質(zhì)量：在振動(dòng)結(jié)構(gòu)上安裝的加速度傳感器的質(zhì)量要小于被測(cè)點(diǎn) 的自身動(dòng)態(tài)質(zhì)量的 1/10 即可，認(rèn)為對(duì)被測(cè)信號(hào)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(tái)、多路、積分、準(zhǔn)靜態(tài)，這都要根據(jù)測(cè)量要求來(lái)確定。 也有特例，如直接將壓電傳感器的輸出信號(hào)接入具有一定高阻性能 的三次儀表(如示波器)，同樣可測(cè)得信號(hào)，但因阻抗匹配不夠，只能 是定性了解動(dòng)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(tái)恒 流適配器可供多只加速度傳感器的恒流供電及信號(hào)輸出。對(duì)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。

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