加速度傳感器的原理及其選型方法
加入技術(shù)交流群
基本的加速度傳感器類型
總的來說有兩類加速度傳感器:交流響應(yīng)加速度傳感器直流響應(yīng)加速度傳感器
作為交流響應(yīng)的加速度傳感器，正如它的名稱，它的輸出是交流耦合的。此類傳感器不能用來測試靜態(tài)的加速度，比如重力加速度和離心加速度。他們僅適合測量動態(tài)事件。而直流響應(yīng)的加速度傳感器，具有直流耦合輸出，能夠響應(yīng)低至0赫茲的加速度信號。因此直流響應(yīng)的加速度傳感器適合同時測試靜態(tài)和動態(tài)的加速度。并不是只有需要測試靜態(tài)加速度時才選擇直流響應(yīng)的加速度傳感器。
加速度，速度，位移
許多對于振動的研究需要獲取加速度，速度和位移的信息，這些是工程師們設(shè)計和驗證結(jié)構(gòu)時所需要的重要信息。一般說來，加速度提供了很好的參考，而速度和位移卻是計算時所需的變量。為了從加速度計算出速度和位移，從傳感器輸出的加速度信號會通過數(shù)字或模擬的形式分別做一次和二次積分。這就可能導(dǎo)致了交流耦合的傳感器會產(chǎn)生問題。為了演示這個問題，設(shè)想采用交流傳感器測量一個寬脈沖半正弦波信號。由于固有的交流RC時間常數(shù)的限制，傳感器的輸出不能很好跟輸入脈沖吻合。同樣的原因，在脈沖的結(jié)束點，傳感器輸出將產(chǎn)生一個負向零點偏移。下圖展示了傳感器的輸出（紅色的曲線）和寬脈沖半正弦加速度輸入（藍色曲線）的關(guān)系。
這個看似微小的幅度上的差異在積分之后將產(chǎn)生重大的誤差1。直流響應(yīng)的加速度傳感器卻沒有這樣的問題，因為其輸出能夠準(zhǔn)確的跟隨緩慢變化的輸入。在實際的日常應(yīng)用中，輸入信號可能不是單純的半正弦脈沖，但是用交流耦合的傳感器測試任何緩慢變化的信號時這樣的問題始終會存在。
現(xiàn)在我們看看各種常用的加速度傳感器技術(shù)。
交流響應(yīng)加速度傳感器
最常用的交流響應(yīng)加速度傳感器是采用壓電元件作為其敏感單元的。當(dāng)有加速度輸入時，傳感器中的檢測質(zhì)量塊“移動”使壓電元件產(chǎn)生正比于輸入加速度的電荷信號。從電學(xué)角看，壓電元件如同一個有源的電容器，其內(nèi)阻在10x9歐姆級別。由內(nèi)阻和電容決定了RC時間常數(shù)，這也決定了傳感器的高頻通過特性。由于這個原因，壓電加速度傳感器不能用于測量靜態(tài)事件。壓電元件可來自于自然界或人造。它們有不同的信號轉(zhuǎn)換效率和線性。市場上有兩類壓電加速度傳感器－電荷輸出型，電壓輸出型。
電荷輸出型加速度傳感器
主要的壓電加速度傳感器采用鋯鈦酸鹽陶瓷，具有很寬的工作溫度范圍，寬的動態(tài)量程，寬的頻率范圍（可用頻率>10kHz）。電荷輸出型加速度傳感器把壓電陶瓷封裝在具有氣密性的金屬外殼中。由于具有抵抗嚴酷環(huán)境的能力，其具有非常好的耐久性。由于其具有很高的阻抗，該傳感器需要配合電荷放大器和低噪聲屏蔽電纜使用，最好是同軸電纜。低噪聲電纜是指其具有低的摩擦電噪聲2，這是一種運動產(chǎn)生的來自電纜本身的噪聲。很多傳感器廠家同時提供這種低噪聲電纜。電荷放大器和電荷輸出型加速度傳感器連接，從而可以消除電纜電容和傳感器電容并聯(lián)帶來的影響。配合先進的電荷放大器，電荷輸出型加速度傳感器很容易實現(xiàn)寬的動態(tài)響應(yīng)（>120dB）。由于壓電陶瓷的工作溫度范圍很寬，有些傳感器可以用于-200°C到+400°C，甚至更寬溫度的環(huán)境。它們特別適合極限溫度下的振動測試，如渦輪引擎的監(jiān)測。
電壓輸出型加速度傳感器
另一種壓電加速度傳感器輸出電壓信號而不是電荷信號。這種傳感器的內(nèi)部包含了電荷放大器。電壓模式的傳感器有3線式（信號，地，電源）和2線式（信號/電源，地）。2線式又被稱為集成電路式壓電傳感器（IEPE）。由于可以方便的采用同軸線（2線，芯線和屏蔽線）連接，IEPE非常流行。該模式下，交流信號疊加在直流電源上。在輸出端串聯(lián)一個耦合電容能夠去掉傳感器的直流偏置電壓，從而僅獲得傳感器信號輸出。許多現(xiàn)代儀器提供IEPE/ICP3輸入接口，從而可以和IEPE傳感器直接連接。如果IEPE供電接口不可用，需要一個帶有恒流源的信號放大器和IEPE傳感器一期使用。3線式傳感器則需要一根單獨的直流電源線供電。
與電荷輸出型加速度傳感器不同的是，除了壓電陶瓷元件，電壓輸出型加速度傳感器包含一個微型電路，電路的工作溫度范圍限制了傳感器的整體工作溫度范圍，通常不超過125°C。也有一些設(shè)計提高到了175°C，但其在其它性能方面會有所下降。
可用動態(tài)范圍－由于壓電陶瓷元件具有極寬的動態(tài)范圍，電荷輸出型加速度傳感器在量程定義上顯得十分靈活，因為其滿量程可以通過遠程的電荷放大器由用戶自由調(diào)節(jié)。而電壓輸出型加速度傳感器具有既定的滿量程，其決定于內(nèi)部的電荷放大器，一旦由工廠生產(chǎn)出來，將不再能改變。
壓電加速度傳感器可以制成很小的封裝，因此適合做輕結(jié)構(gòu)的動態(tài)測試。
直流響應(yīng)加速度傳感器
兩種技術(shù)經(jīng)常被用來制作直流響應(yīng)加速度傳感器：電容型壓阻型
電容型
電容型（隨加速度變化，由檢測質(zhì)量塊引起電容變化）加速度傳感器在當(dāng)今是最通用的。在某些領(lǐng)域無可替代，如安全氣囊，手機移動設(shè)備等。高的產(chǎn)量使得該類傳感器成本低廉。但是這種低成本的傳感器受制于較低的信噪比，有限的動態(tài)范圍。所有的電容型加速度傳感器都具有內(nèi)部時鐘，該時鐘(~500kHz)是檢測電路必不可少的部分，由于泄漏經(jīng)常會對輸出信號產(chǎn)生干擾。這種噪聲的頻率遠高于測量信號的頻率，一般不會對測量結(jié)果造成影響，但是它始終和測試信號疊加在一起。由于內(nèi)置了放大器芯片，其一般具有3線（或4線差分輸出）接口。只要有直流供電便能工作。
電容型加速度傳感器的工作帶寬一般限制在幾百Hz，部分原因是其具有大的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和重的空氣阻尼。電容型加速度傳感器適合測量低量程的加速度，其上限一般在100g以內(nèi)。除了這些限制，現(xiàn)代的電容型加速度傳感器，特別是儀用級別的器件，具有很好的線性和高的穩(wěn)定性。
電容型加速度傳感器通常適合板載測試，成本低是一個原因。對于低頻運動測試，加速度一般也低，它們是一個理想的選擇。例如土木工程中的振動測試。
壓阻型
壓阻型加速度傳感器是另一種廣泛應(yīng)用的直流響應(yīng)加速度傳感器。不同于電容型加速度傳感器通過電容的變化測量加速度，壓阻型加速度傳感器通過應(yīng)變電阻值的變化輸出加速度信號，應(yīng)變電阻是傳感器慣性感應(yīng)系統(tǒng)的一部分。很多工程師熟悉應(yīng)變片，并知道如何測量其輸出。大多數(shù)的壓阻型傳感器對溫度變化敏感，因而需要對其輸出信號在傳感器內(nèi)部或外部做溫度補償。現(xiàn)代壓阻型加速度傳感器包含一個專用集成電路做在板信號處理，也包含溫度補償。
壓阻型加速度傳感器的工作頻率可達5000Hz。許多壓阻型加速度傳感器要么采用空氣阻尼（MEMS型），要么采用液體阻尼（粘貼應(yīng)變片型）。阻尼特性是選擇傳感器的一個重要因素。某些應(yīng)用下，輸入的機械振動包含高頻成份（或激發(fā)高頻響應(yīng)），帶阻尼的傳感器可以防止本身產(chǎn)生振鈴（諧振），從而保留或增大了可用動態(tài)范圍。由于壓阻型加速度傳感器的輸出是差分的純電阻信息，信噪比通常很好；其動態(tài)范圍僅受限于后接直流放大器的品質(zhì)。對于高加速度沖擊測試，某些壓阻型加速度傳感器能夠測量到超出10000g的加速度。
由于具有寬的頻率響應(yīng)能力。壓阻型加速度傳感器適合做脈沖、碰撞測試，在這些測試中頻率和加速度通常都很高。作為具有直流響應(yīng)能力的傳感器，通過其加速度輸出，使用者可以得到無積分誤差的速度和位移信息。壓阻型加速度傳感器通常應(yīng)用于汽車安全測試，武器測試，地震測試等。
小結(jié)
每種加速度傳感器技術(shù)都有其優(yōu)缺點。在作出選擇之前，明確它們的區(qū)別和測試需求是非常重要的。首先也是最重要的是，對于需要測量靜態(tài)加速度或低頻加速度（<1Hz）的應(yīng)用，或者需要用加速度計算速度和位移的應(yīng)用，需要選擇具有直流響應(yīng)的加速度傳感器。直流和交流響應(yīng)的加速度傳感器都可以測量動態(tài)信號。當(dāng)僅需要測量動態(tài)信號時，使用者可以各取所好。有些使用者不喜歡處理直流響應(yīng)加速度傳感器的零點偏置，而更加喜歡交流耦合、單端輸出的壓電加速度傳感器。而另一些使用者不在乎處理零點偏置，習(xí)慣3線或4線接口，喜歡負載電阻自檢測試（shunt），和重力加速度自檢測試（2g翻轉(zhuǎn)）功能。他們會選擇直流響應(yīng)加速度傳感器。
評論