加速度传感器选择考虑因素

1、如何选择合适的加速度计传感器技术选择选择传感器的第一步就是确定你要做什么种类的测试测量。确定测量种类是传感器技术选择的第一步。在加速度测试测量领域有三种被广泛使用的技术。压电式加速度计是在测试测量领域最被广泛使用的加速度计。这种压电式加速度计提供了非常宽的测量频率范围（几HZ到30KHZ）以及非常多的灵敏度，重量，大小及形状选择范围。压电加速度计可以考虑使用在冲击及振动的测量。压电加速度计可以以电荷输出或电压输出，本文后面会有介绍。压阻加速度计的灵敏度通常比较小，因此非常适合冲击测量。他们同样也被广泛使用在汽车碰撞测试。因为他们的低灵敏度，他们很少用来进行振动的测量。压阻传感器通常具有很宽的频

2、带以及频率响应可以低到零HZ（经常叫DC响应）或到稳定状态，所以他们可以用来测量长时间的瞬变现象。变电容传感器是传感器中的比较新的技术。向压阻加速度计一样，他们也是DC响应。变电容传感器的灵敏度比较高，频带比较窄以及出色的温度稳定性。变电容加速度计非常适用于低频振动，运动以及稳态加速度。测试测量类型在本节中将会讲述一些基本的测试测量类型，然后在本文后面会有详细的介绍。在本文中，加速度测试测量被分成以下几种类型：振动：一个物体以某一平衡点为基准做震荡运动就被认为是振动。振动通常在运输工具及航天航空的环境下可以找到或被一个振动器系统激励的运动。冲击：对物体的一个突然的瞬态激励，它通常会激起物体的共

3、振。运动：本文中运动被定义为慢速移动时间，比如机械手的移动或汽车悬浮测量。地震：这个也是运动或说是低频振动。这种测试测量通常需要特别的低噪-高分辨率加速度计。当测试测量类型确定后，读者可以直接去你需要的测试测量类型章节浏览，或浏览其他不同的测试测量类型。总则在进入各种加速度计技术及应用之前，先浏览一下这里的一些总体上的考虑因素。在选择加速度计时，频率响应是一个非常关键的参数。这个参数通常定为参考频率（通常100HZ）的±5%偏差的频率范围。很多加速度计把参数规格延伸到±1dB或有些情况到±3dB.大部分技术规格书会有一个典型的频率响应曲线来更好地帮助用户。频率范围

4、通常由测试的要求来确定或由用户来决定。另外一个需要考虑的参数就是有多少轴需要测量。加速度计有单轴和三轴可供选择。另外一种达到测试三轴的方法就是把三个单轴加速度计安装到三轴安装块。两种方法都可以实现同时进行三个正交方向的测量。图1 一种微型三轴向加速度计（同时测量三个正交方向振动）振动由于压电加速度计具有很宽的频率响应，很好的灵敏度及分辨率以及容易的安装这些优势，它们是大部分振动测试测量的首选目标。压电加速度计有两种类型，一种是基本的电荷输出模式的加速度计，另外一种是带集成电路的电压输出模式的加速度计。IEPE压电加速度计最近几年，IEPE加速度计是最常用的加速度计种类。IEPE传感器在市场上有

5、不同的商标名称，但是本质上都遵循一个伪工业标准，同时各种名字的IEPE传感器可以互换。原理上来讲，IEPE加速度计就是一个内部集成电荷放大器的加速度计。他们不需要外部的电荷放大器，而且可以使用普通的低成本导线。这类加速度计需要一个稳流电源，很多数据采集系统内部带有这种电源。如果用户知道振动范围以及工作温度范围在-55°C125°C之间，那么就可以考虑IEPE加速度计。某些IEPE的高温型应用传感器工作温度可以达到175°C。电荷输出模式压电加速度计电荷模式压电加速度计的优势在于很高的工作温度范围以及相当宽的幅值范围。一个典型的电荷模式压电加速度计的工作温度范围为-

6、55°C288°C. 特殊场合使用的加速度计工作温度可以低到-269°C ，可高达760°C. 抗辐射的电荷模式加速度计可以核环境使用。不像IEPE加速度计，电荷模式加速度计需要使用低噪导线。和普通的同轴导线相比，低噪导向比较贵。同样，电荷模式加速度计还需要电荷放大器或在线电荷转换器。电荷输出模式压电加速度计电荷模式压电加速度计的优势在于很高的工作温度范围以及相当宽的幅值范围。一个典型的电荷模式压电加速度计的工作温度范围为-55°C288°C. 特殊场合使用的加速度计工作温度可以低到-269°C ，可高达760°C

7、. 抗辐射的电荷模式加速度计可以核环境使用。不像IEPE加速度计，电荷模式加速度计需要使用低噪导线。和普通的同轴导线相比，低噪导向比较贵。同样，电荷模式加速度计还需要电荷放大器或在线电荷转换器。图2 4-40螺钉安装变电容加速度计（也可选择10-32螺钉安装）冲击两种技术类型的加速度计可以适用于冲击测量，各种各样的加速度计可供选择，取决于冲击水平及最终的数据要求。知道所要测量的冲击水平非常重要，这个冲击水平的不同将决定使用哪种类型的加速度计。下面有一个简单的指导帮助用户选择合适的加速度计。低冲击水平< 500 g碰撞< 2000 g远场500 g 1000 g（加速度计位于冲击波源

8、2米处）近场> 5000 g（加速度计与冲击波源距离小于1米）对于低冲击水平的测量，通用的加速度计可以很好地完成这个工作。加速度计的线性范围至少达到500g同时耐冲击水平也要到达500g. 这类应用首选IEPE加速度计，因为它受导线运动产生噪音的影响很小。用户可以使用一个带低通滤波的放大器来减弱加速度计共振的影响。汽车碰撞测试时相当特殊的冲击测试领域。通常都使用压阻加速度计。图3 用于汽车碰撞试验的压阻加速度计冲击对远场冲击的测试测量，一种内部带电子滤波器的剪切模式加速度计就足够应付了。他们通常是带焊接接头的轻巧性IEPE加速度计。电子滤波器可以通过电子的方式来减弱加速度计的共振频率以防

9、止数据采集系统过载。对于近场冲击的测量，冲击水平通常很高，有时高达20000g。这里要根据测试的种类来选择加速度计。特制的压电加速度计或压阻加速度计比较适合这类应用。通常，和远场测试的加速度计类似特性的IEPE加速度计都比较合适，但是增加了一个额外的内部机械滤波器。这个机械滤波器保证加速度计的抗毁能力，通常也可以消除零点漂移。关于零点漂移的详细讨论超出本文的范畴。通常的术语来讲，零点漂移现象就是发生冲击后，随着时间的推移，加速度计没有回到零加速度的水平位臵。零点漂移的后果就是在进行积分的时候会导致数据失真。如果选择压阻加速度计，零点漂移很小。和振动测试一样，频率响应同样是冲击测试的一个重要参数

10、。通常来说，冲击加速度计应该具备很宽的频率响应范围（典型值10KHZ），取决于进行什么测试。图4 近场冲击加速度计（内置机械滤波器，带有坚固的1/4-26安装螺柱）运动，恒加速及低频振动这类应用应该考虑变电容加速度计。这种技术的加速度计可以进行低g值，低频以及高水平输出的测试测量。它们通常在很宽的温度范围表现出非常高的稳定性。当一个变电容加速度计放在一个地方它的感应轴与地球重力平行时，它就会产生1g的输出。这个现象通常也被称为“直流响应”。因为这个特性，变电容加速度计非常适合测量离心力或像电梯这种设备的加速度及减速度。在振动测试领域，变电容加速度计使用在低频事件研究，这种应用相位数据的保留是非

11、常重要的。变电容加速度计发现它们非常适合飞机颤振测试。当然它们也是汽车行驶舒适度测量的有用工具。变电容加速度计的低频特性使它们成为汽车、卡车以及轨道设备行驶舒适度测试的理想选择。这些是低频加速度计，因而宽频频率响应不是它们的特性。环境一旦选择好了传感器技术类型，测试类型也确定了，这里还有大量的其它因素需要考虑。首先要考虑的就是环境。环境因素包括了温度，最大加速度水平及湿度。下面是一个数据表，显示了一些典型的温度数值，帮助用户选择合适的加速度计。环境由于g值范围这个参数在规格书上出现两次，加速度计的新用户它常常被混淆这个参数。加速度计实际可用的g值范围出现在动态范围的规格参数。比如，IEPE加速

12、度计可能有个500g的范围，同时，在环境特性下有一项参数定义为1000g的振动上限以及2000g的冲击上限。在上面的示例中，500g是它的最大线性工作范围。而在环境特性下定义的是最大的耐冲击g值水平以及或正弦g值水平。对于电荷输出模式的压电传感器，线性g值范围没有被定义在动态特性一栏，是因为它他的动态范围大部分取决于电荷放大器。用户应该关注幅值线性度的规格，它出现在技术规格书动态特性这一栏。同上面讲述的一样，在环境特性定义的最大g值范围是最大的耐冲击数值。湿度规格通常表示为“气密密封”，“树脂密封”或是“环境密封”。大部分的这些密封可以承受比较高的湿气。如果加速度计使用在太空环境，水下或长时间

13、浸泡在非常高湿度的环境，那么推荐使用气密密封的传感器。请注意持续的温度循环会导致树脂密封失效。如果加速度计是设计在核辐射环境下使用，那么技术规格书会指示。磁化率这个参数很少被定义，因为对于现在的新的加速度计不是一个问题。非磁性的材料被使用在现在的加速度计来减少这个问题。如果加速度计准备安装在高弹性表面，那么基座应力规格就显得特别重要。弹性表面容易被弯曲，导致在加速度计基座的应力。应力会导致加速度计产生输出，像振动产生的输出一样。加速度计重量当加速度计安装测试物体，测试的加速度会产生改变。这个效果可以通过控制加速度计的重量减少到一个不显著的数量。经验法则，加速度计的重量不能大于测试物体重量的10

14、%。图5 左图为最常用的侧端出线加速度计，重量为7.8克，适用于大型结构件振动测试；右图为微型加速度计，重量为0.5克，适用于小型结构件和电路板振动测试安装这里有许多种安装加速度计到被测物体的方法。所有安装可分成永久安装或临时安装。本文将介绍最普遍的安装方法。到目前为止，最好的安装方法就是螺柱安装或螺纹安装。在高频时，由于螺柱或螺纹安装本质上和安装表面融合在一起，因此他能够提供最好的传递性。高频频率响应性能可以通过在加速度计和被测物体之间加一层低粘度油脂来提高。如果想要使用这种安装方法，必须选择带有螺柱或螺纹安装的加速度计。粘结剂安装经常被使用。特别是使用在小测试面以及PC主板。超黏胶是首选的

15、粘结剂，因为使用合适的清除技巧非常容易清除这种粘接剂。用户有很多种粘结剂安装的选择。许多加速度计被特别设计用粘结剂安装，通常在技术规格中会注明。螺柱安装的加速度计可能也可以使用粘接剂安装，但是需要使用粘接剂-螺柱安装座，防止粘结剂损坏加速度计的内螺纹。地线隔离加速度计可以提供地线隔离或地线连接到加速度计的外壳。地线隔离的加速度计通常有一个隔离的安装基座，如果适用的话，带有隔离的安装螺纹或在某些情况下，加速度计的整个外壳度都是和地线隔离。在测试物体具有导电性且带有接地电位的情况下，地线隔离变得非常重要。电子设备与加速度计的接地电位有差异时会形成接地回路，导致错误的数据。灵敏度和分辨率加速度计是一个传递器件，它把机械动能转换成电子信号。输出是用mV/g来表示的，或如果是电荷输出模式的加速度计输出是用pC/g来表示的。加速度计可供选择的灵敏度范围很宽，最优化的灵敏度取决于被测的信号水平。比如，在高g值冲击测试时，低灵敏度是比较合适的。对于低信号水平，更愿意使用高灵敏度的加速度计，它能够得到大大高于放大器噪音水平的输出信号。比如，假设预期的振动水平为0.1g，同时加速度计的灵敏度为10mV/g，那么信号的电压水平为1mV，因而，高灵敏度的加速度计更加适合这种测试类型。假如某些应用测试信