加速度传感器选用指南疑难解决重点

1、工程振动量值的物理参数常用位移、速度和加速度来表示。 由于在通常的频率范围内振动位移幅值量很小，且位移、速度和加速度之间都可互相转换，所以在实 际使用中振动量的大小一般用加速度的值来度量。常用单位为:米/秒 2 (m/s2，或重力加速度(g。描述振动信号的另一重要参数是信号的频率。绝大多数的工程振动信号均可分解成一系列特定频率和 幅值的正弦信号，因此，对某一振动信号的测量，实际上是对组 成该振动信号的正弦频率分量的测量。对 传感器主要性能指标的考核也是根据传 感器在其规定的频率范围内测量幅值精度的高低来评定。最常用的振动测量传感器按各自的工作原理可分为压电式、压阻式、电容式、 电感式以及光电式

2、。压 电式加速度传感器因为具有测量频率范围宽、量程大、体 积小、重量轻、对被测件的影响小以及安装使用方便,所以成为最常用的振动测量传感器。?传感器的种类选择压电式-原理和特点压电式传感器是利用弹簧质量系统原理。敏感芯体质量受振动加速度作用后产 生一个与加速度成正比 的力，压电材料受此力作用后沿其表面形成与这一力成正比 的电荷信号。压电式加速度传感器具有动态范 围大、频率范围宽、坚固耐用、受 外界干扰小以及压电材料受力自产生电荷信号不需要任何外界电源等特点,是被最为广泛使用的振动测量传感器。虽然压电式加速度传感器的结构简单，商业化使用历史也很长，但因其性能指标与材料特性、设计和加工工艺密切相关，

3、因此在市场上 销售的同类传感器性能的实际参数 以及其稳定性和一致性差别非常大。与压阻和 电容式相比，其最大的缺点是压电式加速度传感器不能测量零频率的信号。压阻式应变压阻式加速度传感器的敏感芯体为半导体材料制成电阻测量电桥，其结构动态模型仍然是弹簧质量系统。现代微加工制造技术的发展使压阻形式敏感芯体的设计具有很大的灵活性以适合各种不同的测量 要求。在灵敏度和量程方面，从低 灵敏度高量程的冲击测量，到直流高灵敏度的低频测量都有压阻形式的 加速度传感 器。同时压阻式加速度传感器测量频率范围也可从直流信号到具有刚度高，测量频率范围到几 十千赫兹的高频测量。超小型化的设计也是压阻式传感器的一个亮 点。需

4、要指出的是尽管压阻敏感芯体的 设计和应用具有很大灵活性，但对某个特定 设计的压阻式芯体而言其使用范围一般要小于压电型传感器。压阻式加速度传感器的另一缺点是受温度的影响较大，实用的传感器一般都需要进行温度补偿。在价 格方面，大批量使用的压阻式传感器成 本价具有很大的市场 竞争力,但对特殊使 用的敏感芯体制造成 本将远 高于压电型加速度传感器。电容式电容型加速度传感器的结构形式一般也 采用弹簧质量系统。当质量受加速度 作用运动而改变质量块与固定电极之间的间 隙进而使电容值变化。电容式加 速度计与其 它类型的加速度传感器相比具有灵敏度高、零频响应、环境适应性好等特点，尤其是受温度的影响比较小；但不足

5、之处表现在信号的 输入与输出 为非线性,量程有限，受电缆的电容影响，以及电容传感器 本身是高阻抗信号源， 因此电容传感器的 输出信号往往需通过后继电路给于改善。在实际应用中电 容式加速度传感器较多 地用于低频测量，其通用性不 如压电式加速度传感器，且成 本也比压电式加速度传感器高 得多。?压电式传感器的敏感芯体材料和结构形式压电材料压电材料一般可以分为 两大类,即压电晶体和压电 陶瓷。在压电型加速度 计的最常用的压电 晶体为石英，其特点为工作温度范围宽，性能稳定，因此在实际应 用中经常被用作标 准传感器的压电材料。由于 石英的压电系数比其 他压电材 料低得多，因此对通用型压电加速度计而言 更为

6、常用的压电材料为压电 陶瓷。压 电陶瓷中锆钛酸铅（PZT是目前压电加速度计中最 经常使用的压电材料。其特 点为具有较高的压电系 数和居里点,各项机电参数随温度时间等外界条件的变 化相对较小。必须指出的是，就同一品种的压电陶瓷而言，虽然都有相同的 基本 特性,但由于制作工艺不同可以使两个相同材料的压电陶瓷的具体性能指标相差 甚大。这种现 象可以通 过典型的国产传感器和进口传感器的比较 得以反映， 国内振动测试业几十年的经验对此深有体会。传感器敏感芯体的结构形式压电加速度传感器的敏感芯体一般由压电材料和 附加质量 块组成,当质量块 受到加速度作用后便转换 成一个与加速度成正比 并加载到压电材料上的

7、力，而压 电材料受力后在其表面产生一个与加速度成正比的电荷信号。压电材料的特性 决定了作用力可以是受正应力也可以是 剪应力，压电材料产生的电荷大小 随作用力 的方向以及电荷引出表面的位置而变。根据压电材料不同的受力方 法，常用传 感器敏感芯体的结构一般有以下三种形式：1压缩形式-压电材料受到压 缩或拉伸力而产生电荷的结构形式。压 缩式 敏感芯体是加速度传感器中最为传统的结构形式。其特点是制造简单方便，能产生 较高的自振 谐振频率和较宽的频率测量范围。而最大的缺点是不能有效地排除各种干扰对测量信号的影响。2剪切形式-通过对压电材料 施加剪切力而产生电荷的结构形式。从理 论 上分析在剪切力作用 下

8、压电材料产生的电荷信号受外界干扰的影响 甚小,因此 剪切结构形式成为最为广泛使用的加速度传感器敏感芯体。然而在实际制造 过程中,确保剪切敏感芯体的加速度计 持有较高和稳定的频率测量范围 却是传感器制 造中工艺中最为 困难的一个环节。北智BW-Sensor采用进口记忆金属材料的 紧固件从而 保证传感器具有稳定 可靠的谐振频率和频率测量范围。3弯曲变形梁形式-压电材料受到 弯曲变形而产生电荷的结构形式。弯曲变形梁结构可产生比较大的电 荷输出信号，也较容易实现控制阻尼；但因为其 测量频率范围低，更由于此结构不能 排除因温度变化而 极容易产生的信号 漂移, 所以此结构在压电型加速度计的设计中很 少被采

9、用。比电式加速度传感器的信号输出形式电荷输出型传统的压电加速度计通 过内部敏感芯体 输出一个与加速度成正比的电荷信 号。实际使用中传感器 输出的高阻抗电荷信号 必须通过二次仪 表将其转换成 低阻抗电压信号才能读取。由于高阻 抗电荷信号非常容 易受到干扰，所以传感 器到二次仪 表之间的信号传 输必须使用低 噪声屏蔽 电缆。由于电子器件的使 用温度范 围有限,所以高温 环境下的测量一般 还是使用电荷 输出型。北智 BW-Sensor采用进口陶瓷 的加速度计可在 温度-40o C250o C范围内长 期 使 用。低阻抗电压输出型（IEPEIEPE型压电加速度计 即通常所 称的ICP型压电加速度计。压

10、电传感器换能 器输出的电荷通 过装在传感器内部的前置放大器转换成低阻 抗的电压 输 出。IEPE型传感器通常为 二线输出形式,即采用恒电流电压源供电；直流供 电和信号使用同一根 线。通常直流电 部分在恒电流电源的输出端通过高通 滤波器滤去。IEPE型传感器的最大 优点是测量信号质量 好、噪声小、抗外 界干扰能力 强和远距离 测量,特别是 新型的数采系统很多 已配备恒 流电压源, 因此，IEPE传感器能与数 采系统直接相连而不需要任何其 它二次仪表。在振 动测试中IEPE传感器已逐渐取 代传统的电荷 输出型压电加速度计。?专感器的灵敏度传感器的灵敏度,量程和频率范围的选择压电型式的加速度计是振动

11、测 试的最主要传感器。虽然压电型加速度计的测 量范围宽，但因市场上此类加速度计品种繁多所以给正确的选用带来一定的 难度。作为 选用振动传感器的一般原 则：正确的选用应该基于对测量信号以 下三方面的分析和估算。a. 被测振动量的大小b. 被测振动信号的频率范围c. 振动测试现场环境以下将针 对上述三个方面并参照传感器的相关技术指标对具体的选用作进一步地讨论传感器的灵敏度与量程范围传感器的灵敏度是传感器的最基本指标之一。灵敏度的大小直接影响到传感 器对振动信号的测量。不难理解，传感器的灵敏度应根据被测振动量(加速度值大 小而定，但由于压电加速度传感器是测量振动的加速度值,而在相同的位移幅值 条件下

12、加速度值与信号的频率 平方成正比，所以不同频 段的加速度信号 大小相差 甚大。大型结构的低频振动其振动量的加速度值可能会相当小，例如当振动位移为1mm,频率为1 Hz的信号其加速度值 仅为0.04m/s2(0.004g撚而对高频振动 当位移为0.1mm濒率为10 kHz的信号 其加速度值可 达4 x 10 5m/s2 (40000g因 此尽管压电式加速度传感器具有较大的测量量程范围，但对用于测量高低两端频率的振动信号，选择加速度传感器灵敏度时应对信号有 充分的估计。最常用的振动 测量压电式加速度计灵敏度,电压输出型(IEPE型为50100 mV/g,电荷输出型为 10 50 pC/g。加速度值

13、传感器的测量量程范围是指传感器在一定的非 线性误差范围内所能 测量的最大测量值。通用 型压电加速度传感器的非 线性误差大多为1%。作为一 般原则，灵敏度 越高其测量范围 越小,反之灵敏度 越小则测量范围 越大。IEPE电压输出型压电加速度传感器的测量范围是由在线性误差范围内所允许的最大 输出信号电压所 决定,最大输出电压量值一般都为 ±V。通过换算 就可得到传感器的最大量程，即等于最大 输出电压与灵 敏度的比值。需要指出 的是IEPE压电传感器的量程 除受非线性误差大小影响外，还受到供电电压和 传感器偏置电压的制 约。当供电电压与 偏置电压的差值小于传感器技术指标 给出的量程电压时，

14、传感器的最大 输出信号 就会发生畸变。因此IEPE型加速度 传感器的偏置电压稳定与 否不仅影响到低频测量也可能 会使信号失真；这种 现象在高低温测量时需要特别 注意，当传感器的内置电路在非室温条件下 不稳定时，传感器的偏置电压很可能不断缓慢地漂移而造成测量信号 忽大忽 小。而电荷输出型测量范围 则受传感器 机械刚度的制 约，在同样的条件下传 感敏感芯体受机械弹性区间非线性制约的最大信号输出要比IEPE型传感器 的量程大得多,其值大多需通 过实验来确定。一般情况下当传感器灵敏度高，其 敏感芯体的质量 块也就较大,传感器的量程 就相对较小。同时因质量 块较大其 谐振频率就偏低这样就较容易激发传感器

15、敏感芯体的 谐振信号结果使谐振 波叠加在被测信号上造成信号失真输出。因此在最大测量范围 选择时,也要考 虑被测信号频率组成以及传感器 本 身的自振谐振频率,避免传感器的谐振分量产生。同时在量程上应有 足够的安 全空间以保证信号不产生失真。加速度传感器灵敏度的标定方 法通常采用比较法检定，被校传感器在特定 频率（通常为159 Hz或80 Hz振动的 输出与标准传感器读得加速度值的比 即为 传感器灵敏度。而对冲击传感器的灵敏度 则通过测量被校传感器对一系列不同 冲击加速度值的 输出响应,获得传感器在其测量范围内 输入冲击加速度值和电 输 出之间的对应关系，再通过数值计 算获得与各点之间差值最小的直

16、 线,而这直线 的斜率即是传感器的冲击 灵敏度。冲击传感器的非 线性误差可以有两种方法表示:全量程偏差或按分 段量 程的线性误差。前者是指传感器的全量程输出为基准的误差百分数,即无 论测量值得大小其 误差均为按 全量程百分数计 算而得的误差值。按分段 量程的线性误差其计算方法与全量程偏差相同，但基准不用全量程而是以 分段量程来计 算误差值。例如量程为20000g的传感器,如全量程偏差为1% , 其线性误差在全量程内为200g ;但当传感器按分 段量程5000g , 10000g ,20000g来衡量其线性误差，其误差仍为1%时,则传感器在不同的3个量程段 内线性误差则分别为50g , 100g

17、 , 200g。传感器的测量频率范围传感器的频率测量范围是指传感器在规定的频率响应幅值误差内（±%, ±0%,±3dB传感器所能测量的频率范围。频率范围的高，低限分别称为高，低频截至频 率。截至频率与误差直接相关，所允许的误差范围大 则其频率范围也 就宽。 作为一般原 则，传感器的高频响应 取决于传感器的 机械特性,而低频响应 则由传 感器和后继电路的综合电参数所决定。高频截止频率高的传感器必然是体积 小,重量轻,反之用于低频测量的高灵敏度传感器相对来 说则一定体积大和重量 重。1传感器的高频测量范围传感器的高频测量指标通常由高频 截止频率来确定,而一定截止频率与

18、对应 的幅值误差相联系；所以传感器选用时不能 只看截至频率,必须了解对应的幅 值误差值。传感器的频率幅值 误差小不仅是测量精度 提高,更重要的是体现了 传感器制造 过程中控制安装精度 偏差地能力。另外由于测量对 象的振动信号 频率带较宽，或传感器的固有 谐振频率不够高,因而被激发的谐振信号波可能 会叠加在测量频 带内的信号上，造成较大的测量 误差。所以在 选择传感器的高 频测量范围时 除高频截至频率外,还应考虑谐振频率对测量 信号的影响；当然 这种测量频 段外的信号也可通 过在测量系统中 滤波器给予消除。一般情况下传感器的高频截止频率与输出信号的形式（即电荷型或低阻电 压型无关；而与传感器的结

19、构设计,制造以及安装形式和安装质量都密切相关。以下表格是对不同型式加速度传感器的高频响应作一个定性的 归类,供用户在选用时对比和参考。高频响应 外形，重量和灵敏度 敏感芯体形式 总体设计 安装最好体积小，重 量轻，低灵敏度 压缩型单层壳通用型 螺钉好通用型剪切型单层壳带 绝缘座 吸铁差个大，体重，高灵敏度 弯曲梁形式双层屏蔽壳 手对加速度传感器的高频测量应用请参考应用-高频测量2传感器的低频测量范围与传感器高频指标相对应，传感器的低频测量指标通常由低频截止频率来确 定，同样一定低频截止频率与对应的幅值 误差相关。和高频特性不同，传感器的低频特性与传感器的任 何机械参数无关，而仅取决于传感器的电

20、特性参数。 当然传感器作为测量系统的某一 部分，测量信号的 低频特性还将受到与传感器配用的后继仪器电参数的制约。根据输出信号的不同形式，以下将对电荷输 出和低阻电压 输出加速度传感器分别给与讨论。尽管电荷型输出加速度传感器列出低频 截止频率，但一般都给予指出测量信 号的低频特性由后继电荷放大器确定。在实际应用中，当电荷型传感器的芯体绝 缘阻抗远大于电荷 放大器输入端的输入阻抗时，由传感器和电荷放大器组成的测量系统其低频 截至频率应该由电荷 放大器的 低频特性所决定。但是如果传感器的芯体绝 缘阻抗下降，此时传感器 则可能影响 整个测量系统的低频特性。因此保证芯体的绝缘阻抗对电荷输出型加速度传感器

21、的低频测量非常重要。对于IEPE传感器 配用的恒流电压源，其通常的低频 截至频率为0.1 Hz (- 5%。因此一般情况下测量系统的低频特性是由传感器的低频 截至频率所决定。通用型传感器的低频 截止 频率大多为0.5 Hz1 Hz,专门用于低频测量的传感器低频 截至频率可 扩展到0.1 Hz。由于传感器的低 频校验比较困难，所以制造厂商一般只提供10 Hz以上的测试数据。但传感器的低频特性与一 阶高通滤波 器非常吻合所以用户可以通过实测时间常数来 检查传感器的实际低频响应。对加速度传感器的低频测量应用请参考应用-低频测量用IEPE型压电型加速度传感器测量 甚低频加速度信号还需要注意的问题 有：

22、。当传感器和恒流电压源交流耦合的低频截至频率相当时,测量系统的低 频特性是由传感器和 恒流电压源的各自低频响应组合而成，此时测量系统的低频 截止频率要高于传感器或 恒流电压源各自的低频 截止频率。理想的测量系统传 感器应配用带直流平衡的恒流电压源，这样系统的低频响应 将完全取决于传 感器的低频截至频率。当传感器用于 甚低频测量时，能否准确测量低频信号 并不完全决定与系 统的低频响应特性，系统的低 频电噪声大小也 将直接影响低频信号的测量。另 外传感器的 瞬态温度响应大小也 将直接影响传感器的低频 测量。?传感器的整体封装设计与电缆传感器的封装形式压电式传感器的工作原理是利用敏感芯体的压电 效应

23、，而压电材料产生的是高 阻抗的电荷信号。传感 器敏感芯体的绝 缘阻抗与传感器的低频测量 截止频率 存在着相互对应的关系。为了保证传感器的低频响应，传感器壳体封装设计应 使敏感芯体与外界 隔绝，以防止压电陶瓷受到任何 污染 而导致其绝 缘阻抗下 降。敏感芯体绝 缘阻抗下降对传感器性能造成的直 接影响表现为低频响应变差 严重时还将造成传感器灵敏度 改变。为 保证传感器的密 封特性，大多传感器的 封装采用激光焊接。同时在当今密封材料品种多样，性能日益完善的情 况下，针对不同的使用 环境，采用合适的密圭寸材料替代激光焊接也能达到传 感器密 封的要求。但必须指出不同的密 封材料效果差异很大。北智公司采

24、用国外知名品牌的密封材料并经过通过了多年的环境厉行试验验证。在工业现场测 试现场，为防止电磁场对传感器信号的影响，对用于工业现场 的在线监测传感器 往往要求传感器 采用双重屏蔽壳 封装形式。双层屏蔽 结 构的传感器 输出接头一般采用双芯工业接头或联体电缆输出形式。由于 双层屏蔽壳 的结构特点和 双芯输出电缆，传感器的高频特性一般 将受到较大的 制约，因此如果用户必须选用双层屏蔽 型传感器进行高频振动信号测量，应谨慎传感器输出接头形式M5 (M6接头是加速度传感器最为常用的 输出接头形式。M5接头特点是 尺寸较小，一般配用直径较细的电缆(2mm或3mm，比较适合振动实 验的测 试。另外M5 (M

25、6的结构型式对信号 屏蔽较好所以对电荷输出型加速度传感 器因其输出为较容易受干扰的高阻 抗信号一般均采用M5 (M6接头。测量振 动的加速度传感器 接头一般避免使用Q9 (BNC,原因是Q9 (BNC,接头组件没 有螺纹联接，构件之间的 机械耦合刚度较低；因此如果加速度传感器 输出采 用Q9(BNC,其将会影响传感器的高频响应。用于工业 环境下 的振动测量加速度传感器按可分为 巡回检测和在 线监测， 前者一般采用单层壳屏蔽型式,因此传感器的 接头较多使用M6或TNC接 头。而在线监测因经常采用双层屏蔽的结构型式，与其对应的电缆为双芯 屏蔽电缆,所以双芯工业 接头如M12, M16以及C5015

26、均被广泛使用。另外连 体电缆具有较高的可靠性，因此在工业 环境下使用的传感器 无论是单层和双 层屏蔽的结构都广泛采用连体电缆为输出接头的形式。需要指出的是 无论是那一种输出接头对水下测量都有其 局限性,即使 传感器本身密封性能达到要求，但电缆联接一般都需要 做特殊处理后才能用 于水下测量。电缆的选择对输出为高阻 抗信号的电荷型压电型传感器而言，为保证测量信号不受因电 缆移动而造成 噪声的影响,传感器的 输出信号电缆一般都 采用低噪声电缆。 而输出为低阻抗电压信号的IEPE传感器，低噪声电缆并不一定是必需的。高 频,低频信号对电 缆不同要求的 典型的例子是多轴向测量传感器的电 缆，多通 道高阻抗

27、信号的电缆必须是各自独立的低噪声屏蔽电缆,而多通道低阻抗的 电压信号便可 采用多芯绞线加屏蔽的电缆。在通用型传感器的电 缆配备 中因考虑到电缆的重量和成 本，2 mr直径 的低噪声电缆为加速度传感器的标准配置。工业现场用的传感器一般以IEPE 型为主，电缆本身的强度也成为重要考 虑因素，因此3 mm直径的低噪声电 缆和4.5 mm直径的普通同轴屏蔽电缆成为最常使用的电 缆。而对双层屏 蔽壳设计的IEPE型传感器的电 缆配置 均为双绞芯线外加屏蔽的电缆。在加速度传感器 输出信号电缆的选择中,除电缆结构外，其他最经常考 虑的指标是电 缆的应用温度以 及在工业现场测 试中电缆外层材料耐腐蚀的能 力。

28、最为 普遍使用的电缆绝缘材料为PVC,使用温度范围为-40o C到+105O C。对应用 环境较恶劣的场合，最经常选用的电缆绝缘材料为聚四氟乙烯； 其使用温度范围为-45o C到+250o C且耐腐蚀能力也优于其它大多数电缆绝 缘材料。但用 四氟材料做的电缆柔性较差,价格也远高于PVC材料。?外界环境对测量传感器的影响传感器横向灵敏度及横向振动对测量的影响由于压电材料自身特性，敏感芯体的结构设计和制造精度偏差使传感器不可 避免地对横向振动产生输出信号，其大小由横向输出和垂直方向输出的比值 百分数来表示。根据不同敏感芯体结构和材料特性的组合，压缩型结构在理 论上便存在横 向输出,需要通过装配调节

29、的方式给予抵消，而在实际制造过程中很难实现 真正的抵消，因此压 缩型加速度传感器的 横向灵敏度的离散度很大。与压 缩 型相比剪切型设计在理 论上不存在横向输出,传感器的实际 横向输出一般是 由材料加工 和装配精度所引起的误差。所以从这 两种敏感芯体的实际对比结 果来看，剪切型压电加速度传感器的 横向灵敏度普遍优于压缩型式。而敏感 芯体为弯曲梁结构形式的 横向灵敏度一般 说介于剪切型和压 缩型之间。根 据敏感芯体的结构特性，在其受横向振动时与垂直方向振动一样，也有相应的结 构频率响应。所以 横向振动也同 样可能在某一频率点产生 谐振，以至产生较大 的横向振动偏差。温度对传感器输出的影响温度改变而

30、引起传感器输出变化是由压电材料（敏感芯体 特性所造成的。 根据压电材料的分类，石英晶体受温度影响最小，而人工合成晶体的使用温度 甚 至高于石英；但在商业化的压电加速度传感器中最 多使用的压电材料 还是压电 陶瓷。压电陶瓷敏感芯体的 输出高温时 随温度上 升而增大,低温时随温度降 低而减小；但传感器 输出与温度间 并不呈线性变化，一般说低温时的 输出变 化比高温时的要大。另因为各传 感器的温度响应很 难保持一致，所以实际使用中传 感器的输出一般很少用温度系数进行 修正。典型温度响应曲线或温度系数一 般只作为对传感器温度特性的 衡量。压电陶瓷对温度响应 除材料本身特性之 外生产工艺也将直接影响压电

31、材料对温度的响应，而同种材料对温度响应的 离 散度更是如此。同样是锆钛酸铅 材料,不同的厂商由于采用不同的生产工艺, 使得相同材料的压电 陶瓷而其各自的使用温度范围，温度响应和温度响应的 离散 度相差甚大。综合对压电材料的 基础研究和生产加工工艺，目前国内压电陶瓷 的温度特 性与国外先进水准相比还有一定差 距;为确保用户对传感器的特 殊要求,北智采用进口压电陶瓷，使传感器的高温使用温度可在+250。C下长期 使用，而且温度响应及其 离散度都好于国产压电陶瓷。不同的敏感芯体结构设计对温度的变化的响应 会产生不同的结 果。由于不 同材料有不同的 线膨胀系数,因此温度变化 必然使压电材料和 金属配件

32、之间产 生因线膨胀系数不同而造成的应力变化；这种由温度产生 的应力使压缩式和弯 曲梁型的敏感芯体产生 输出信号，有时这种温度变化 引起的输出会大于振动测 量信号（特别在低频测量中。需要特别指出温度变化有稳态和 瞬态两种,传感器 输出灵敏度 随温度变化通常是 指稳态高低温度 状态对信号输出的影响。瞬态 温度变化对传感器 输出的影响主要表现在低频测量中，请参看应用低频测量传感器的基座应变灵敏度传感器受被测物体在传感器安装 处应变的影响，可能导致传感器 输出的变 化。传感器的 基座应变灵敏 度一般由传感器 基座刚度，传感器与被测件的 接触 面积以及敏感芯体结构设计形式所决定。剪切结构形式的敏感芯体与

33、传感器基 座间的接触面积很小，因而剪切芯体受 基座应变的作用也相对较小，且这种应变 并不直接导致压电陶瓷的输出。所以 剪切敏感芯体传感器的 基座应变灵敏度 指标通常比压 缩式的要好，在无需改变传感器的 基座刚度以及与被测件的 接 触面积情况下（改变这两点都将影响传感器的频率响应指标，剪切型传感器一 般都能满足大部分结构测量的要求。声场和磁场对传感器的影响声波和磁场对传感器的作用也都可能 引起信号输出，这种输出的大小与传 感器灵敏度的比值被 称作为压电传感器的 声灵敏度和 磁灵敏度。声灵敏度是表示传感器在 强声场的作用 下，加速度传感器的 输出值。加速度 信号输出主要是声波通过对传感器外 壳体的

34、作用，再由外壳体传输给内部 的敏感芯体而导致的信号 输出。最直接减小传感器 声灵敏度的方法是增加传 感器外壳的厚度，绝大多数传感器的这一指标都能 满足通常的测量 条件。磁灵敏度是表示传感器在 强交变磁场作用下，加速度传感器的 输出值。传 感器内部敏感芯体受 磁力的作用而导致信号 输出是传感器产生 磁灵敏度的 基 本原因。因此在传感器设计中，金属零部件尽量采用无磁或弱磁的材料是 降 低传感器磁灵敏度最直接的措施。另外双层屏蔽壳 结构形式也能较 好地减小 传感器的 磁灵敏度，同时双层屏蔽壳 形式还能有效地防止磁场对输出电信号 的干扰。压电加速度传感器常见故障判断流程及原因分析有信国谪号育同捱 _

35、11 別1一有信号，但荷号有间|-一信号嚅iS 号传感器故障原因及解决方法表故障类别故障的具体表现可能造成故障的可能造成故障的原因原因可能解决故障的方法偏置电压等于供电电压因电缆连接或传感器内部连线断 开而造成,更换电缆或传感器偏置电压接近零因电缆连接或传感器内部连线短路而造成,更换电缆或传感器传感器内置电路工作不正常，更换传感器。偏置电压不正确偏置电压偏大或偏小,实际偏置电压超出正常偏置电压±V的范围由环境温度不稳定 地变化，造成偏置电压漂移。加装 隔热护套或更换传 感器。偏置电压不稳疋偏置电压来回漂动,不能稳疋由传感器内 部电路不稳定而造成，更换传感器。测量偏结果偏置电压正确传感

36、器内部敏感芯体 损坏更换传感器。压电传感器敏感芯体的绝 缘阻抗下降将传感器在其使用温度范围内 烘焙，灵 敏度可以 再回升，但一般 会再下降。灵敏度低传感器敏感芯体的压电系 数衰减重新对传感器进行标定。灵敏度问题灵敏度偏差大在非室温的环境下，由于压电材料温度响应系数过大而造成的灵敏度偏差选用温度响应系数 偏差小的传感器大测信号输出变小由于供电电压降低而造成测量量程范围减小更换电池或更正供电电压导致的偏置电压超出规定 的范围采用偏置电压稳定的传感器由传感器的非 线性造成采用量程大的传感器在长距离 信号输送时，恒流电压源的 恒电流不 够大根据信号频率幅值 选择正确的电压源 恒电流信号失真偏置电压不稳

37、定输出信号与高频谐次波叠加一般由传感器的 谐振频率造成，选择谐振频率较高的传感 器信号忽大忽小不稳定由瞬态温度变化以至偏置电压忽大忽小而造成输出信号不稳定采用偏置电压稳定的传感器 接地回路造成的噪声避免多点接地，传感器 采用对地绝缘。电磁波的影响采用双层屏蔽壳 的传感器。强声场的影响 采用双层屏蔽壳 的传感器 将有助于降低强声场对加速度 传感器的影响。瞬态环境温度变化 对用于超低频测量的高灵敏度传感器 必须采用隔热护 套。外界环境噪声 对测量信号的 影响被测点的基座应变影响 选用基座应变小的 剪切型加速度传感器，尽量 减小 传感器与被测物体间的 接触面积。传感器自身的电噪声检定传感器 噪声，选

38、择信噪比合适的传感器。电缆引起的电噪声往往发生在与电荷 输出型传感器 配用的低 噪声电缆, 换用好的低噪声屏蔽电缆。传感器 供电电源 噪声 选用低 噪声供电电源或 采用电池供电。小测量信 号失真测量系统噪声对测量信号的影响数采系统的量程设置选择合适的量程传感器低频响应的 截至频率不够低检查传感器的低频响应（可通过测量时间常数来 判断，选用低频好的传感器。系统低频响应差与传感器配套使用的恒流电压源或电荷 放大器的截至频率不 够低正确选用恒流电压源和电荷 放 大器的低频截至频率。系统低频信噪比差传感器的低频噪声大低频时传感器的信 噪比会显著下降，选用满足低频信噪比指标的传感低频测量信号失真外界对测

39、量信号的影响瞬态环境温度影响对传感器采用隔热护套，选用温度响应系数小的传感器。咼频高频信号增大由传感器安装方式 引起的高频信号失真（增大调整安装方式，增加安装接触刚度,提高传感器的高频测 量范围。频率低选用谐振频率咼，咼频响应 好的传感器。传感器安装绝 缘底座连接 刚度差重新选择高刚度绝 缘安装底座真高频信号 减小在长距离信号输送时,恒流电压源的恒电流不够大根据信号频率幅值 选择正确的电压源 恒电流高频测量?传感器的高频截止频率咼频截止频率是指在所规定的传感器频率响应幅值 误差（5%, ±0%或±3dB内所能测量的最高频 率信号。高频截止频率直接与误差值大小相关，规定 的误

40、差范围大则其相应的高频 截止频率也相对较高。所以不同传感器的高频 截 止频率指标 必须在相同的 误差条件下进行比较咼频截止频率咼的传感器其敏感芯体一定具有较咼的固有频率 ，所以传感器的 灵敏度就相对较低。选用高频率测量的传感器时，为了满足传感器的高频频率 响应指标，需要适当降低对其灵敏度的要求。压电 式加速度传感器的高频特性 取 决于传感器 机械结构的一阶谐振频率，实际使用中传感器的一 阶谐振频率往往 是其安装 谐振频率。安装 谐振频率则由传感器内部敏感芯体的固有频率以及传 感器的总体质量和安装 偶合刚度综合决定。安装谐振频率的高低 将直接影 响传感器的高频测量范围，所以在具有稳定的敏感芯体

41、谐振频率的前提下，提高安 装耦合刚度是保证高频测量的重要 条件。在同样的安装条件下一般说传感器的重量 越轻其安装 谐振频率越高，其 高频截止频率也越高。当然决定传感器高频响应的最 基本因素还是传感器 内部敏感芯体的固有频率。BW-sensor的内部敏感芯体采用国外先进的记忆 金属，敏感芯体不仅有较高的固有频率而且有非常稳定的频率响应特性。BW-sensor的高频响应特性及其一致性 远优于仅靠零部件公差配合或安装螺钉紧 固等方法而设计制造的剪切型加速度计。？专感器的安装形式传感器的安装形式,安装谐振频率传感器生产 厂商提供的高频截止频率都是在 采用较理想的安装条件下 所获得的。实际使用中传感器的

42、 安装形式的不同和安装质量 的好坏会直接影 响安装偶合刚度,进而改变传感器的测量高频 截止频率。不同安装方式（螺钉, 粘接，吸铁磁座和手持所对应不同安装 谐振频率的特 征已在很多振动测量的 文献中被阐述；但有必要指出当不同形式的安装方式组合在一 起（如螺钉安装 加配吸铁座，传感器的咼频响应将被最低频率响应的安装形式所制约。咼频测量 的安装方式 往往采用螺钉安装形式。为了达到理想的效果，被测对象的表面必需达到所规定的 平度和光洁度要求以及传感器安装时 应所规定的扭矩，以尽可能地提高安装偶合刚度保证传感器高频 截止频率。 传感器的高频 截止频率越高则对传感器的安装要求也 越高，因此使用高频测量 传

43、感器的用 户必须 认真对待传感器的安装。?传感器的输出接头形式和电缆对测量信号的影响传感器的信号 输出接头也是潜在的影响高频测量的重要因 素。在实际应 用中传感器的 接头和电缆也是传感器的组成 部分。各种形式的 接头，电缆接 头与传感器的 联接，以及电缆的重量和电 缆相对于被测物体 的固定形式也 将直 接影响传感器的 谐振频率。传感器的重量 越轻,接头和电缆对高频测量的影响 越显著。所以当安装条件许可的情况下小型高频测量传感器的 接头形式应 首先考虑联体电缆,联体电缆具有可动零 件少 連量轻的特点，比较适合高频测 量。典型高频测量传感器低阻电压输出型111/112灵敏度1mV/ms-2,频率范

44、围0.5Hz 10kHz, M5顶/侧 端输 出重量:12克，尺寸:13 mm （六角x 19 mm （高，M5螺钉 安装121/122灵敏度2mV/ms-2,频率范围0.5Hz 10kHz, M5顶/侧 端输 出重量:12克,尺寸:13 mm （六角x 19 mm （高,M5螺钉 安装详细技术指标电荷输出型21100灵敏度0.1 pC/ms-2频率范围1Hz 12kHz, M5顶端输 出重量:7克,尺寸:10 mm （六角x 19 mm （高,连体M6螺钉 安装21103灵敏度0.1 pC/ms-2频率范围1Hz 12kHz, M5顶端输 出重量：7克，尺寸：10mm （六角x 23mm （

45、高，外壳绝缘，连体M6螺钉安装详细技术指标221/222灵敏度0.3 pC/ms-2,频率范围1Hz 12kHz, M5顶端/连体电缆侧端 输出重量:2克,尺寸:7mm （六角x 12 16 mm （高,M3螺钉 安装详细技术指标低频测量孔荷输出型加速度计不适合用于低频测量由于低频振动的加速度信号都很微小，而高阻抗的小电荷信号非常容易受干 扰当测量对象的体积越大，其测量频率越低则信号的信噪比的问题更为突 出。因此在目前带内置电路加速度传感器 日趋普遍 的情况下应尽量选用电 噪声比较小,低频特性 优良的低阻 抗电压 输出型压电加速度传感器。?专感器的低频截止频率与传感器的高频 截止频率类同，低频

46、截止频率是指在所规定的传感器频率响 应幅值 误差（5%, ±0%或±dB内传感器所能测量的最低频率信号。误差值越大其低频截止频率也相对越低。所以不同传感器 的低频截止频率指标必须在 相同的误差条件下进行比较。低阻抗电压输出型传感器的低频特性是由传感器敏感芯体和内置电路的综合电参数所 决定的。其频率 响应特性可以用模 拟电路的一阶高通滤波器特 性来描述，所以传感器的低频响应和 截止频率完全可以用一阶系统的时间常数来 确定。从实用 角度来看，由于传感器的 甚低频频率响应的标定比较 困难，而通过 传感器对时间 域内阶跃信号的响应可测 得传感器的时间常数；因此利用传感器 的低频响应

47、与一阶高通滤波器的特性几 乎一致的特点，通过计算可方便地获 得传感器的低频响应和与其对应的低频截至频率。?专感器的灵敏度传感器的灵敏度，,低频噪声特性和动态响应范围用于低频测量的传感器一般要求有比较高的灵敏度以满足低频小信号的测量。但灵敏度的 增加往往是有限的。虽然加速度传感器灵敏度是能 达到10V/g 或更高但是灵敏度高 往往带来其他的负面效应，比如传感器的稳定性，抗过载 能力,以及对周边环境干扰的敏感性。因此 追求过高灵敏度 并不一定能解 决微 小信号的测量,相反高分辨率和低噪声的传感器在工程应用中 往往更容易解 决实际问题。所以选用具有低电 噪声的传感器在低频测量中 尤为重要。为了表明传

48、感器所能测量的最小信号大 部分商业化的加速度计也都 提供分 辨率或电噪声指标。国内绝大部分传感器的宽 带电噪声指标一般都标为 20忖,而BW-sensor的宽带电噪声指标已降低到10 V。然而对低频小信号测 量来说，仅提供宽频带的电噪声并不能完全反映传感器在低频范围内加速度测 量的分辨率；这是因为由内 置电路引起的低频噪声大小与频率的 倒数成正比, 即所谓1/f噪声，当测量频率很低时传 感器的电噪声输出按指数幅度 增长。所 以传感器的低频电 噪声的数值与宽 带电噪声指标是完全不同的而且 频率越低 这种差别越明显。因此用于甚低频测量的传感器其分辨率常用传感器输出电 噪声的功率谱密度表示。此指标的

49、实用 意义是传感器在特定频率 下的噪声 大小，其单位是一般用 卩V/V H或卩g/ V H来表示。BW-sensor内置 电路电噪声 功率谱密度的 典型值为3卩V/V Hz 10 Hz?专感器的瞬态温度响应对低频测量的影响由于压电陶瓷的特性，压电式加速度计对温度的 突然变化都 会产生不同程度 的电荷输出。传感器的 瞬态温度响应指标 就是衡量传感器对温度变化的敏感程 度。这对低频测量 尤为重要。由于低频测量的信号很 小，而传感器因 环境温度变 化极可能产生与低频振动信号相 当的误差；这两种信号在 甚低频范围内很 难 区分，因此如何减小环境温度变化对传感器 输出的影响在低频测量中 显得非 常重要。

50、传感器的 瞬态温度响应 指标单位是g/o C,表示瞬态温度每变化一度所 相当的加速度输出，其值是通过电压（电荷输出和传感器灵敏度之间的换 算得 到的。传感器的瞬态温度响应是由压电材料直 接导致的，因此压电陶瓷对由温度 突 变所致的电荷 输出大小决定了这一指标的 好坏。BW-sensor选用目前国外 综合性能指标最好的压电陶瓷并结合记忆金属制成的用于低频测量的加速度传 感器经国防兵器、航天和大型结构多 年的使用验证了传感器具有 优越的低频 输出稳定性和抗干扰性能。实际甚低频测量中，为了减低环境温度变化对传感 器低频信号 输出的影响传感器的外 壳尽可能采用隔热保护套。?传感器的安装基座和基座应变对

51、测量的影响由于低频测量传感器对高频响应的要求不高因此传感器使用任何种安装方式一 般都能 满足要求。但需 要注意两 个问题，其一是传感器应尽量考 虑使用绝缘 底座以避免任何由对地回路引起的噪声影响测量信号。其二是应考虑传感 器安装处的被测结构应变对传感器 输出的影响，即传感器应变灵敏度大小。剪切结构形 式的压电加速度传感器具有 良好的基座应变特性，一般都能 满足通常 的低频结构测试。如果结构应变过大对传感器的测量信号有影响，可通过减小 传感器与被测结构之间的 接触面积来 降低结构应变对传感器测量 带来的影响。低阻电压输出典型低频测量传感器171/172灵敏度100mV/ms-2,频率范围0.04

52、Hz1.5kHz,宽频电 噪声10 V低频分辨率1 v g / V Hz 2Hz,顶5 /侧端输出详细技术指标14105/14205灵敏度10mV/ms-2,频率范围0.1Hz8kHz,宽频电 噪声10 V低频分辨率1 v g / V Hz 2Hz,顶5 /侧端输出小型化设计，重量12克，尺寸16mm （六角x 21 mm （高,M5螺钉安装17110灵敏度100mV/ms-2,频率范围0.04Hz1.5kHz,宽频电 噪声10 V低频分辨率1 v g / V Hz 2绝z缘安装底座，顶端连体电缆输出 详细技术指标工业振动测量?电荷输出与低阻电电荷输出与低阻电压输出传感器在工业振动测量中的应用

53、压输出传感器在工业振动测量中的应用工业振动测量传感器的实际应用根据测量对象和与测量系统的组合一般可分 成两大类：1对测量对象进行实时 监测即所谓在线监测2定期对测量对象 巡回检测。工业振动测量的 周边环境相对都比较 恶劣，在线监测的传感器到数 字采集系统一般都有一定的 距离，因此高阻抗的电荷信号 就非常容易受干扰。 除现场是高温测量外，工业振动在 线监测用的传感器通常都 选用带内置电路 的电压输出型。而对巡回检测用传感器往往因为出于对成本的考虑大多使用 电荷输出型压电加速度传感器。? 专感器的测量频率范围和灵敏度传感器的测量频率范围和灵敏度选择选择工业振动测量传感器的灵敏度 选择一般都以适中为

54、多,50mV/g, 100mV/g和200 mV/g可以满足大部分工业振动测量的需要；电荷输出型的传感器灵敏度的 选择大部分是在30 pC/g 50 pC/g。然而对传感器 的频率范围 则必须根据不同的 测量对象进行选择。需要指出的是传感器的安装形式和质量 好坏以及不同的 电 缆配备 都会直接影响到传感器的高频使用。比 如在频率响应较高的传感器上加 配吸铁座，这样传感器的高频使用范围 将直接受到吸铁座制约;螺钉安装平 面不能达到的平度要求也会降低其实际使用的高频 截止频率；传感器的输出 接头不同形式或电 缆重量的增加也可能直 接影响传感器的高频响应。这些影 响频响的因素虽不能从传感器的技术指标

55、上 完全反映，但都是工业振动测量传感器使 用中常见的问题。如果客户对实际应用有疑问，可直接与生产厂商咨询。?工业环境工业环境：:环境噪声对信号的干扰环境噪声对信号的干扰,温度温度,湿度和腐蚀对传感器的影响环境噪声对测量信号的影响在工业振动测量传感器选用中是一个重要而又 容易忽视的问题。由于振动 信号的大小和频率范围等 综合因素，通用工业用传 感器的灵敏度一般都在50mV/g到200mV/g之间。对噪声判断的重点应考 虑如 何确定工业现场的 环境噪声 以及如何防止外界噪声对测量信号的影响；这要 比传感器自身的电噪声更为重要。最大 限度地降低环境噪声对测量传感器的 影响是工业振动传感器 选择和使用

56、中必须考虑的问题。首先是对地回路这主要是由于传感器和测量系统中的其 他仪器多点接地引 起的接地回路 解决这个问题的一般方 法是在传感器的信号 地（传感器的外 壳和被测物体间 采用绝缘安装座。使传感器 浮地这样便可避免接地回路 的形成。其次在传感器安装 周围有较强的电磁场（大电机或高电压电器，这将直 接影响传感器 输出信号。在 这种情况下 传感器应选用双层屏蔽壳 设计,双层壳 屏蔽形式可以 将外界电磁场对传感器的干扰 减少到最小。当然传感器也因为 重量增加以及引入额外的机械耦合,使传感器的高频响应 将会受到一定的影 响。高温环境下的振动测量对压电型加速度传感器一直是一个挑战。对带内置式电路的传感

57、器其指标一般 多为125。C ,衡量内置电路型传感器在高温 下是 否能正常工作的关 键是传感器的 偏置电压稳定与 否。如果传感器的 偏置电压 不稳定,这将直接影响测量信号。BW-Sensor的内置电路能保证传感器在 125o C有稳定 的偏置电压,与室温环境相比其偏差小于1V。对电荷输出型 加速度传感器的高温测量 将基本取决 于敏感芯体的压电陶瓷特性。采用国产 陶瓷的通用型加速度传感器的最高使用温度一般在170o C左右，BW-sensor有选用进口陶瓷的电荷输出型加速度传感器，其工作温度范围-45o C到+250o C,而且 传感器的温度响应系数 以及温度响应的 离散度都远优于国产陶瓷的传感器性?湿度和各种腐蚀对压电传感器的影响压电加速度传感器为 保证敏感芯体高绝缘一般均采用全密封形式,因此绝 大多数工业振动测量传感器 都能满足在一般工业现场的 湿度条件长期使用。 如对传感器的工作 环境湿度有特殊要求,客户应与制造厂家联系。不锈钢材料通常被用于压电加速度传感器的 壳体，因此传感器的耐 腐蚀能力 能适合大 部分工业现场测试的条件。然而对电 缆外包装材料则由于存在各 种不同选择，客户应根据不同的实际工业现场 条件选择与其相适应电 缆。? 专感器的信号输出接头形式和电缆的选择接头选择是否恰当能直接影响到测量信号,特别是对 双层壳屏蔽 的传感 器。双芯外加屏蔽的电缆与传感器 联体的