發布日期：2022-10-09 點擊率：138
原標題：加速度傳感器種類剖析及適用性
本文內容轉載自《中國檢驗檢測》2019年第4期，版權歸《中國檢驗檢測》編輯部所有。
徐文駿
上海航天電子有限公司/上海科學儀器廠
0 引言
加速度傳感器是工程振動測量中的最重要因素。在測試系統中，傳感器是數據采集分析的第一環節，因此，能否正確選擇和使用傳感器將直接影響到測量信號的質量和精度。雖然從事工程振動的人員都知道這個概念，但在實際應用中卻往往因為各方面的原因而無法正確判斷傳感器是否真實反映了被測信號。另一方面在科技不斷發展的趨勢下，環境模擬的試驗條件要求越來越高，與之對應傳感器的技術指標也不斷提高，從而使之前廣泛應用的單一標準傳感器發展到如今類別的多樣化，也對工程人員在應對不同試驗要求的傳感器選擇上增加了相應的難度。
1 傳感器的種類
目前市場中常見的加速度傳感器分為三大類別，分別為壓電式、壓阻式和電容式。
1.1 壓電式
壓電式加速度傳感器的構造是利用了彈簧質量系統的原理。敏感芯體質量受振動加速度作用后產生一個與加速度成正比的力，壓電材料受此力作用后沿其表面形成與此力成正比的電荷信號，從而能采集到數據。
壓電式加速度傳感器具有動態范圍大、頻率范圍寬、堅固耐用、受外界干擾小以及不需要外界電源等特點，是目前被工程人員使用最為廣泛的振動測量傳感器。雖然壓電式加速度傳感器相對來說結構比較簡單，誕生時間也較長，但因其性能指標與材料特性、設計和加工工藝密切相關，因此，在市場上銷售的同類傳感器性能的實際參數以及其穩定性和一致性差別非常大。與壓阻和電容式相比，其最大的缺點是壓電式加速度傳感器不能測量零頻率的信號。
1.2 壓阻式
壓阻式加速度傳感器的敏感芯體為半導體材料制成的電阻測量電橋，其結構動態模型仍然是彈簧質量系統。現代微加工制造技術的發展使壓阻式敏感芯體的設計具有很大的靈活性以適合各種不同的測量要求。在靈敏度和量程方面，從低靈敏度高量程的沖擊測量，到直流高靈敏度的低頻測量都有壓阻形式的加速度傳感器。同時壓阻式加速度傳感器測量頻率范圍也可從直流信號到幾十千赫茲的高頻測量。壓阻式傳感器的最大亮點就是超小型化的設計，可以在很多狹小的空間內使用。需要指出的是盡管壓阻敏感芯體的設計和應用具有很大靈活性，但對某個特定設計的壓阻式芯體而言其使用范圍一般要小于壓電型傳感器。壓阻式加速度傳感器的另一缺點是受溫度的影響較大，使用的傳感器都需要進行溫度補償。在價格方面，使用特殊敏感芯體制造的壓阻式傳感器成本將遠高于壓電型加速度傳感器，通常要達到好幾倍以上。
1.3 電容式
電容式加速度傳感器的結構形式也采用了彈簧質量系統。當質量受加速度作用運動而改變質量塊與固定電極之間的間隙進而使電容值產生變化。電容式加速度計于其他類型的加速度傳感器相比具有靈敏度高、零頻響應、環境適用性好等特點，尤其是受溫度的影響比較小，能夠運用于很多現場環境苛刻的數據采集；但不足之處表現在信號的輸入與輸出為非線性，量程有限，并且受電纜的電容影響，因為電容傳感器本身是高阻抗信號源，因此，輸出信號往往需要通過后繼電路給予改善，對屏蔽電纜線有著很高的使用要求。在實際應用中電容式加速度傳感器大多用于低頻測量，其通用性遠不及壓電式加速度傳感器，且成本也要比壓電式加速度傳感器高出許多倍。
2 壓電式加速度傳感器的敏感芯體材料和結構形式
2.1 壓電材料
壓電材料一般可以分為兩大類，即壓電晶體和壓電陶瓷。壓電型加速度計最常用的壓電晶體材質為石英，因為石英的材料特性是工作溫度范圍寬，性能穩定，所以在實際應用中經常被用作標準傳感器的壓電材料。
由于石英的壓電系數比其他壓電材料低很多，所以通用型的壓電傳感器都采用壓電陶瓷作為主材料。陶瓷中的鋯鈦酸鉛是目前壓電加速度計中最經常使用的壓電材料。其特點為具有較高的壓電系數和居里點，各項機電參數隨溫度時間外界條件的變化相對較小。如圖1所示。
圖1 石英壓電傳感器內部結構
但是就同一種的壓電陶瓷而言，雖然都具有相同的基本特性，但由于制作工藝不同可以使兩個相同材料的壓電陶瓷的具體性能指標相差甚大。這種現象在國產傳感器和進口傳感器的互相比較上尤為明顯。兩者雖然材料不同，但是在構造上卻是近似一致。如圖2所示。
圖2 陶瓷壓電傳感器內部結構
2.2 傳感器敏感芯體的結構形式
壓電加速度傳感器的敏感芯體一般由壓電材料和附加質量塊組成，當質量塊受到加速度作用后便轉換成一個與加速度成正比并加載到壓電材料上的力，而壓電材料受力后在其表面產生一個與加速度成正比的電荷信號。壓電材料的特性決定了作用力可以是受正應力也可以是剪應力，壓電材料產生的電荷大小隨作用力的方向以及電荷引出表面的位置而變。根據壓電材料不同的受力方法，常用傳感器敏感芯體的結構一般有以下三種形式：
a) 壓縮形式：壓電材料受到壓縮或拉伸力而產生電荷的結構形式。壓縮式敏感芯體是加速度傳感器中最為傳統的結構形式。其特點是制造簡單方便，能產生較高的自振諧振頻率和較寬的頻率測量范圍。而最大的缺點是不能有效地排除各種干擾對測量信號的影響。
b) 剪切形式：通過對壓電材料施加剪切力而產生電荷的結構形式。從理論上來說在剪切力作用下的壓電材料所產生的電荷信號受外界干擾的影響甚小，因此，剪切結構形式是最適合廣泛使用的加速度傳感器敏感芯體。然而在實際制造過程中，要確保剪切敏感芯體的加速度計具有較高和穩定的頻率測量范圍卻是傳感器制造工藝中最為困難的一個環節。要得到高參數指標只能采用進口記憶金屬材料的緊固件從而保證傳感器具有穩定可靠的諧振頻率和頻率測量范圍。
c) 彎曲變形粱形式：壓電材料受到彎曲變形而產生電荷的結構形式。彎曲變形粱結構可產生比較大的電荷輸出信號，也較容易實現控制阻尼；但因為其測量頻率范圍低，更由于此結構不能排除因溫度變化而極易產生的信號漂移，所以此結構在壓電型加速度計的設計中很少被采用。
3 壓電式加速度傳感器的信號輸出形式
3.1 電荷輸出型
傳統的壓電加速度計通過內部敏感芯體輸出一個與加速度成正比的電荷信號。實際使用中傳感器輸出的高阻抗電荷信號必須通過二次儀表將其轉換成低阻抗電壓信號才能讀取。由于高阻抗電荷信號非常容易受到干擾，所以傳感器到二次儀表之間的信號傳輸必須使用低噪聲屏蔽電纜。由于電子器件的使用溫度范圍有限，所以高溫環境下的測量一般還是使用電荷輸出型。
3.2 IEPE輸出型
IEPE型壓電加速度計既工程人員稱之的ICP型壓電加速度計，也稱為低阻抗電壓輸出型加速度計。
壓電傳感器換能器輸出的電荷通過裝在傳感器內部的前置放大器轉換成低阻抗的電壓輸出，而IEPE型傳感器則為二線輸出形式，采用恒電流電壓源供電，直流供電和信號使用同一根線的方式，因為直流電部分在恒電流電源的輸出端需要通過高通濾波器濾去雜波信號。
IEPE型傳感器的最大優點是測量信號質量好、噪聲小、抗外界干擾能力強和測量 距離遠，特別是隨著科技的發展，現在已經有很多新型的數采系統很多都已配備恒流電壓源，因此，IEPE傳感器能與數采系統直接相連而不需要任何其他二次儀表，在振動測試中IEPE傳感器已逐漸取代傳統的電荷輸出型壓電加速度計。
4 小結
加速度傳感器隨著科技的發展，種類不斷的增多，從最早的進口制造商B&K，到現在國產的制造商B&W，光是力學傳感器的種類以及超過了3位數，并且隨著科技的發展，越來越多的苛刻試驗的順勢而生，傳感器的原理、分類以及適用性事工程人員所要了解的必修課，只有了解透徹，才能更好的完成試驗工作。返回搜狐，查看更多
責任編輯：
壓電式加速度傳感器的工作原理
壓電式加速度傳感器的傳感元件為壓電晶體。若沿壓電晶體的極化方向施加一外力使其變形，則壓電晶體內部發生極化，受力的兩端面出現極性相反的電荷，若撤去外力，則壓電晶體恢復到初始狀態，這就是正壓電效應。若沿壓電晶體的極化方向施加一電場，則壓電晶體出現變形，若撤去電場，則壓電晶體恢復到初始狀態，這就是逆壓電效應。壓電式加速度傳感器就是利用了壓電晶體的正壓電效應，將機械能轉換為電能，從而實現對振動加速度信號的測量。
壓電式加速度傳感器常見的結構形式有中心壓縮式、環形剪切式、三角剪切式。測量被測對象振動大小時，需選擇測點并將加速度傳感器安裝牢靠。將壓電式加速度傳感器的壓電晶體看做理想彈性體，忽略壓電晶體與殼體之間連接膠層的質量，只考慮膠層的阻尼系數，并將壓電式加速度傳感器一端簡化為自由端、一端簡化為固定端，則可得到其工作時的力學簡化模型，力學簡化模型如圖1所示。壓電式加速度傳感器的振動方程為mx2+cx1+kx=F（t）
式中： m為壓電晶體的質量kg；c為膠層的阻尼系數N·s /m；k為壓電晶體的剛度系數N/m；x為壓電晶體的位移m；x1為壓電晶體的速度m/s；x2為壓電晶體的加速度m/s2；F（t）為作用于壓電式加速度傳感器的外力N。
壓電式加速度傳感器的結構
壓電式加速度傳感器的結構型犬有壓縮型、剪切型和彎曲型三種，圖11—5為壓縮型加速度計結構示意圖。其敏感元件是壓電晶體片4，晶體片上壓一個質量塊3，用一個剛度較大的彈簧2對這個質量塊施加一個預緊力，并將它們綻在一個帶有厚的基座6的金屬外殼1內。當加速度計安裝在被測扳動物體上而隨之板動時，質量塊就產生一個正比于振動加速度的力作用在壓電晶體片上，根據正壓電效應，在晶體片兩相對的表川上就產生交變的電材，共大小與作用力成正比，田質量塊的質量固定不變，所以晶體片上的電荷與扳動加速度成正比.
描述
壓電式加速度傳感器應用場合
在現代生產生活中被應用于許許多多的方面，如手提電腦的硬盤抗摔保護，目前用的數碼相機和攝像機里，也有加速度傳感器，用來檢測拍攝時候的手部的振動，并根據這些振動，自動調節相機的聚焦。壓電加速度傳感器還應用于汽車安全氣囊、防抱死系統、牽引控制系統等安全性能方面。
壓電式加速度傳感器的選擇
一、靈敏度的選擇
制造商在產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、質量允許的情況下，盡量選擇高靈敏度的傳感器，以提高后續儀器輸入信號，提高信噪比。在兼顧頻響、質量的同時，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構的振動在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. 特殊的土木結構（如樁基）和機械設備的振動在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ms-2～ms-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應更高。土木工程一般是低頻振動，加速度傳感器頻率響應范圍可選擇0.2Hz～1kHz，機械設備一般是中頻段，可根據設備轉速、設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。如發電機轉速在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，安裝選擇應根據方便、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影響很大，應注意選擇。加速度傳感器的質量、靈敏度與使用頻率成反比，靈敏度高，質量大，使用頻率低，這也是選擇的技巧。
三、內部結構
內部結構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、環型剪切。
中心壓縮型頻響高于剪切型，剪切型對環境適應性好于中心壓縮型。如配用積分型電荷放大器測量速度、位移時，最好選用剪切型產品，這樣所獲得的信號波動小，穩定性好。
四、內置電路
內置的概念是將放大電路置于加速度傳感器內，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，下面所指內裝電路專指ICP型。目前，內置電路傳感器一般是與數據采集儀配套，在國內使用較多的方面是用于機械故障、樁基檢測，不少在線監測項目上也在使用該類產品。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，穩定可靠、抗潮濕、抗粉塵、抗有害氣體。內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以內振動，如測量100g，則用50mV/g的加速度計，其余以此類推。
五、環境影響
某些測試現場的環境較為惡劣，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鍵。
位置限制：加速度傳感器永久安裝在現場會受到人為碰撞，應選擇工業型長期監測加速度傳感器，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場，應選擇特殊外殼材料的加速度傳感器和專用導線，此類研究國內還比較少見。對于兩點接地、潮濕等現場，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，而永久型監測或干擾大的工況則應采用浮地型。這二種命名的區別在于絕緣型產品的外殼為信號地，而浮地型產品的外殼為屏蔽層。
附加質量：在振動結構上安裝的加速度傳感器的質量要小于被測點的自身動態質量的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，這都要根據測量要求來確定。
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狀況。內裝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據采集儀器，可以將該類型傳感器直接接入數據采集儀器。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壓電源供電。目前ICP加速度傳感器的典型供電方式為：24V4mA恒流。
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壓電振動傳感器通過安裝在電力設備表面的振動傳感器獲得振動信號，從中提取特征量后結合數據處理及故障診斷方法，可有效評估運行狀態，被廣泛應用于電力設備在線監測或臨時性檢測。
壓電振動傳感器是感知振動信號的傳感器件，按用途可分為壓電加速度傳感器、壓電力傳感器、壓電力矩傳感器、壓電應力傳感器等，其中以壓電加速度傳感器使用最為廣泛。
按不同振動方式和傳感器結構，壓電加速度傳感器可分為壓縮式（d33型）、剪切式（d15型）、彎曲式（d31型）等。當驅動力較大而結構形變不大時，選擇d33型轉換；驅動力較小而形變大時，考慮選擇d31型轉換。
剪切式壓電加速度傳感器如圖1所示。其結構與壓縮式傳感器類似，壓電敏感元件處于中心柱和質量塊中間，采用壓縮環或螺栓提供預壓力。在接收外部振動時，質量塊產生的剪切應力直接作用在敏感元件上。
由于敏感元件和傳感器基座分離，敏感元件受溫度影響較小。壓電元件圍繞固定中心支柱徑向安裝，慣性質量塊圍繞這些元件安裝。整個結構通過最常用的粘接方式連在一起，剪切型加速度通常表現出更高的基座應變靈敏度和溫度瞬態響應靈敏度。
圖1 剪切式壓電加速度傳感器
也有課題組和企業針對復雜空間測量需求，研發多模式混合加速度傳感器和三軸加速度傳感器。
GaoXiangyu等基于PNN-PZT壓電材料，設計了同時具有d33和d31振動模式的鈸形壓電傳感器；HanRuihua等設計基于PZT壓電薄膜的四懸臂梁彎曲式三軸加速度傳感器，諧振頻率230.46Hz，X、Y、Z三軸電荷靈敏度分別達到23.85pC/g、4.62pC/g和4.62pC/g。飛思卡爾、西人馬等公司也分別推出2.7kHz帶寬的三軸模擬加速度傳感器和靈敏度（±10%）100mV/g、頻率響應（±5%）10Hz~6kHz的壓縮式三軸加速度傳感器。
本文編自2021年第7期《電工技術學報》，論文標題為“壓電材料與器件在電氣工程領域的應用”，作者為姚睿豐、王妍 等。
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