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加速度传感器的原理及其选型方法

供稿:中国工控网 2016/8/25 9:49:45

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  • 关键词: 加速度传感器 传感器选型
  • 摘要:对于多数工程应用来说,选择合适的测试工具将对测试结果产生很大的影响。本文将帮助读者正确的选择加速度传感器。

  对于多数工程应用来说,选择合适的测试工具将对测试结果产生很大的影响。本文将帮助读者正确的选择加速度传感器。让我们从传感器的分类和原理开始。

  基本的加速度传感器类型

  总的来说有两类加速度传感器:交流响应加速度传感器直流响应加速度传感器

  作为交流响应的加速度传感器,正如它的名称,它的输出是交流耦合的。此类传感器不能用来测试静态的加速度,比如重力加速度和离心加速度。他们仅适合测量动态事件。而直流响应的加速度传感器,具有直流耦合输出,能够响应低至0赫兹的加速度信号。因此直流响应的加速度传感器适合同时测试静态和动态的加速度。并不是只有需要测试静态加速度时才选择直流响应的加速度传感器。

  加速度,速度,位移

  许多对于振动的研究需要获取加速度,速度和位移的信息,这些是工程师们设计和验证结构时所需要的重要信息。一般说来,加速度提供了很好的参考,而速度和位移却是计算时所需的变量。为了从加速度计算出速度和位移,从传感器输出的加速度信号会通过数字或模拟的形式分别做一次和二次积分。这就可能导致了交流耦合的传感器会产生问题。为了演示这个问题,设想采用交流传感器测量一个宽脉冲半正弦波信号。由于固有的交流RC时间常数的限制,传感器的输出不能很好跟输入脉冲吻合。同样的原因,在脉冲的结束点,传感器输出将产生一个负向零点偏移。下图展示了传感器的输出(红色的曲线)和宽脉冲半正弦加速度输入(蓝色曲线)的关系。

  这个看似微小的幅度上的差异在积分之后将产生重大的误差1。直流响应的加速度传感器却没有这样的问题,因为其输出能够准确的跟随缓慢变化的输入。在实际的日常应用中,输入信号可能不是单纯的半正弦脉冲,但是用交流耦合的传感器测试任何缓慢变化的信号时这样的问题始终会存在。

  现在我们看看各种常用的加速度传感器技术。

  交流响应加速度传感器

  最常用的交流响应加速度传感器是采用压电元件作为其敏感单元的。当有加速度输入时,传感器中的检测质量块“移动”使压电元件产生正比于输入加速度的电荷信号。从电学角看,压电元件如同一个有源的电容器,其内阻在10x9欧姆级别。由内阻和电容决定了RC时间常数,这也决定了传感器的高频通过特性。由于这个原因,压电加速度传感器不能用于测量静态事件。压电元件可来自于自然界或人造。它们有不同的信号转换效率和线性。市场上有两类压电加速度传感器-电荷输出型,电压输出型。

  电荷输出型加速度传感器

  主要的压电加速度传感器采用锆钛酸盐陶瓷,具有很宽的工作温度范围,宽的动态量程,宽的频率范围(可用频率>10kHz)。电荷输出型加速度传感器把压电陶瓷封装在具有气密性的金属外壳中。由于具有抵抗严酷环境的能力,其具有非常好的耐久性。由于其具有很高的阻抗,该传感器需要配合电荷放大器和低噪声屏蔽电缆使用,最好是同轴电缆。低噪声电缆是指其具有低的摩擦电噪声2,这是一种运动产生的来自电缆本身的噪声。很多传感器厂家同时提供这种低噪声电缆。电荷放大器和电荷输出型加速度传感器连接,从而可以消除电缆电容和传感器电容并联带来的影响。配合先进的电荷放大器,电荷输出型加速度传感器很容易实现宽的动态响应(>0dB)。由于压电陶瓷的工作温度范围很宽,有些传感器可以用于-200°C到+400°C,甚至更宽温度的环境。它们特别适合极限温度下的振动测试,如涡轮引擎的监测。

                                   

  电压输出型加速度传感器

  另一种压电加速度传感器输出电压信号而不是电荷信号。这种传感器的内部包含了电荷放大器。电压模式的传感器有3线式(信号,地,电源)和2线式(信号/电源,地)。2线式又被称为集成电路式压电传感器(IEPE)。由于可以方便的采用同轴线(2线,芯线和屏蔽线)连接,IEPE非常流行。该模式下,交流信号叠加在直流电源上。在输出端串联一个耦合电容能够去掉传感器的直流偏置电压,从而仅获得传感器信号输出。许多现代仪器提供IEPE/ICP3输入接口,从而可以和IEPE传感器直接连接。如果IEPE供电接口不可用,需要一个带有恒流源的信号放大器和IEPE传感器一期使用。3线式传感器则需要一根单独的直流电源线供电。

  与电荷输出型加速度传感器不同的是,除了压电陶瓷元件,电压输出型加速度传感器包含一个微型电路,电路的工作温度范围限制了传感器的整体工作温度范围,通常不超过5°C。也有一些设计提高到了175°C,但其在其它性能方面会有所下降。

  可用动态范围-由于压电陶瓷元件具有极宽的动态范围,电荷输出型加速度传感器在量程定义上显得十分灵活,因为其满量程可以通过远程的电荷放大器由用户自由调节。而电压输出型加速度传感器具有既定的满量程,其决定于内部的电荷放大器,一旦由工厂生产出来,将不再能改变。

  压电加速度传感器可以制成很小的封装,因此适合做轻结构的动态测试。

  直流响应加速度传感器

  两种技术经常被用来制作直流响应加速度传感器:电容型压阻型

  电容型

  电容型(随加速度变化,由检测质量块引起电容变化)加速度传感器在当今是最通用的。在某些领域无可替代,如安全气囊,手机移动设备等。高的产量使得该类传感器成本低廉。但是这种低成本的传感器受制于较低的信噪比,有限的动态范围。所有的电容型加速度传感器都具有内部时钟,该时钟(~500kHz)是检测电路必不可少的部分,由于泄漏经常会对输出信号产生干扰。这种噪声的频率远高于测量信号的频率,一般不会对测量结果造成影响,但是它始终和测试信号叠加在一起。由于内置了放大器芯片,其一般具有3线(或4线差分输出)接口。只要有直流供电便能工作。

  电容型加速度传感器的工作带宽一般限制在几百Hz,部分原因是其具有大的内部结构和重的空气阻尼。电容型加速度传感器适合测量低量程的加速度,其上限一般在100g以内。除了这些限制,现代的电容型加速度传感器,特别是仪用级别的器件,具有很好的线性和高的稳定性。

  电容型加速度传感器通常适合板载测试,成本低是一个原因。对于低频运动测试,加速度一般也低,它们是一个理想的选择。例如土木工程中的振动测试。

  压阻型

  压阻型加速度传感器是另一种广泛应用的直流响应加速度传感器。不同于电容型加速度传感器通过电容的变化测量加速度,压阻型加速度传感器通过应变电阻值的变化输出加速度信号,应变电阻是传感器惯性感应系统的一部分。很多工程师熟悉应变片,并知道如何测量其输出。大多数的压阻型传感器对温度变化敏感,因而需要对其输出信号在传感器内部或外部做温度补偿。现代压阻型加速度传感器包含一个专用集成电路做在板信号处理,也包含温度补偿。

  压阻型加速度传感器的工作频率可达5000Hz。许多压阻型加速度传感器要么采用空气阻尼(MEMS型),要么采用液体阻尼(粘贴应变片型)。阻尼特性是选择传感器的一个重要因素。某些应用下,输入的机械振动包含高频成份(或激发高频响应),带阻尼的传感器可以防止本身产生振铃(谐振),从而保留或增大了可用动态范围。由于压阻型加速度传感器的输出是差分的纯电阻信息,信噪比通常很好;其动态范围仅受限于后接直流放大器的品质。对于高加速度冲击测试,某些压阻型加速度传感器能够测量到超出10000g的加速度。

  由于具有宽的频率响应能力。压阻型加速度传感器适合做脉冲、碰撞测试,在这些测试中频率和加速度通常都很高。作为具有直流响应能力的传感器,通过其加速度输出,使用者可以得到无积分误差的速度和位移信息。压阻型加速度传感器通常应用于汽车安全测试,武器测试,地震测试等。

  小结

  每种加速度传感器技术都有其优缺点。在作出选择之前,明确它们的区别和测试需求是非常重要的。首先也是最重要的是,对于需要测量静态加速度或低频加速度(<1hz)的应用,或者需要用加速度计算速度和位移的应用,需要选择具有直流响应的加速度传感器。直流和交流响应的加速度传感器都可以测量动态信号。当仅需要测量动态信号时,使用者可以各取所好。有些使用者不喜欢处理直流响应加速度传感器的零点偏置,而更加喜欢交流耦合、单端输出的压电加速度传感器。而另一些使用者不在乎处理零点偏置,习惯3线或4线接口,喜欢负载电阻自检测试(shunt),和重力加速度自检测试(2g翻转)功能。他们会选择直流响应加速度传感器。

                                   

审核编辑(王静)
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