發布日期：2022-10-09 點擊率：2573
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聯系方式：
壓電型式的加速度計是振動測試的最主要傳感器。雖然壓電型加速度計的
測量范圍寬，但因市場上此類加速度計品種繁多，所以給正確的選用帶來一定
的難度。
作為選用振動傳感器的一般原則：
正確的選用應該基于對測量信號以下三方面的分析和估算。
a.
被測振動量的大小
b.
被測振動信號的頻率范圍
c.
振動測試現場環境
以下將針對上述三個方面并參照傳感器的相關技術指標對具體的選用作進
一步地討論
·
傳感器的靈敏度與量程范圍
傳感器的靈敏度是傳感器的最基本指標之一。靈敏度的大小直接影響到傳
感器對振動信號的測量。不難理解，傳感器的靈敏度應根據被測振動量（加速
度值）大小而定，但由于壓電加速度傳感器是測量振動的加速度值，而在相同
的位移幅值條件下加速度值與信號的頻率平方成正比，所以不同頻段的加速度
信號大小相差甚大。大型結構的低頻振動其振動量的加速度值可能會相當小，
例如當振動位移為
1mm,
頻率為
1 Hz
的信號其加速度值僅為
0.04m/s2(0.004g)
；
然而對高頻振動當位移為
0.1mm
，頻率為
10 kHz
的信號其加速度值可達
4 x 10
5m/s2 (400g)
。因此盡管壓電式加速度傳感器具有較大的測量量程范圍，但對用
于測量高低兩端頻率的振動信號，選擇加速度傳感器靈敏度時應對信號有充分
的估計。最常用的振動測量壓電式加速度計靈敏度，電壓輸出型（
IEPE
型）為
50~100 mV/g
，電荷輸出型為
10 ~ 50 pC/g
。
加速度值傳感器的測量量程范圍是指傳感器在一定的非線性誤差范圍內所
能測量的最大測量值。通用型壓電加速度傳感器的非線性誤差大多為
1%
。作為
一般原則，靈敏度越高其測量范圍越小，反之靈敏度越小則測量范圍越大。
摘要：
公開了一種用于調節振動傳感器的靈敏度的方法,該振動傳感器用來感測配備有振動傳感器的設備所遭受的攻擊,其中,振動傳感器設置有模式設定裝置并且所述方法包括下述步驟:a)借助所述模式設定裝置將所述振動傳感器設定成安裝模式并且使所述振動傳感器通電(S1);b)在預定時間段內模擬期望的攻擊并借助所述振動傳感器記錄所述預定時間段內的所述攻擊的振幅(S2);并且c)至少基于所述攻擊的振幅確定出所述振動傳感器的靈敏度(S3).還公開了一種對應的振動傳感器.可以快速,簡單且準確地調節振動傳感器的靈敏度.
展開
聲明：本文首發于公眾號：模態空間。未經授權，嚴禁轉載。轉發朋友圈不受影響！
由于傳感器應用十分廣泛，類型多種多樣，在各行各業都有應用。因此，在這里主要介紹用于振動測試的振動傳感器的選型。按測量振動參量分類可分為三大類：位移傳感器、速度傳感器和加速度傳感器（也稱為加速度計）。一般來說，位移傳感器適用于低頻測量，速度傳感器適用于中頻測量，加速度傳感器適用于中高頻測量。由于加速度傳感器具有生產工藝成熟、頻響范圍寬、動態范圍大、安裝方便等特點，因而在振動測試中應用最廣。因此，在這里主要介紹加速度傳感器的選型。
本文主要內容包括：
1. 傳感器分類；
2. 常見的加速計類型；
3. 選型指標；
4. 選型原則。
1. 傳感器分類
在這主要介紹兩種分類，一類是有源與無源，另一類是隔離與非隔離。
有源傳感器是指將傳感器將非電能量轉化為電能量輸出，只轉化能量本身，并不轉化能量信號的傳感器，也稱為能量轉換性傳感器或換能器。因而，這類傳感器工作時需要外部能量源激勵，如激勵電壓，才能正常工作。由于需要進行能量轉化，因而，傳感器內部封裝了電子元器件，測量過程中會帶來噪聲。這類傳感器如ICP型（也稱為IEPE型）加速度度傳感器，零頻加速度傳感器等。
無源傳感器是指不需要使用外接電源就能正常工作的傳感器，且可以通過外部獲取到無限制的能源。這類傳感器對測量系統無噪聲影響，或者影響很小，如應變片（花）、壓電式傳感器等。
隔離傳感器是指傳感器與待測結構之間相隔離，電流不能在二者之間流通。隔離傳感器從電氣角度與被測結構相分離，如應變片（花）通常與被測結構是相隔離的。傳感器實現隔離的通常做法是在傳感器底部安裝了隔離器件，使電流不能流通，如圖1所示紅色器件即是隔離器件。
圖1 隔離傳感器示意圖
非隔離傳感器是指傳感器與被測結構之間無隔離，電流可以在二者之間進行流通。這類傳感器像熱電偶，某些加速度傳感器等。這類非隔離的傳感器通常要求采用浮地或隔離地線，以避免接地循環，關于接地循環，請閱讀《采樣過程中存在的誤差，您肯定不全知道！》。如果傳感器自身不隔離，用戶可以自行使用電氣隔離器件實現隔離，這類器件如云母片、玻璃片和環氧樹脂等。當對處于工作狀態下的待測結構進行測量時，推薦使用“隔離”傳感器。
2. 常見加速度計類型
振動測量一般使用加速度計，是因為加速度計具有以下優點：生產工藝成熟、動態范圍大、頻率范圍寬、線性度好、穩定性高、安裝方便等特點。常用于中小結構的模態試驗、汽車試驗、旋轉機械故障診斷試驗和振動控制試驗等。在這主要介紹兩種類型的加速度傳感器：壓電式和ICP型加速度傳感器。
壓電式加速度傳感器：是一種無源傳感器，屬于慣性式傳感器。利用壓電晶體，如石英晶體、壓電陶瓷等的“壓電效應”：在加速度計感受到振動時，質量塊加在壓電元件上的力也隨之變化。壓電晶體受力變形后，其內部會產生極化現象，同時在它的兩個表面產生符號相反的電荷，當被測振動頻率遠低于加速度計的固有頻率（諧振頻率）時，則力的變化與被測加速度成正比。當外力去除后，又重新恢復到不帶電狀態，這種現象稱為“壓電效應”，具有“壓電效應”的晶體稱為壓電晶體。
壓電加速度計輸出為電荷類型，故需要與電荷放大器配合使用，然后信號再傳輸到采集儀或者與內置電荷調理的采集儀直接連接。電荷放大器以電容作負反饋，使用中基本不受電纜電容的影響，但會受到靜電場的影響。在電荷放大器中，通常用高質量的元器件，輸入阻抗高，因而價格也比較貴，一般用的比較少。
ICP型加速度傳感器（實際這類也屬于壓電傳感器，但在這還是另分一類）：由于壓電式傳感器的輸出電信號是微弱的電荷，而且傳感器本身有很大內阻，故輸出能量甚微，這給后接電路帶來一定困難。為此，通常把傳感器信號先輸到高輸入阻抗的前置放大器。經過阻抗變換以后，電荷量轉換成電壓量，然后再輸出給后續的紀錄儀器。目前，制造廠家已有把壓電式加速度傳感器與前置放大器集成在一起的加速度傳感器，即：ICP型加速度傳感器，也稱IEPE加速度傳感器，不僅方便了使用，而且也大大降低了成本。
ICP型加速度傳感器由于內置了專門的集成調理電路，因此，屬于有源傳感器。而該電路要正常工作需要恒流源供電。當今普遍使用的24位采集儀一般都自帶恒流功能，因而可直接與ICP型傳感器連接使用。
內置集成電路的ICP型優勢是低價位，抗干擾好，可長導線使用，但它的耐高溫、可靠性不如電荷輸出的壓電加速度傳感器，且動態范圍也因輸出電壓和偏置電壓的影響而受到限制。ICP型傳感器的低頻頻響主要受傳感器的放電時間常數影響，因此大多數信號適調器都采用交流耦合。關于交流與直流耦合，請閱讀《信號AC和DC的區別》一文。
3. 選型指標
每一種型號的加速度傳感器都有特別合適的應用場景，因此，測試時必須根據測試使用要求，選擇最合適的加速度傳感器。在選擇加速度計時，主要從傳感器性能、環境因素、電氣特性和物理特性四個方面去考慮。
性能包括靈敏度、量程、頻響特性、諧振頻率、橫向效應和線性度等指標。環境因素包括工作溫度、溫度響應和沖擊極限等。電氣特性包括激勵電壓與電流、穩定時間等。物理特征包括敏感材料，結構設計、尺寸、重量和出線方式等。
性能指標：
量程/靈敏度：每個傳感器都有測量范圍，通常量程大的傳感器，靈敏度低，量程小的傳感器，靈敏度高。通常傳感器輸出電壓的上限為5V，因此，傳感器靈敏度乘以量程得到的為傳感器的量大輸出電壓5V。如某型號傳感器的靈敏度為50mV/g，則該傳感器的量程為100g。通常ICP型加速度傳感器滿足這個規律，而其他類型，如零頻加速度傳感器，則不滿足此規律。另一方面，傳感器靈敏度越高，則傳感器的質量越大，傳感器輸出電壓越大，信噪比越高，分辨能力越強。對于測試不同的結構，應選擇相匹配的傳感器量程，通常，土木橋梁和超大型機械結構加速度振動量級在0.1g～10g 左右，機械設備的振動在 10g～100g 左右。
諧振頻率：傳感器本身也是一個結構，因而，也存在固有頻率，通常，把傳感器的第一階固有頻率稱為諧振頻率。傳感器尺寸越小，諧振頻率越高。加速度計的使用上限頻率取決于幅頻曲線中的諧振頻率。一般傳感器的工作頻率范圍為其自身諧振頻率的1/3以下。
頻響特性：一般加速度傳感器的工作頻率上限為自身諧振頻率的1/3左右。另一方面，通常加速度傳感器低頻特性較差，信號衰減嚴重，而在高頻段線性度差，非線性影響嚴重。如圖2為某型號加速度計的頻響曲線，從曲線圖中可以看出，在2Hz以下信號衰減嚴重，頻響性能差，在12KHz以上線性度差，其諧振頻率約為38KHz。因此，該傳感器的工作頻率為12KHz以下。在選擇加速度計時，加速度計的頻率上限稍高于被測結構的振動頻率即可。一般，土木工程結構的頻率范圍在0.2~1KHz左右，機械設備是中頻段，頻率范圍在0.5~5KHz左右。另外，傳感器的安裝剛度對傳感器能測的頻率范圍也有影響，關于這一點，請參考《傳感器怎樣安裝才能滿足測試要求，誤差最小？》。
圖2 某加速度計的頻響曲線
線性度：由于傳感器測量時只能輸入單一靈敏度，因此，用于描述在一定的頻響范圍內，傳感器的靈敏度是否滿足實際的靈敏度的指標，即為線性度。相對而言，在低頻段（如5Hz以下），傳感器的靈敏度會少于實際的靈敏度，而在高頻段（如大于工作頻率上限），則靈敏度會大于實際的靈敏度。只有在中間頻段，靈敏度滿足線性關系，如圖2所示。如果傳感器不在線性區間進行測量，則測量得到的幅值誤差較大，一般要求傳感器非線性<1%。
橫向效應：當測量某個方向的振動時，信號輸出應該全為振動感知方向，但實際上在與該方向垂直的方向也有信號輸出，這種效應稱為橫向效應。橫向效應靈敏度越低，性能越好，但是相對而言，傳感器都存在一定的橫向效應，通常標稱橫向效應<5%。
環境因素：
使用環境：傳感器使用時受溫度、濕度、塵土等環境因素的影響。任何一種傳感器都有自身的工作溫度范圍，因此必須根據實際測點位置的溫度，以及環境溫度來選擇合適的傳感器。另外，對于測試環境存在潮濕、腐蝕和電磁場等影響因素時，選擇傳感器也應該考慮這些因素。
溫度響應：傳感器的靈敏度會受到溫度的影響，當溫度發生了改變，如果我們還使用常溫下的靈敏度，則會給測量帶來誤差。如圖3為某傳感器的溫度響應曲線，從圖中可以看出，當室溫時，傳感器的靈敏度沒有偏差，但當溫度遠離室溫時，靈敏度偏差則越來越大。因此，傳感器的工作溫度應與溫度響應曲線中靈敏度無偏差的溫度一致。
圖3 某加速度計的溫度響應曲線
沖擊極限：表示傳感器能經受的瞬時沖擊限制，通常用峰值表示，如某傳感器的沖擊極限為±7000g pk。
電氣特性：
激勵電壓/電流：有源傳感器都需要提供激勵電壓/電流才能正常工作，像ICP型傳感器需要提供20-30VDC激勵電壓和2-20mA的恒流激勵。當今的數據采集儀普遍內置了這樣的供電裝置，因此，可直接給ICP傳感器供電。但還有很多其他類型的加速度傳感器，如MEMS加速度傳感器，力平衡式加速度傳感器等，如果采集儀不能提供相應的激勵電壓/電流，則需要選擇外部供電方式。
穩定時間：對于ICP型傳感器，由于存在放電常數，當給傳感器供電時，傳感器輸出的信號會從無窮遠處慢慢地穩定到基線附近，這個時間稱為穩定時間。而我們在進行測量時，應待傳感器輸出的信號穩定之后再進行測量。通常這個時間只需要幾秒鐘。
物理特性：
敏感材料：對于壓電式和ICP型傳感器多半采用石英晶體和壓電陶瓷作為敏感材料。石英晶體的介電和壓電常數的溫度穩定性好，適于做工作溫度很寬的傳感器。具有壓電效應的壓電陶瓷是人工合成的，原始的壓電陶瓷不具有壓電效應。由于壓電陶瓷制作工藝更方便、耐濕、耐高溫等優點，當今的壓電傳感器多半采用壓電陶瓷作為敏感材料。
尺寸和質量：加速度傳感器外形以圓柱體和六面體居多，而圓柱形的加速度計又分頂部出線和側面出線兩種方式。選擇加速度計的外形尺寸時，主要受安裝位置空間的影響，對于安裝位置空間有限的測點，則必須選擇合適的傳感器外形尺寸。另一方面，在選擇傳感器類型時，還必須考慮傳感器本身的重量帶來的附加質量的影響，特別是測試輕質結構時，傳感器本身重量影響顯著。可能對待測結構總質量來說，傳感器的總質量很少，但是，參與振動的不是結構的全部質量，而是參與振動的那部分質量，稱為有效質量，此時，傳感器的總質量可能相對于結構的有效質量會很大，此時傳感器附加質量的影響會很明顯。另外，傳感器安裝時，可能還會使用工裝，此時工裝的質量對結構振動幅值會存在影響。對于一些小巧輕型的結構振動或在薄板上測量振動參數時，傳感器和固定件質量引起的“額外”荷載可能會改變結構的原始振動，從而使測得結果無效。因此，在這種情況下應該使用小而輕的傳感器，估算加速度計質量—荷載的影響。
ar=as*ms/(ms+ma)
式中，ar——帶有加速度計的結構加速度響應；
as——不帶有加速度計的結構加速度響應；
ms——待裝加速度計的結構“部件”的等效質量；
ma——加速度計的質量。
因此，應注意因附加質量而改變結構振動的幅值和頻率，這在大型的工程結構測試中，并不突出，而對小型的機械零部件影響較大，測試分析中要考慮。關于對測量頻率的影響請參閱《怎樣評價傳感器附加質量對模態頻率的影響？》一文。
4. 選型原則
振動加速度傳感器選型原則：
1. 根據與后續設備的匹配性來選擇傳感器類型，如ICP型調理設備宜用ICP型傳感器，電荷調理設備宜選用壓電式傳感器。
2. 當對處于工作狀態下的待測結構進行測量時，宜使用“隔離”傳感器。若傳感器自身不隔離，可在傳感器底部添加絕緣材料作為隔離器件。
3. 測點位置的振動量級宜為選擇的傳感器量程的60-80%，這樣能保證信噪比高，又不會過載。
4. 選擇的傳感器的工作頻率范圍略高于實際測量的帶寬即可。
5. 根據環境因素來選擇合適的傳感器，如測量處的溫度、濕度應保證選用的傳感器正常工作，且測量幅值不受影響。
6. 根據測量位置的空間來選擇傳感器尺寸和出線方式。
7. 對于輕質結構則必須考慮傳感器重量對測量的影響。
8. 根據行業應用選擇傳感器，如機械行業宜選用振動量級大，頻率頻率廣的傳感器，而土木行業宜選用量程小，靈敏度高，低頻性能好的傳感器。
因此，在選擇傳感器時，必須充分考慮以上因素，選擇最合適的傳感器進行測量，盡量減少因傳感器本身給測試帶來的影響。
擴展閱讀
1.信號AC和DC的區別
2.傳感器怎樣安裝才能滿足測試要求，誤差最小？
3.怎樣評價傳感器附加質量對模態頻率的影響？
4.采樣過程中存在的誤差，您肯定不全知道！
5.AD位數是如何影響信號幅值的？
覺得不錯，請點贊！
如何標定加速度傳感器的靈敏度
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1、簡介
加速度傳感器被廣泛應用于振動分析和旋轉機械的故障診斷。加速度傳感器在使用一段時間后通常需要進行靈敏度校準，但由于傳統的校準裝置非常昂貴，用戶不得不將傳感器送到生產廠家去進行校準，這往往需要耗費很長的時間。
MC-20 便攜式加速度傳感器校準儀正是基于這一需要推出的，它有著加振器和顯示屏集成一體的緊湊型設計，體積小巧便攜，并且使用干電池供電，可以在短時間內快速校準加速度傳感器的靈敏度，非常適合在現場使用。
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2、結構及名稱
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3、產品特點
1、標定儀內置了加振器，可以直接讀取壓電加速度傳感器的靈敏度值，
標定過程可以在很短時間內完成。
2、儀器小巧輕便，方便攜帶和現場使用。
3、可以使用干電池工作，如果在實驗室長時間使用也可使用適配器供電。
4、對于電壓輸出型的加速度傳感器，標定儀可提供多種驅動電源。
5、MC-20 標定儀可以記錄 100 組傳感器的標定數據，也可使用 USB 電纜進行傳輸。
6、標定儀對于靈敏度較低或者體積很小的加速度傳感器也可以進行標定。
7、當和大體積的加速度傳感器配套使用時，MC-20 可以當作加振器使用，
并可提供 10m/s2振動加速度。
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4、使用方法
（1）將要校準的加速度傳感器安裝到加振器上。
請用手直接安裝（如果使用扳手安裝的話，扳手的力矩不能超過 2.0N?m）。
加振器是用M6絲錐加工的，因此如安裝 M6螺絲以外的傳感器時，
請使用轉換螺絲。此外，也可裝上附帶的 M6-flat轉換螺絲，涂上硅膠潤滑油，
貼緊固定后，進行校準。
（2）請將傳感器的輸出與 input 接頭連接。
（3）將電源開關調成 on。
（4）傳感器是標準型的情況下，請按下選擇開關，使 normal 燈亮起；
傳感器是內置前置放大器的情況下，請按下選擇開關，使 preamp 燈亮起。
內置前置放大器的驅動電流和主機內控制板設置的電流值不一致時，校準誤差會變大。
（5）讀取顯示器的校準值
標準型的單位是pc/m/s2，內置前置放大器的單位為mV/m/s2。
將電源開關設為on、或切換了選擇開關之后，大概 6 秒鐘之后顯示結果才能穩定。
請將本品放在不易震動、平穩的臺子上進行使用。震動較大的情況下，誤差也會變大，
顯示會不穩定。如果找不到合適的放置場所，請放在手中，平穩的校準。
（6）電池電壓不足時，battery low 的指示燈會亮起。
取下電池蓋，將 4 節 5 號電池全部換成新的。
（7）傳感器重量超過 130 克的話，over load 指示燈會亮起。
該顯示燈亮起時，校準誤差可能變大。
（8）校準之后，將電源開關調成 off 關閉電源，取下傳感器。
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本人標定電荷輸出型加速度傳感器結果如下：
傳感器型號S21C、靈敏度1.63pC/m/s2
本人標定IEPE電壓輸出型加速度傳感器結果如下：
傳感器型號PA51C、靈敏度5.08mV/m/s2
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5、技術參數
（1）校準范圍： 電荷輸出型傳感器? 0.00～19.99pC/m/s2
內置放大器的傳感器 0.00～19.99mV/m/s2
（2）校準傳感器重量： 約 130gm 以下
（3）校準精度： ±（3％＋2digit） （23±5℃）
（4）加振器振動加速度： 4.9m/s2 ± 3％ （23±5℃）
（5）加振器振動頻率： 159.2Hz ± 2％
（6）傳感器安裝螺孔： M6? 深 6.5mm
（7）工作溫度范圍： 0～＋50℃
（8）存儲溫度范圍： －10～＋50℃
（9）使用電池： 4節5號干電池
（10）電流消耗：最大電流 120mA
（11）電池壽命：連續使用約 8 小時，校準 1500 次左右
（測試條件：校準傳感器重 40 克，每次校準時間為 30 秒）
（12）加速度傳感器供電： 直流 15V 0.5mA
（13）外形尺寸： 120(寬) X 140(長) X 50(高)mm
（14）重 量： 約 1kg（包括干電池在內）
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※使用重力加速度單位 G 的情況
因為 1G =9.807m/s2，所以如將顯示的值擴大 9.807 倍的話，
就可以知道相當于以 G 為單位的靈敏度值。
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