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加速度传感器应用及注意事项
发布时间:2011-09-07   点击次数:7827次

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。尽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,对某一振动信号的丈量,实际上是对组成该振动信号的正弦频率分量的丈量。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丈量幅值精度的高低来评定。
  
    zui常用的振动丈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。压电式加速度传感器由于具有丈量频率范围宽、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zui常用的振动传感器。
  
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。压电式加速度传感用具有动态范围大、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zui为广泛使用的振动丈量传感器。固然压电式加速度传感器的结构简单,贸易化使用历史也很长,但因其性能指标与材料特性、设计和加工工艺密切相关,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zui大的缺点是压电式加速度传感器不能丈量零频率的信号。 
  
    ·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丈量电桥,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丈量要求。在灵敏度和量程方面,从低灵敏度高量程的冲击丈量,到直流高灵敏度的低频丈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丈量频率范围也可从直流信号到具有刚度高,丈量频率范围到几十千赫兹的高频丈量。超小型化的设计也是压阻式传感器的一个亮点。需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本钱价具有很大的市场竞争力,但对特殊使用的敏感芯体制造本钱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;但不足之处表现在信号的输进与输出为非线性,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丈量,其通用性不如压电式加速度传感器,且本钱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zui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zui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,固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zui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丈量范围。而zui大的缺点是不能有效地排除各种干扰对丈量信号的影响。 
  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zui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丈量范围却是传感器制造中工艺中zui为困难的一个环节, 采用进口记忆金属材料的紧固件从而保证传感用具有稳定可靠的谐振频率和频率丈量范围。 
  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,也较轻易实现控制阻尼;但由于其丈量频率范围低,更由于此结构不能排除因温度变化而极轻易产生的信号漂移,所以此结构在压电型加速度计的设计中很少被采用。
   压电式加速度传感器的信号输出形式
压电型式的加速度计是振动测试的zui主要传感器。固然压电型加速度计的丈量范围宽,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丈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 
  
传感器的灵敏度与量程范围
    传感器的灵敏度是传感器的zui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丈量。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丈量振动的加速度值,而在相同的位移幅值条件下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);然而对高频振动当位移为0.1mm,频率为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用具有较大的丈量量程范围,但对用于丈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。zui常用的振动丈量压电式加速度计灵敏度,电压输出型为50~100 mV/g,电荷输出型为10 ~ 50 pC/g。 
    加速度值传感器的丈量量程范围是指传感器在一定的非线性误差范围内所能丈量的zui大丈量值。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,灵敏度越高其丈量范围越小,反之灵敏度越小则丈量范围越大。
  
    电压输出型压电加速度传感器的丈量范围是由在线性误差范围内所答应的zui大输出信号电压所决定,zui大输出电压量值一般都为±5V。通过换算就可得到传感器的zui大量程,即即是zui大输出电压与灵敏度的比值。需要指出的是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,传感器的zui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丈量也可能会使信号失真;这种现象在高低温丈量时需要特别留意,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信号不稳定

传感器的高频丈量指标通常由高频截止频率来确定,而一定截止频率与对应的幅值误差相;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丈量精度进步,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。另外由于丈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丈量频带内的信号上,造成较大的丈量误差。所以在选择传感器的高频丈量范围时除高频截至频率外,还应考虑谐振频率对丈量信号的影响;当然这种丈量频段外的信号也可通过在丈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回类,供用户在选用时对比和参考。
  
传感器输出接头形式
    M5 ( 接头是加速度传感器zui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 (M6) 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轻易受干扰的高阻抗信号一般均采用M5 (M6) 接头。丈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;因此假如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。 
  
    用于产业环境下的振动丈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,所以双芯产业接头如M12, M16 以及C5015均被广泛使用。另外连体电缆具有较高的可靠性,因此在产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。
  
    ·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须的。高频,低频信号对电缆不同要求的典型的例子是多轴向丈量传感器的电缆,多通道高阻抗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,Φ2 mm 直径的低噪声电缆为加速度传感器的标准配置。产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Φ3 mm 直径的低噪声电缆和Φ4.5 mm 直径的普通同轴屏蔽电缆成为zui常使用的电缆。而对双层屏蔽壳设计的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zui经常考虑的指标是电缆的应用温度以及在产业现场测试中电缆外层材料耐腐蚀的能力。zui为普遍使用的电缆尽缘材料为PVC, 使用温度范围为-40oC 到+105oC 。对应用环境较恶劣的场合,zui经常选用的电缆尽缘材料为聚四氟乙烯;其使用温度范围为-45oC 到+250oC,且耐腐蚀能力也优于其它大多数电缆尽缘材料。但用四氟材料做的电缆柔性较差,价格也远高于PVC 材料。
  
  
  外界环境对传感器的影响
  
    ·传感器横向灵敏度及横向振动对丈量的影响
    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zui小,而人工合成晶体的使用温度甚至高于石英;但在贸易化的压电加速度传感器中zui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。另由于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 +250oC 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丈量信号(特别在低频丈量中)。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丈量中,请参看应用>低频丈量
  
    ·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丈量的要求。
  
    ·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。zui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,尽大多数传感器的这一指标都能满足通常的丈量条件。
  
    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zui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。
          
 

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