【導讀】由于傳感器應用十分廣泛，類型多種多樣，在各行各業(yè)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。
由于傳感器應用十分廣泛，類型多種多樣，在各行各業(yè)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(chǎn)工藝成熟、頻響范圍寬、動態(tài)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(nèi)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(zhuǎn)化為電能量輸出，只轉(zhuǎn)化能量本身，并不轉(zhuǎn)化能量信號的傳感器，也稱為能量轉(zhuǎn)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(zhuǎn)化，因而，傳感器內(nèi)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(tǒng)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(jié)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(jié)構相分離，如應變片（花）通常與被測結(jié)構是相隔離的。傳感器實現(xiàn)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(jié)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(huán)，關于接地循環(huán)，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(xiàn)隔離，這類器件如云母片、玻璃片和環(huán)氧樹脂等。當對處于工作狀態(tài)下的待測結(jié)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(yōu)點：生產(chǎn)工藝成熟、動態(tài)范圍大、頻率范圍寬、線性度好、穩(wěn)定性高、安裝方便等特點。常用于中小結(jié)構的模態(tài)試驗、汽車試驗、旋轉(zhuǎn)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(zhì)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(nèi)部會產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在它的兩個表面產(chǎn)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(tài)，這種現(xiàn)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?shù)讲杉瘍x或者與內(nèi)置電荷調(diào)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(zhì)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：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(nèi)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?shù)礁咻斎胱杩沟那爸梅糯笃鳌＝?jīng)過阻抗變換以后，電荷量轉(zhuǎn)換成電壓量，然后再輸出給后續(xù)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(nèi)置了專門的集成調(diào)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(nèi)置集成電路的ICP型優(yōu)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(tài)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(shù)影響，因此大多數(shù)信號適調(diào)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(qū)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(jù)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(huán)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(huán)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(wěn)定時間等。物理特征包括敏感材料，結(jié)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(guī)律，而其他類型，如零頻加速度傳感器，則不滿足此規(guī)律。另一方面，傳感器靈敏度越高，則傳感器的質(zhì)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(jié)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(jié)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(jié)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(jié)構的振動頻率即可。一般，土木工程結(jié)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(nèi)，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(qū)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
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
環(huán)境因素：
使用環(huán)境：傳感器使用時受溫度、濕度、塵土等環(huán)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(jù)實際測點位置的溫度，以及環(huán)境溫度來選擇合適的傳感器。另外，對于測試環(huán)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(fā)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(jīng)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(shù)據(jù)采集儀普遍內(nèi)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(wěn)定時間：對于ICP型傳感器，由于存在放電常數(shù)，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(wěn)定到基線附近，這個時間稱為穩(wěn)定時間。而我們在進行測量時，應待傳感器輸出的信號穩(wěn)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(shù)的溫度穩(wěn)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(yōu)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(zhì)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(cè)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(zhì)量的影響，特別是測試輕質(zhì)結(jié)構時，傳感器本身重量影響顯著。可能對待測結(jié)構總質(zhì)量來說，傳感器的總質(zhì)量很少，但是，參與振動的不是結(jié)構的全部質(zhì)量，而是參與振動的那部分質(zhì)量，稱為有效質(zhì)量，此時，傳感器的總質(zhì)量可能相對于結(jié)構的有效質(zhì)量會很大，此時傳感器附加質(zhì)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(zhì)量對結(jié)構振動幅值會存在影響。對于一些小巧輕型的結(jié)構振動或在薄板上測量振動參數(shù)時，傳感器和固定件質(zhì)量引起的“額外”荷載可能會改變結(jié)構的原始振動，從而使測得結(jié)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(zhì)量—荷載的影響。
ar =as*ms/(ms+ma)
式中，ar——帶有加速度計的結(jié)構加速度響應；
as——不帶有加速度計的結(jié)構加速度響應；
ms——待裝加速度計的結(jié)構“部件”的等效質(zhì)量；
ma——加速度計的質(zhì)量。
因此，應注意因附加質(zhì)量而改變結(jié)構振動的幅值和頻率，這在大型的工程結(jié)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(zhì)量對模態(tài)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(jù)與后續(xù)設備的匹配性來選擇傳感器類型，如ICP型調(diào)理設備宜用ICP型傳感器，電荷調(diào)理設備宜選用壓電式傳感器。
2. 當對處于工作狀態(tài)下的待測結(jié)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(jù)環(huán)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(jù)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(zhì)結(jié)構則必須考慮傳感器重量對測量的影響。
8. 根據(jù)行業(yè)應用選擇傳感器，如機械行業(yè)宜選用振動量級大，頻率頻率廣的傳感器，而土木行業(yè)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。
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