發布日期：2022-10-09 點擊率：115
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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??？》。
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?？赡軐Υ郎y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??？
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！
原標題：振動傳感器怎樣選型？
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，紅色器件即是隔離器件。
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責任編輯：
振動傳感器的選型指南
工程振動量值的物理參數常用位移、
速度和加速度來表示。
由于在通常的頻
率范圍內振動位移幅值量很小，
且位移、
速度和加速度之間都可互相轉換，
所以
在實際使用中振動量的大小一般用加速度的值來度量。常用單位為：米
/
秒
2
(m/s
2
)
，或重力加速度
(g)
。
描述振動信號的另一重要參數是信號的頻率。
絕大多數的工程振動信號均可
分解成一系列特定頻率和幅值的正弦信號，
因此，
對某一振動信號的測量，
實際
上是對組成該振動信號的正弦頻率分量的測量。
對傳感器主要性能指標的考核也
是根據傳感器在其規定的頻率范圍內測量幅值精度的高低來評定。
最常用的振動測量傳感器按各自的工作原理可分為壓電式、
壓阻式、
電容式、
電感式以及光電式。
壓電式加速度傳感器因為具有測量頻率范圍寬、
量程大、
體
積小、
重量輕、
對被測件的影響小以及安裝使用方便，
所以成為最常用的振動測
量傳感器。
1.
傳感器的種類選擇
1)
壓電式
壓電式傳感器是利用彈簧質量系統原理。
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這一
力成正比的電荷信號。
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、
受外界干擾小以及壓電材料受力自產生電荷信號不需要任何外界電源等特
點，
是被最為廣泛使用的振動測量傳感器。
雖然壓電式加速度傳感器的結構簡單，
商業化使用歷史也很長，
但因其性能指標與材料特性、
設計和加工工藝密切相關，
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26次閱讀iPhone13 Pro Max多少錢 iPho...iPhone13系列在各方面都帶來了升級，加量不加價讓果粉心動不已，iPhone 13 Pro Ma....發表于 2021-09-16 15:09?
1612次閱讀物聯網水質在線監測系統解決方案物聯網水質在線監測系統解決方案 一、背景概述 “水是生命之源、生產之要、生態之基?！彼|監測是水資源....發表于 2021-09-16 15:07?
29次閱讀Keep跳繩再放大招，多色可選精準計數現在的鍛煉相比起傳統鍛煉，早已有了明顯的差別。傳統鍛煉方式不僅缺乏科學性，而且也沒有系統化的課程幫助....發表于 2021-09-16 14:28?
204次閱讀魚塘水質監測設備的功能和特點介紹魚塘水質監測設備的功能和特點介紹FT-SZFB【風途】魚塘注水后，由于水中有溶解物質，懸浮顆粒及浮游....發表于 2021-09-16 14:19?
38次閱讀油煙在線監測設備的功能特點油煙在線監測設備【恒美 HM-YY10】是我司響應國家對餐飲行業油煙進行監管，所設計的一款油煙在線監....發表于 2021-09-16 14:00?
26次閱讀小型一體化氣象站的功能特點及技術參數競道光電氣象站是按照國際氣象WMO組織氣象觀測標準，研究而開發生產的多要素自動觀測站。可監測風向、風....發表于 2021-09-16 11:01?
23次閱讀土壤ph測量儀的性能及技術參數土壤ph測量儀【恒美HM-TPH】體積小巧、美觀，操作簡單方便，性能可靠，野外攜帶極為方便。主機連接....發表于 2021-09-16 09:59?
18次閱讀無人駕駛技術的發展以及面臨的挑戰這幾年隨著汽車產量與保有量的提高，城市中的交通擁堵與交通事故層出不窮。越來越多的科技公司開始嘗試將自....發表于 2021-09-16 09:52?
1012次閱讀Topic通訊小結ROS實操入門系列(三）1、Topic通訊小結 2、編寫ros驅動實現電機控制和編碼器讀取Topic通訊小結控制板...發表于 2021-09-16 09:11?
0次閱讀機器人傳感器應用 隨著智能化的程度提高，機器人傳感器應用越來越多。智能機器人主要有交互機器人、傳感機器人和自主機器人3種。從擬人...發表于 2021-09-16 09:05?
0次閱讀機器人傳感器分類方法一般機器人系統 由機械手、環境、任務和控制器 四個互相作用的部分組成。我們稱一般安裝在機器...發表于 2021-09-16 08:45?
0次閱讀日本首富易主！這家傳感器公司創始人，取代優衣庫老...電子發燒友網報道（文/李彎彎）日本首富換人，這家低調的傳感器公司創始人滝崎武光成為新首富，身價382....發表于 2021-09-16 07:23?
1365次閱讀傳感器基本概念概述傳感器概述 感知能力與傳感器的發展1. 人的感知能力眼、耳、鼻、舌、皮膚是人類感知外部物理世界的重要感官 &nb...發表于 2021-09-16 06:56?
0次閱讀求一種物聯網傳感器的解決方案在精彩紛程的物聯網世界，傳感器是物聯網解決方案發揮用武之地的基礎所在。傳感器將遍布于各個領域，隨時隨地收集各種...發表于 2021-09-16 06:30?
0次閱讀噪聲傳感器：愿傾盡全力，還城市一片安靜什么是噪聲？簡單的說，人們所有不需要的聲音，都可稱為噪聲。噪聲無處不在，持續的強噪聲會影響到人們的正....發表于 2021-09-15 18:11?
84次閱讀蘋果13mini參數配置詳情蘋果13mini搭載5.4 英寸 OLED 全面屏，采用蘋果a15處理器，支持15w無線充電技術，后....發表于 2021-09-15 17:31?
3030次閱讀校園小型氣象站的功能作用建設推廣通過對我國現有"校園氣象站"功能作用和實際推廣情況的分析,并與國家正規氣象站發展....發表于 2021-09-15 17:18?
49次閱讀匯頂科技低功耗藍牙SoC和健康傳感器商用于rea...作為全球智能手機和AIoT領域的新銳科技品牌，realme持續打造“敢越級”的優質產品和用戶體驗，迅....發表于 2021-09-15 16:37?
604次閱讀無人機偵測反制系統的詳細介紹對于敏感單位安全來說，微型/迷你型無人機構成了潛在的威脅。容易制作、價格便宜、簡單飛行，并且難以發現....發表于 2021-09-15 16:31?
311次閱讀霍爾傳感器關鍵技術的研究與選型研究開發霍爾傳感器，對我國航天航空事業發展有著重要意義。從霍爾傳感器基本原理出發，針對航天航空領域存....發表于 2021-09-15 15:55?
59次閱讀生態自動氣象站的功能特點及技術參數JD-QC9生態自動氣象站產品簡介以及功能特點Estao meteorológica ecoló....發表于 2021-09-15 15:41?
25次閱讀稱重傳感器系列產品的功能及特點微型拉壓力傳感器（PPM232-XT-3）采用的是微小型精密設計，鋼制一體化結構，防護性能高，這款產....發表于 2021-09-15 14:35?
33次閱讀稱重傳感器的應用范圍及使用環境長沙鈦合電子稱重傳感器的選擇主要取決于稱重應用場合的類型及安裝的使用空間，選擇合適的稱重傳感器就消費....發表于 2021-09-15 14:32?
29次閱讀Silicon Labs在全球率先推出安全Sub... Silicon Labs擴展Series 2平臺，支持Amazon Sidewalk、mioty、....發表于 2021-09-15 11:28?
439次閱讀氣體傳感器和可燃氣體報警器介紹氣體傳感器最早在20世紀30年代被外國的科學家研制出來后，在很短的時間內就有了一個較大的發展，其原因....發表于 2021-09-15 09:57?
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