振動試驗中加速度傳感器的選擇

振動試驗中加速度傳感器的選擇導(dǎo)語：振動試驗中，我們對控制點、監(jiān)測點等的振動量值大多是通過加速度傳感器采樣得到的，該數(shù)值的正確性、可信性，直接影響到對試驗的結(jié)果的判定。影響振動試驗中振動量值的正確獲得，除了與傳感器的安裝位置、試件的安裝等外，還跟傳感器的技術(shù)指標有關(guān)，它是得到振動量值的最直接也是最重要的單元之一。本文結(jié)合理論及實際經(jīng)驗，介紹振動試驗中壓電式加速度傳感器的選擇。振動試驗中，我們對控制點、監(jiān)測點等的振動量值大多是通過加速度傳感器采樣得到的，該數(shù)值的正確性、可信性，直接影響到對試驗的結(jié)果的判定。影響振動試驗中振動量值的正確獲得，除了與傳感器的安裝位置、試件的安裝等外，還跟傳感器的技術(shù)指標有關(guān)，它是得到振動量值的最直接也是最重要的單元之一。本文結(jié)合理論及實際經(jīng)驗，介紹振動試驗中壓電式加速度傳感器的選擇。1.靈敏度壓電式加速度傳感器的靈敏度有兩種表示方法，一個是電荷靈敏度Sq，另一個是電壓靈敏度Sv，其電學(xué)特性等效電路如圖1。圖1壓電式加速度傳感器的是電學(xué)特性等效電路壓電片上承受的壓力為Fl=ma,在壓電片的工作表面上產(chǎn)生的qa與被測振動的加速度a成正比：即展開剩余85%Qa=Sqa其中，比例系數(shù)Sq就是壓電式加速度傳感器的電荷靈敏度，量綱是［pC/ms?］。傳感器的開路電壓：Ua=Qa/Ca式中，Ca為傳感器的內(nèi)部電容量，對于一個特定的傳感器來說，Ca為一個確定值。所以也就是說，加速度傳感器的開路電壓Ua也與被測加速度a成正比，比例系數(shù)Sv就是壓電式加速度傳感器的電壓靈敏度，量綱是［mV/ms?］。Ua=(Sq/Ca)*a在壓電式加速度傳感器的使用說明書上所標出的電壓靈敏度，一般是指在限定條件下的頻率范圍內(nèi)的電壓靈敏度Sv。在通常條件下,當(dāng)其它條件相同時，幾何尺寸較大的加速度傳感器有較大的靈敏度。使用說明書上還會給出最小加速度測量值，也稱最小分辨率，考慮到后級放大電路噪聲問題，應(yīng)盡量遠離最小可能值，以確保最佳信噪比最大測量極限要考慮加速度傳感器自身的非線性影響和后續(xù)儀器的最大輸出電壓。估算方法：最大被測加速度X傳感器電荷（電壓）靈敏度，其數(shù)值是否超過配套儀器的最大輸入（電壓）值。如已知被測加速度范圍可在傳感器指標中的參考量程范圍中選擇（兼顧頻響、重量），同時，在頻響、質(zhì)量允許的情況下，盡量選擇高靈敏度的傳感器，以提高后續(xù)儀器輸入信號，提高信噪比。在兼顧頻響、質(zhì)量的同時，可參照以下范圍選擇傳感器靈敏度：振動加速度在1ms??100ms?左右，可選300pC/ms2~30pC/ms2的加速度傳感器；振動加速度在100ms??1000ms?，可選擇20pC/ms??2pC/ms?的加速度傳感器；碰撞、沖擊測量一般10000ms??1000000ms?，可選擇0.2pC/ms?~0.002pC/ms?的加速度傳感器。2.頻率圖2壓電式加速度傳感器的頻率特性曲線因此就傳感器本身而言，固有頻率fn是其主要參數(shù)，通常一般幾何尺寸較小的傳感器有較高的固有頻率，但靈敏度較低。權(quán)衡傳感器的靈敏度和使用頻率范圍這一對矛盾，到底如何取舍？這決定于測量要求。但是就一項精確的測量而言，寧肯選取較小靈敏度的加速度傳感器，也要保證有足夠?qū)挼挠行ьl率范圍。選擇加速度傳感器的頻率范圍應(yīng)高于被測試件的振動頻率，有倍頻分析要求的加速度傳感器頻率響應(yīng)應(yīng)更高。低頻振動：加速度傳感器頻率響應(yīng)范圍可選擇0.2Hz~1kHz；中頻段振動：機械設(shè)備一般是中頻段，可根據(jù)設(shè)備轉(zhuǎn)速、設(shè)備剛度等因素綜合估算振動頻率，選擇0.5Hz~5kHz的加速度傳感器；碰撞、沖擊：測量高頻居多。加速度傳感器的安裝方式不同也會改變使用頻響。安裝面要平整、光潔，安裝選擇應(yīng)根據(jù)方便、安全的原則。安裝方式的不同對測試頻率的響應(yīng)影響很大，應(yīng)注意選擇。內(nèi)部結(jié)構(gòu)內(nèi)部結(jié)構(gòu)是指敏感材料晶體片感受振動的方式及安裝形式。有壓縮和剪切兩大類，常見的有中心壓縮、平面剪切、三角剪切、環(huán)型剪切。中心壓縮頻響高于剪切型，剪切型對環(huán)境適應(yīng)性好于中心壓縮型。如配用積分型電荷放大器測量速度、位移時，最好選用剪切型產(chǎn)品，這樣所獲得的信號波動小，穩(wěn)定性好。內(nèi)置電路內(nèi)置是指將放大電路置于加速度傳感器內(nèi)，成為具有電壓輸出功能的傳感元件。它可分雙電源(四線)和單電源(二線、帶偏置，又稱ICP)兩種，內(nèi)置電路傳感器一般是與數(shù)據(jù)采集儀配套，直接采集數(shù)據(jù)。ICP型加速度傳感器的供電和信號輸出共用一根線，其特點是：低阻抗輸出，抗干擾，噪聲小，性能價格比高，安裝方便，尤其適于多點測量，穩(wěn)定可靠、抗潮濕、抗粉塵、抗有害氣體。內(nèi)置電路傳感器靈敏度的選型計算：被測加速度值(g)=最大輸出電壓(mV)/傳感器靈敏度(mV/g)如選用目前最為通用的100mV/g，可測50g以內(nèi)振動；如測量100g，則用50mV/g的加速度計，其余以此類推。環(huán)境影響在機械振動試驗室環(huán)境一般較為惡劣，考慮因素較多，如高溫、強磁電場及地電回路等，均會給測量帶來很大的影響，另電纜噪聲和基座應(yīng)變都會造成虛假數(shù)據(jù)。在一般機械振動試驗室主要環(huán)境因素影響是高溫，多數(shù)廠商給出的傳感器溫度范圍為可用值，而不是高溫狀況的靈敏度，實際上，高溫時靈敏度偏差較大。因為標定靈敏度是在室溫20的條件下測定的，根據(jù)使