关于加速度传感器选用指南

作者:永利皇宫电气网 2019-08-19 16:17阅读:192

工程振动的物理参数通常用位移、速度和加速度来表示。由于振动位移的振幅在通常的频率范围内很小,位移、速度和加速度可以相互转换,因此实际应用中的振动幅度一般用加速度值来测量。常用的单位是米/秒2(m/s2)或重力加速度(g)。
 
描述振动信号的另一个重要参数是信号的频率。大多数工程振动信号可以分解成一系列特定频率和振幅的正弦信号。因此,对某一振动信号的测量实际上就是对振动信号的正弦频率分量的测量。根据传感器在规定频率范围内测量的振幅精度,对传感器的主要性能指标进行了评估。
 
最常用的振动测量传感器按其工作原理可分为压电式、压阻式、电容式、电感式和光电式。压电加速度计以其测量频率范围宽、测量范围大、体积小、重量轻、对被测部件冲击小、安装使用方便等特点,成为目前最常用的振动测量传感器。
 
传感器的选择
 
压电式原理与特性
 
压电传感器是基于弹簧-质量系统的原理。当敏感磁芯的质量受到振动加速度的作用时,会产生与加速度成比例的力,并沿压电材料的表面形成与力成比例的电荷信号。压电加速度计具有动态范围大、频率范围宽、耐久性好、外部干扰小的特点,压电材料的自生电荷信号不需要外部电源。它是应用最广泛的振动测量传感器。压电式加速度计虽然结构简单,商业使用历史悠久,但其性能指标与材料特性、设计和加工工艺等密切相关,因此实际参数中的性能指标同同一种传感器在市场上销售的标志相同。ET,以及它的稳定性和一致性是非常不同的。与压阻式和电容式传感器相比,压电加速度计最大的缺点是不能测量零频率信号。
 
压阻式
 
应变式压阻式加速度计的灵敏磁芯是由半导体材料制成的电阻测量电桥。其结构的动力学模型仍然是弹簧-质量系统。随着现代微加工技术的发展,压阻敏感芯的设计具有很大的灵活性,可以满足各种测量要求。在灵敏度和范围上,有压阻式加速度计,其形式是压阻式加速度计,从低灵敏度、高范围的冲击测量到高直流灵敏度的低频测量。同时,压阻式加速度计的测量频率范围也可以从直流信号到高刚度高频测量,测量频率范围可达几十千赫。小型化设计也是压阻式传感器的一大亮点。需要指出的是,尽管压阻式磁芯在设计和应用上具有很大的灵活性,但对于压阻式磁芯的特殊设计,其应用范围一般小于压电式传感器。压阻式加速度计的另一个缺点是温度对其影响很大。实际的传感器通常需要温度补偿。从价格上看,大量使用压阻式传感器的成本具有很大的市场竞争力,但特殊敏感核心系统的成本将远远高于压电式加速度计。
 
电容式
 
电容式加速度计的结构通常采用弹簧-质量系统。当质量被加速度移动时,质量块与固定电极之间的间隙改变,电容随之改变。电容式加速度计与其它类型的加速度计相比,具有灵敏度高、零频率响应和良好的环境适应性等特点,特别是受温度影响较小,但其缺点是信号的输入和输出是非线性的。范围有限,电缆的电容影响,电容传感器的成本。电容传感器作为一种高阻抗信号源,其输出信号往往需要通过后继电路加以改进。在实际应用中,电容式加速度计多用于低频测量。它们的通用性不如压电式加速度计,而且它们的成本远高于压电式加速度计。
 
压电传感器的敏感核心材料及结构形式
 
压电材料
 
压电材料一般可分为两类:压电晶体和压电陶瓷。石英是压电加速度计中最常用的压电晶体。工作温度范围宽,性能稳定。因此,在实际应用中,它常被用作标准传感器的压电材料。由于石英的压电系数远低于其他压电材料,压电陶瓷是一般压电加速度计最常用的压电材料。压电陶瓷中锆钛酸铅(PZT)是压电加速度计中最常用的压电材料。其特点是压电系数高,居里点高,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,对于同一种压电陶瓷,尽管它们都具有相同的基本特性,但由于不同的制造工艺,同一材料的两种压电陶瓷的具体性能指标会有很大的差异。通过比较国内外典型传感器,可以反映出这一现象。中国振动测试行业几十年的经验对这一现象有着深刻的理解。·传感器芯结构
 
压电加速度计的传感核心通常由压电材料和附加质量组成。当质量被加速时,它被转换成与加速度成比例的力,并加载到压电材料上。当压电材料受到应力时,其表面会产生与加速度成比例的电荷信号。压电材料的特性决定了其作用力可以是正应力,也可以是剪应力。压电材料产生的电荷的大小随作用力的方向和电荷从表面引出的位置而变化。根据压电材料应力方法的不同,传感器敏感芯的结构常用三种形式:一种是压电材料,另一种是压电材料,另一种是压电材料,压电材料,压电材料。压电材料和压电材料。
 
1)压缩形式-压电材料压缩或拉伸产生的电荷结构。压缩敏感磁芯是加速度传感器最传统的结构形式。其特点是制造简单方便,固有共振频率高,测频范围宽。最大的缺点是它不能有效地消除各种干扰对测量信号的影响。
 
2)剪切形式-对压电材料施加剪切力产生的电荷结构。从理论上分析了压电材料在剪切力作用下产生的电荷信号受外界干扰的影响很小,因此剪切结构形式成为加速度计应用最广泛的核心。然而,在实际的制造过程中,保证具有剪切敏感芯的加速度计具有较高稳定的频率测量范围是传感器制造过程中最困难的部分。北志BW传感器采用进口记忆金属材料紧固件,确保传感器具有稳定可靠的谐振频率和频率测量范围。
 
3)弯曲变形梁压电材料弯曲变形产生电荷。弯曲变形梁结构可以产生较大的电荷输出信号,并易于控制阻尼,但由于其测量频率范围较低,且结构不能消除容易引起的信号漂移,在压电加速度计的设计中很少使用。温度变化。
 
压电加速度计信号输出形式
 
电荷输出类型
 
传统的压电加速度计通过内部敏感的磁芯输出与加速度成比例的电荷信号。在实际应用中,传感器输出的高阻抗电荷信号必须通过二次仪表转换成低阻抗电压信号进行读取。由于高阻抗充电信号很容易受到干扰,传感器与二次仪表之间的信号传输必须采用低噪声屏蔽电缆。由于电子器件的温度范围有限,在高温测量中通常采用电荷输出型。北志BW传感器采用进口陶瓷加速度计,可在-40oC~250oC温度范围内长期使用。
 
低阻抗电压输出(IEPE)
 
IEPE压电加速度计通常称为ICP压电加速度计。压电传感器的电荷输出通过安装在传感器内部的前置放大器转换为低阻抗电压输出。IEPE传感器通常是两线输出模式,即恒流和恒压电源;直流电源和信号使用同一条线路。直流部分通常由恒流电源输出端的高通滤波器过滤掉。IEPE传感器的最大优点是信号质量好、噪声低、抗干扰能力强、测量距离远。特别是许多新型的数字采集系统都配备了恒流电压源。因此,IEPE传感器可以直接与数字采集系统连接,而无需任何其他二次仪表。在振动测试中,IEPE传感器逐渐取代了传统的电荷输出压电加速度计。
 
传感器灵敏度、范围和频率范围选择
 
压电加速度计是振动测量中最重要的传感器。虽然压电加速度计的测量范围很广,但市场上的加速度计种类繁多,很难选择合适的加速度计。作为选择振动传感器的一般原则,正确的选择应从三个方面对测量信号进行分析和估计。
 
a.被测振动的大小
 
b.被测振动信号的频率范围
 
c.振动试验现场环境
 
下面结合以上三个方面以及传感器的相关技术指标,对传感器的具体选型进行了进一步的探讨。
 
传感器灵敏度和范围
 
加速度计的测量范围是指传感器在一定的非线性误差范围内可以测量的最大测量值。通用压电加速度计的非线性误差大多为1%。作为一般原理,灵敏度越高,测量范围越小。反之,灵敏度越小,测量范围越大。
 
IEPE电压输出压电加速度计的测量范围由线性误差范围内允许的最大输出信号电压决定,最大输出电压一般为(+5V)。传感器的最大范围可以通过转换得到,这等于最大输出电压与灵敏度之比。需要指出的是,IEPE压电传感器的测量范围不仅受非线性误差大小的影响,而且还受电源电压和传感器偏压的影响。当电源电压和偏压之差小于传感器技术规格给定的范围电压时,传感器的最大输出信号将发生畸变。因此,IEPE加速度计的偏压是否稳定不仅会影响低频测量,还会引起信号失真。这种现象在高低温测量中需要特别注意。当传感器的内置电路在非室温下不稳定时,传感器的偏压可能会缓慢漂移并引起测量。幅度信号由大变小。
 
电荷输出类型的测量范围受传感器机械刚度的限制。在相同条件下,受机械弹性范围非线性约束的传感核的最大信号输出比IEPE型传感器大得多。它的大部分值需要通过实验来确定。一般来说,当传感器灵敏度较高时,敏感芯的质量较大,传感器的测量范围相对较小。同时,由于传感器敏感芯的质量较大,其共振频率相对较低,更容易激发传感器敏感芯的共振信号。结果,共振波叠加在被测信号上产生信号。<
 

关键词: 加速度传感器

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