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加速度传感器选型与使用技巧

时间:2012-12-18 22:16点击:
本文所指的加速度传感器专指压电式,全称为压电加速度传感器(又称加速度计),这种产品是目前在振动、冲击测试工作中是应用最广泛的一种类型,这是得益于该产品的自身的特点:可靠性高、动态范围大、频率响应宽、价格合格、安装使用方便。压电加速度传感器
   本文所指的加速度传感器专指压电式,全称为压电加速度传感器(又称加速度计),这种产品是目前在振动、冲击测试工作中是应用最广泛的一种类型,这是得益于该产品的自身的特点:可靠性高、动态范围大、频率响应宽、价格合格、安装使用方便。压电加速度传感器采用压电原理制造,传感器内部的压电元件(压电陶瓷、压电石英)在感受振动力变形后产生电荷,故压电加速度传感器早期是电荷量输出,随着电子技术发展,现在有将放大器内置在压电加速度传感器内,以电压量输出的产品又称IC(或称IEPE)加速度计。
    一、灵敏度与量程
    产品介绍中的灵敏度,是指该产品在一个g重力加速度(或9.8ms-2)加速度时输出多少电荷量或电压量,结合用户最大测量加速度及后续仪器的增益、最大输出电压,可以估算出选用的传感器灵敏度。

    一般来说,为提高信噪比最好是提高加速度计灵敏度,但是由于灵敏度高会产生一些不利因素:增加传感器重量、会降低测试量值、会对环境干扰更敏感、会降低信价比,下面给出一个参考型号供选择:
    1、地震。超大型结构(高层建筑、桥梁、大坝等)的振动量极小,会在0.01g~5g左右,可选用KD12000L,KD11000L,KD1500L等。
    2、土木工程。大型结构的振动在0.1~10g左右,可选用KD1300、KD1100、KD1100L、KD1050L等。
    3、机械测试一般为几十个g振动,可选用KD1005、KD1010、KD1005L、KD1010L。
    4、冲击一般都在100g以上,可选择冲击型产品。
    二、频率
    加速度计具有较宽的频率范围,KD系列产品已给出了0.03Hz至>10KHz的产品,用户可以根据需要选择,成品加速度计会给出二个频率指标,一个是使用频率,指该加速度计可在某个频率段内使用(有效使用频率范围内的幅值波动在±10%、±5%、±3d)。另一个是谐振频率,在该频率段上幅值会大大增加,通常称峰值最高点所对应的频率为谐振频率。个别 场合会用到该频率,如轴承测试。
    加速度计的安装方式不同会影响其测试频率。刚性安装(一般用于较精密测试),这是加速度计标定、检测使用的方法。用螺栓将传器固定在被测设备上,被测设备要求平整、光洁。传感器贴合要完好,这需要在被测设备上与被测面垂直打孔、攻丝。有的设备或被测物不允许打孔,可采用其它方法。磁座安装:将磁座拧在传感器上,可快速吸合在被测物上,这种方法在机械行业居多。磁座的使用频率会在原基础上下降20%左右。应注意磁座安装的测试点温度应低于100℃为好,加速度值在50g左右,而且不适用冲击测试。胶粘安装:胶粘方法适合于多种场合,测试点温度不宜高,502胶由于快速应用较广泛,双面胶会使频率下降80%,这对频率要求不高的场合才适用。另外安装方法也根据现场环境有所不同,桩基低应变检测还采用口香糖、石膏粘接,手持式机械故障测试仪所用的传感器有探针式。
    尽管加速度计的安装方式多种多样,对频率响应的影响各异,但对灵敏度的影响甚微,可不考虑。
    三、内部结构
    加速度计产品由于生产工艺,晶体形式可分为压缩型(压电受压缩或拉伸力产生电荷)和剪切型(压电晶体受剪切力产生电荷)。又可细分为中心压缩、侧置中心压缩、平面剪切(又称隔离剪切)、环型剪切、三角剪切。频响较高的加速度计一般是采用中心压缩或环剪。剪切型对环境适应好于压缩型(即对基座应变和坏境温度的瞬变不敏感)。如测量速度或位移(与双积分电荷放大器配接),最好选用剪切型,信号稳定性好。
    四、内置电路加速度计
    内置的概念是将放大电路置于加速度计内,成为具有电压输出功能的传感元件,它可分为四线制(正负电源、地、输出)和二线制,本文只介绍二线制产品。
    内量电路(IC)加速度计采用二线制形式(一线为地,另一线为芯线,既供放大器电源,又是信号输出通道),它的后续仪器一般为恒流适配器或带有恒流的采集器。IC加速度计输出信号叠加在一个直流偏压上,由于此偏置电压会被后级的仪器隔离,用户得到的是一个几乎零直流的交流信号。
    IC加速度计的选型几乎与电荷型加速度计一样,它的灵敏度及量程选用更为简单,如知道被测加速度值即按

    IC加速度计由于其自身的特点而受到用户青睐,如:由于将电荷放大级置入传感器内,传感器外壳形成有效的屏蔽层,抗干扰能力大大提高;与恒流适配器配用后每通道价格较电荷型产品;可长导线使用(注意在应用几十米长导线时,应加大供电电流,否则会使测试频率受到影响)。当然该产品也有自身的不足:可靠性低于电荷型产品,可测量程受自身输出电压±5Vp的限制不能扩展,温度特性差于电荷型产品。
    五、环境影响
    某些测试现场的环境较为恶劣,用户要考虑的因素较多,如高温、防水、地回路干扰及强磁电场等,均会给测量带来影响。
    1、防水:防水可分为简易防水和深层防水,尤以深层防水为难。如我们在三峡工程永久船闸门振测量的加速度计要考虑的因素较多:水深近百米、导线接头、导线自身防护、地回路干扰、长期使用等问题。
    近几年我们为许多单位提供过各类防水传感器,一般均根据现场情况与用户加强沟通,使产品防水达到可靠。
    2、温度:多数厂商给用户提供的是高温传感器的耐温限值,而非极限情况下的电荷/电压灵敏度。虽然有的晶体是可以达到某个温度值,但是此状态下它的灵敏度与常温是有较大变化的,厂商应提供该加速度计的温度/灵敏度特性曲线。
    低温由于测试较为困难,且用户较少,国内鲜有人群研究。
    3、绝缘、浮地及抗强磁电场:多点测试时,由于传感器外壳为地,地与地之间也会产生电位差,使测试受到影响,可以考虑将传感器浮地处理,如用绝缘座将传感器浮置或采用绝缘型传感器。我们在水下防水传感器和机械故障监测(在线式)上都采用了浮地工艺。
    对在强磁电场下进行测试,如有干扰,可采用隔磁隔电材料的外壳加以防护(如铁壳或铜壳),因国内研究较少,也需用户配合解决。
    六、配套仪器
    压电类加速度计如是电荷输出,可与电荷放大器或具有电荷前置功能的采集器相配,电荷放大器种类较多,有单通道,多通道(一般为八路一组合),双积分(可测量加速度、速度、位移),准静态(用于动态压力、动压力传感器的静态标定灵敏度)。电荷放大器有多档增益调节开关和滤波频率开关。在我公司该类产品中有详细介绍。
    供IC加速度计使用的恒流适配器有单台(手持式)和多通道(一般为8路、10路),该产品一般频率固定(用户订货时确定),增益为×1,×10倍,另该仪器上有传感器故障显示(采用通道指示灯变色实现)功能。
    (推荐参看:传感器仪器研究及应用栏《加速度计及电荷放大器的工程应用》)

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