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振動(dòng)傳感器應(yīng)該怎么選型
由于振動(dòng)傳感器應(yīng)用十分廣泛，類型多種多樣，在各行各業(yè)都有應(yīng)用。因此，在這里主要介紹用于振動(dòng)測(cè)試的振動(dòng)傳感器的選型。按測(cè)量振動(dòng)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(jì))。一般來(lái)說，位移傳感器適用于低頻測(cè)量，速度傳感器適用于中頻測(cè)量，加速度傳感器適用于中高頻測(cè)量。由于加速度傳感器具有生產(chǎn)工藝成熟、頻響范圍寬、動(dòng)態(tài)范圍大、安裝方便等特點(diǎn)，因而在振動(dòng)測(cè)試中應(yīng)用最廣。因此，在這里主要介紹加速度傳感器的選型。
在這主要介紹兩種分類，一類是有源與無(wú)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(hào)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(shí)需要外部能量源激勵(lì)，如激勵(lì)電壓，才能正常工作。由于需要進(jìn)行能量轉(zhuǎn)化，因而，傳感器內(nèi)部封裝了電子元器件，測(cè)量過程中會(huì)帶來(lái)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(wú)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(wú)限制的能源。這類傳感器對(duì)測(cè)量系統(tǒng)無(wú)噪聲影響，或者影響很小，如應(yīng)變片(花)、壓電式傳感器等。
隔離傳感器是指?jìng)鞲衅髋c待測(cè)結(jié)構(gòu)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(cè)結(jié)構(gòu)相分離，如應(yīng)變片(花)通常與被測(cè)結(jié)構(gòu)是相隔離的。傳感器實(shí)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。
非隔離傳感器是指?jìng)鞲衅髋c被測(cè)結(jié)構(gòu)之間無(wú)隔離，電流可以在二者之間進(jìn)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(guān)于接地循環(huán)，請(qǐng)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(shí)現(xiàn)隔離，這類器件如云母片、玻璃片和環(huán)氧樹脂等。當(dāng)對(duì)處于工作狀態(tài)下的待測(cè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，推薦使用“隔離”傳感器。
2. 常見加速度計(jì)類型
振動(dòng)測(cè)量一般使用加速度計(jì)，是因?yàn)榧铀俣扔?jì)具有以下優(yōu)點(diǎn)：生產(chǎn)工藝成熟、動(dòng)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(diǎn)。常用于中小結(jié)構(gòu)的模態(tài)試驗(yàn)、汽車試驗(yàn)、旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷試驗(yàn)和振動(dòng)控制試驗(yàn)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(wú)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(yīng)”：在加速度計(jì)感受到振動(dòng)時(shí)，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(huì)產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它的兩個(gè)表面產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷，當(dāng)被測(cè)振動(dòng)頻率遠(yuǎn)低于加速度計(jì)的固有頻率(諧振頻率)時(shí)，則力的變化與被測(cè)加速度成正比。當(dāng)外力去除后，又重新恢復(fù)到不帶電狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為“壓電效應(yīng)”，具有“壓電效應(yīng)”的晶體稱為壓電晶體。
壓電加速度計(jì)輸出為電荷類型，故需要與電荷放大器配合使用，然后信號(hào)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(fù)反饋，使用中基本不受電纜電容的影響，但會(huì)受到靜電場(chǎng)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(jià)格也比較貴，一般用的比較少。
ICP型加速度傳感器(實(shí)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(hào)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(lái)一定困難。為此，通常把傳感器信號(hào)先輸?shù)礁咻斎胱杩沟那爸梅糯笃?。?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(jì)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(dāng)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(shì)是低價(jià)位，抗干擾好，可長(zhǎng)導(dǎo)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(dòng)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(shí)間常數(shù)影響，因此大多數(shù)信號(hào)適調(diào)器都采用交流耦合。關(guān)于交流與直流耦合，請(qǐng)閱讀《信號(hào)AC和DC的區(qū)別》一文。
3. 選型指標(biāo)
每一種型號(hào)的加速度傳感器都有特別合適的應(yīng)用場(chǎng)景，因此，測(cè)試時(shí)必須根據(jù)測(cè)試使用要求，選擇最合適的加速度傳感器。在選擇加速度計(jì)時(shí)，主要從傳感器性能、環(huán)境因素、電氣特性和物理特性四個(gè)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(yīng)和線性度等指標(biāo)。環(huán)境因素包括工作溫度、溫度響應(yīng)和沖擊極限等。電氣特性包括激勵(lì)電壓與電流、穩(wěn)定時(shí)間等。物理特征包括敏感材料，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、尺寸、重量和出線方式等。
性能指標(biāo)：
量程/靈敏度：每個(gè)傳感器都有測(cè)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(hào)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(gè)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(qiáng)。對(duì)于測(cè)試不同的結(jié)構(gòu)，應(yīng)選擇相匹配的傳感器量程，通常，土木橋梁和超大型機(jī)械結(jié)構(gòu)加速度振動(dòng)量級(jí)在0.1g～10g 左右，機(jī)械設(shè)備的振動(dòng)在 10g～100g 左右。
諧振頻率：傳感器本身也是一個(gè)結(jié)構(gòu)，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(jì)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(hào)衰減嚴(yán)重，而在高頻段線性度差，非線性影響嚴(yán)重。如圖2為某型號(hào)加速度計(jì)的頻響曲線，從曲線圖中可以看出，在2Hz以下信號(hào)衰減嚴(yán)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(jì)時(shí)，加速度計(jì)的頻率上限稍高于被測(cè)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)頻率即可。一般，土木工程結(jié)構(gòu)的頻率范圍在0.2~1KHz左右，機(jī)械設(shè)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(duì)傳感器能測(cè)的頻率范圍也有影響，關(guān)于這一點(diǎn)，請(qǐng)參考《傳感器怎樣安裝才能滿足測(cè)試要求，誤差最小?》。
線性度：由于傳感器測(cè)量時(shí)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(shí)際的靈敏度的指標(biāo)，即為線性度。相對(duì)而言，在低頻段(如5Hz以下)，傳感器的靈敏度會(huì)少于實(shí)際的靈敏度，而在高頻段(如大于工作頻率上限)，則靈敏度會(huì)大于實(shí)際的靈敏度。只有在中間頻段，靈敏度滿足線性關(guān)系，如圖2所示。如果傳感器不在線性區(qū)間進(jìn)行測(cè)量，則測(cè)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(yīng)：當(dāng)測(cè)量某個(gè)方向的振動(dòng)時(shí)，信號(hào)輸出應(yīng)該全為振動(dòng)感知方向，但實(shí)際上在與該方向垂直的方向也有信號(hào)輸出，這種效應(yīng)稱為橫向效應(yīng)。橫向效應(yīng)靈敏度越低，性能越好，但是相對(duì)而言，傳感器都存在一定的橫向效應(yīng)，通常標(biāo)稱橫向效應(yīng)<5%。
環(huán)境因素：
使用環(huán)境：傳感器使用時(shí)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(shí)際測(cè)點(diǎn)位置的溫度，以及環(huán)境溫度來(lái)選擇合適的傳感器。另外，對(duì)于測(cè)試環(huán)境存在潮濕、腐蝕和電磁場(chǎng)等影響因素時(shí)，選擇傳感器也應(yīng)該考慮這些因素。
溫度響應(yīng)：傳感器的靈敏度會(huì)受到溫度的影響，當(dāng)溫度發(fā)生了改變，如果我們還使用常溫下的靈敏度，則會(huì)給測(cè)量帶來(lái)誤差。如圖3為某傳感器的溫度響應(yīng)曲線，從圖中可以看出，當(dāng)室溫時(shí)，傳感器的靈敏度沒有偏差，但當(dāng)溫度遠(yuǎn)離室溫時(shí)，靈敏度偏差則越來(lái)越大。因此，傳感器的工作溫度應(yīng)與溫度響應(yīng)曲線中靈敏度無(wú)偏差的溫度一致。
沖擊極限：表示傳感器能經(jīng)受的瞬時(shí)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(lì)電壓/電流：有源傳感器都需要提供激勵(lì)電壓/電流才能正常工作，像ICP型傳感器需要提供20-30VDC激勵(lì)電壓和2-20mA的恒流激勵(lì)。當(dāng)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(yīng)的激勵(lì)電壓/電流，則需要選擇外部供電方式。
穩(wěn)定時(shí)間：對(duì)于ICP型傳感器，由于存在放電常數(shù)，當(dāng)給傳感器供電時(shí)，傳感器輸出的信號(hào)會(huì)從無(wú)窮遠(yuǎn)處慢慢地穩(wěn)定到基線附近，這個(gè)時(shí)間稱為穩(wěn)定時(shí)間。而我們?cè)谶M(jìn)行測(cè)量時(shí)，應(yīng)待傳感器輸出的信號(hào)穩(wěn)定之后再進(jìn)行測(cè)量。通常這個(gè)時(shí)間只需要幾秒鐘。
物理特性：
敏感材料：對(duì)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(yīng)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(yīng)。由于壓電陶瓷制作工藝更方便、耐濕、耐高溫等優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)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(jì)又分頂部出線和側(cè)面出線兩種方式。選擇加速度計(jì)的外形尺寸時(shí)，主要受安裝位置空間的影響，對(duì)于安裝位置空間有限的測(cè)點(diǎn)，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(shí)，還必須考慮傳感器本身的重量帶來(lái)的附加質(zhì)量的影響，特別是測(cè)試輕質(zhì)結(jié)構(gòu)時(shí)，傳感器本身重量影響顯著。可能對(duì)待測(cè)結(jié)構(gòu)總質(zhì)量來(lái)說，傳感器的總質(zhì)量很少，但是，參與振動(dòng)的不是結(jié)構(gòu)的全部質(zhì)量，而是參與振動(dòng)的那部分質(zhì)量，稱為有效質(zhì)量，此時(shí)，傳感器的總質(zhì)量可能相對(duì)于結(jié)構(gòu)的有效質(zhì)量會(huì)很大，此時(shí)傳感器附加質(zhì)量的影響會(huì)很明顯。另外，傳感器安裝時(shí)，可能還會(huì)使用工裝，此時(shí)工裝的質(zhì)量對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)幅值會(huì)存在影響。對(duì)于一些小巧輕型的結(jié)構(gòu)振動(dòng)或在薄板上測(cè)量振動(dòng)參數(shù)時(shí)，傳感器和固定件質(zhì)量引起的“額外”荷載可能會(huì)改變結(jié)構(gòu)的原始振動(dòng)，從而使測(cè)得結(jié)果無(wú)效。因此，在這種情況下應(yīng)該使用小而輕的傳感器，估算加速度計(jì)質(zhì)量—荷載的影響。
ar =as*ms/(ms+ma)
式中，ar——帶有加速度計(jì)的結(jié)構(gòu)加速度響應(yīng);
as——不帶有加速度計(jì)的結(jié)構(gòu)加速度響應(yīng);
ms——待裝加速度計(jì)的結(jié)構(gòu)“部件”的等效質(zhì)量;
ma——加速度計(jì)的質(zhì)量。
因此，應(yīng)注意因附加質(zhì)量而改變結(jié)構(gòu)振動(dòng)的幅值和頻率，這在大型的工程結(jié)構(gòu)測(cè)試中，并不突出，而對(duì)小型的機(jī)械零部件影響較大，測(cè)試分析中要考慮。關(guān)于對(duì)測(cè)量頻率的影響請(qǐng)參閱《怎樣評(píng)價(jià)傳感器附加質(zhì)量對(duì)模態(tài)頻率的影響?》一文。
4. 選型原則
振動(dòng)加速度傳感器選型原則：
1. 根據(jù)環(huán)境因素來(lái)選擇合適的傳感器，如測(cè)量處的溫度、濕度應(yīng)保證選用的傳感器正常工作，且測(cè)量幅值不受影響。
2. 根據(jù)測(cè)量位置的空間來(lái)選擇傳感器尺寸和出線方式。
3. 對(duì)于輕質(zhì)結(jié)構(gòu)則必須考慮傳感器重量對(duì)測(cè)量的影響。
4. 根據(jù)行業(yè)應(yīng)用選擇傳感器，如機(jī)械行業(yè)宜選用振動(dòng)量級(jí)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。
5. 根據(jù)與后續(xù)設(shè)備的匹配性來(lái)選擇傳感器類型，如ICP型調(diào)理設(shè)備宜用ICP型傳感器，電荷調(diào)理設(shè)備宜選用壓電式傳感器。
6. 當(dāng)對(duì)處于工作狀態(tài)下的待測(cè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，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。
7. 測(cè)點(diǎn)位置的振動(dòng)量級(jí)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(huì)過載。
8. 選擇的傳感器的工作頻率范圍略高于實(shí)際測(cè)量的帶寬即可。
因此，在選擇傳感器時(shí)，必須充分考慮以上因素，選擇最合適的傳感器進(jìn)行測(cè)量，盡量減少因傳感器本身給測(cè)試帶來(lái)的影響。
