原创 |一文深度了解加速度传感器的选型、安装、排障...(值得典藏）

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文字| 传感器技术 ()

为了满足加速度传感器的工作环境和范围、精度等要求，必须进行正确的选型。 我们先来看看加速度传感器的技术要求。

加速度传感器选型要求

灵敏度

传感器的灵敏度是传感器最基本的指标之一。 传感器的灵敏度应根据测量的振动量（加速度值）来确定。 然而，由于压电加速度传感器测量的是振动的加速度值，且在相同位移幅值条件下，加速度值与信号频率的平方成正比，因此不同频段的加速度信号大小相差很大。

大型结构的低频振动加速度值可能很小。 例如，当振动位移为1mm时，频率为1Hz的信号的加速度值仅为0.04m/s2（0.004g）； 然而，对于高频振动，当位移频率为0.1mm和频率为10kHz的信号的加速度值可以达到4×10 5m/s2()。 因此，虽然压电加速度传感器的测量范围较大，但对于测量高低频振动信号，在选择加速度传感器的灵敏度时应充分估计信号。

最常用的振动测量压电加速度计的灵敏度为电压输出型（IEPE型）50~100 mV/g，电荷输出型10~50 pC/g。

测量范围

加速度值传感器的测量范围是指传感器在一定的非线性误差范围内所能测量的最大测量值。 通用压电加速度传感器的非线性误差大多为1%。 一般来说，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传感器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。 电荷输出型的测量范围受传感器机械刚度的限制。 在同等条件下，受机械弹性区间非线性影响的传感敏感芯的最大信号输出远大于IEPE型传感器的量程。 它的大部分值都需要通过实验来确定。

一般来说，传感器灵敏度高时，敏感芯的质量较大，传感器的量程相对较小。 同时，由于质量块较大，其谐振频率较低，更容易激发传感器敏感核心的谐振信号。 结果，谐振波叠加在被测信号上，导致信号失真输出。 因此，在选择最大测量范围时，还必须考虑被测信号的频率组成和传感器本身的固有谐振频率，以避免传感器谐振分量的产生。 同时，测量范围内应有足够的安全空间，以保证信号不失真。

测量频率范围

传感器的频率测量范围是指传感器在规定的频响幅度误差（±5%、±10%、±3dB）内所能测量的频率范围。 频率范围的上限和下限分别称为高频截止频率和低频截止频率。 截止频率与误差直接相关。 允许误差范围越大，频率范围就越宽。 作为一般原则，传感器的高频响应取决于传感器的机械特性，而低频响应则由传感器和后续电路的组合电气参数决定。 高频截止频率高的传感器必须体积小、重量轻。 相反，用于低频测量的高灵敏度传感器必须体积较大、重量较重。

所选加速度计的频率应高于被测物体的振动频率。 需要倍频分析的加速度计具有更高的频率响应。 土木工程属于低频，加速度计可选择0.2Hz到1kHz左右。 机械设备一般处于中频段。 频率可根据设备速度、设备刚度等因素综合估算，可选择0.5Hz～5kHz的加速度计。 影响测量大多是高频的。

内部结构

内部结构是指敏感材料晶体片感受振动的方式及其安装形式。 有两类：压缩和剪切。 常见的有中心压缩、平面剪切、三角剪切、环剪切等。 中心压缩频率响应高于剪切式，剪切式比中心压缩式具有更好的环境适应性。 如果采用积分电荷放大器来测量速度和位移，最好采用剪切型产品，这样得到的信号波动小，稳定性好。

输出类型

取决于系统和加速度传感器之间的接口。 一般来说，模拟输出的电压与加速度成正比。 例如2.5V对应0g加速度，2.6V对应0.5g加速度。 数字输出通常使用脉宽调制 (PWM) 信号。

如果使用的微控制器只有数字输入，比如BASIC Stamp，那么就只能选择数字输出加速度传感器，但它必须占用额外的时钟单元来处理PWM信号，对处理器来说也是一个很大的负担。 。

如果您使用的微控制器具有模拟输入端口，例如PIC/AVR/OOPIC，您可以非常简单地使用具有模拟接口的加速度传感器。 你所需要的只是在程序中添加像“=()”这样的指令并处理它。 指令的速度只有几微秒。

内置电路

内置的概念是将电荷/电压转换放大器电路放置在加速度计内部，成为具有电压输出功能的传感元件。 可分为双电源（四线）和单电源（两线带偏置，称为ICP）两种。 下面所说的内置电路特指ICP型。

目前国内多采用内置电路传感器进行机械故障和桩基检测，不少在线监测项目也在使用此类产品。

ICP传感器的芯线用于供电和信号输出通道。 内置电路传感器灵敏度的选择和计算：

如果选择目前最常见的100mV/g，则可以测量50g以内的振动，因为传感器的动态范围为±5Vp。 如果测量 100g，则使用 50mV/g 加速度计，依此类推。

内置电路的优点是价格低、抗干扰性好、可长期使用。 但其耐高温性和可靠性不如电荷输出产品，动态范围也受到输出电压和偏置电压的限制。

测量轴数

对于大多数项目，两轴加速度传感器足以满足大多数应用。 对于一些特殊应用，例如无人机和 ROV 控制，三轴加速度传感器可能适合。

三轴加速度传感器可实现双轴倾角正负90度或双轴0-360度。 经过校正后，在测量角度大于60度时，后期精度比双轴加速度传感器要高。

三轴加速度传感器具有体积小、重量轻（gm）的特点。 它可以测量空间加速度，全面、准确地反映物体的运动特性。 广泛应用于航空航天、机器人、汽车、医药、消费电子等领域。

外部环境的影响

有些测试场地的环境比较恶劣，需要考虑的因素很多，如防水、高温、安装位置、强磁场和电场、接地回路等，都会对测量产生很大的影响。

防水的：

防水有两个概念，浅层防水和深层防水。 深层防水尤其困难。 比如三峡工程永久船闸闸门振动监测，水深近百米，涉及地环干扰、高压渗水、电线保护、长期可靠性等诸多问题。

温度影响：

温度变化引起的传感器输出变化是由压电材料（敏感芯）的特性引起的。 传感器输出和温度之间不存在线性变化。 一般来说，低温时的输出变化大于高温时的输出变化。 另外，由于各个传感器的温度响应很难保持一致，因此在实际使用中一般很少用温度系数对传感器的输出进行修正。

需要注意的是，温度变化有两种类型：稳态和瞬态。 传感器输出灵敏度随温度的变化通常是指稳态高低温状态对信号输出的影响。 瞬态温度变化对传感器输出的影响主要表现在低频测量上。

大多数厂家给出的温度范围是可用值，而不是高温条件下的灵敏度。 事实上，高温下灵敏度偏差很大。 特殊用户应向制造商索取专用的高温敏感性指标。 灵敏度指标是保证检测准确的关键。 。

地点限制：

如果加速度计永久安装在现场，会受到人体碰撞。 应选择工业产品，并在加速度计外部加装防护罩。 这样可以同时起到绝缘和防尘的作用。 如果对出线方向有要求，还应询问厂家。 对于那些无法触摸的部分，可以使用手持式加速度计（带有长探头）。

绝缘、接地回路以及磁场和电场辐射：

为了克服多点接地引起的地环电流对测试的影响，可采用浮动或绝缘传感器。 在无特殊要求、干扰小的工况条件下，可采用绝缘加速度计。 对于永久监测或干扰较大的工作场合，宜采用浮动式。 这两个名称的区别在于，绝缘型传感器的外壳是信号地，底座是绝缘的，而浮动型传感器的外壳是屏蔽层，需要采用三线法。

声波和磁场作用在传感器上引起的信号输出的大小与传感器灵敏度的比值称为压电传感器的声灵敏度和磁灵敏度。 降低传感器声学灵敏度最直接的方法是增加传感器外壳的厚度。 大多数传感器的这一指标可以满足通常的测量条件。 降低传感器磁灵敏度最直接的措施是金属部件尽可能采用非磁性或弱磁性材料。 另外，双层屏蔽外壳结构也能更好地降低传感器的磁灵敏度。

附加品质：

只要安装在振动结构上的加速度计质量小于结构自身质量的1/10，就认为对测量信号没有显着影响。

配套仪器

如果压电加速度计具有电荷输出，则可以与任何具有电荷预功能的高阻抗输入电荷放大器或集电极相匹配。 电荷放大器有多种类型，包括单通道、多通道、积分放大器和准静态放大器。 所有选择都必须根据测量要求进行。

还有一些特殊情况，比如将压电传感器的输出信号直接连接到具有一定高阻性能的三级仪器（如示波器）上。 信号也可以测量，但由于阻抗匹配不足，只能定性地了解动态情况。

ICP型内置加速度计专门配备了恒流适配器。 一台仪器可为多个加速度计提供恒流电源和信号输出。 有些数据采集仪器还内置恒流功能，可以直接与ICP传感器配合使用。

如果普通的电荷输出传感器与恒流输出的数据采集器相匹配，则可以使用恒流调节器。

双电源加速度计可由采集器的双电源或双通道直流稳压电源供电。

加速度传感器的安装

使用加速度计进行测量，为了使数据准确且使用方便，可以采用多种安装方式。 有多种选项供您选择。

1、螺丝安装

采用螺钉安装，其频率响应可以近似原始校准的频率响应，称为刚性安装。 螺钉安装是在允许钻孔的被测物体上沿振源轴线方向钻孔、攻丝。

2、背胶安装

当被测物体不允许钻孔时，可以使用各种粘合剂，如“502”、环氧树脂胶、双面胶带、橡皮泥等。 需要注意的是，前两种方法的使用频率与刚性安装方法接近，而后两种一般用于低频场所，会大大降低测量频率。 粘合方法不适合冲击测量。

3. 磁性底座

磁性底座的优点是不会损坏被测物体且移动方便。 但要考虑到，用磁性底座测试会导致加速度计的频率响应下降（使用时必须去掉磁性底座的短路片！），可能会下降到三分之一以下。 使用时，应先将磁性底座安装在被测物体上，然后拧上传感器，或将两者轻轻贴在被测物体上。 冲击状态会导致传感器内电荷积累，影响测试精度。

4、云母片/PTFE膜

云母片的安装有隔热和绝缘两种作用。对于高温试件，可用厚度

5. 三路传感器安装

对于通过通孔安装螺钉，侧螺纹用于检查或测试。

加速度传感器故障排除

我们用下表列出了加速度传感器在运行过程中的常见故障及排除方法：

故障类别

故障的具体表现

可能的失败原因

问题的可能解决方案

测量偏置电压结果

偏置电压不正确

偏置电压等于电源电压

这是由于电缆连接或加速度传感器内部连接断开造成的。 更换电缆或传感器。

偏置电压接近于零

这是由于加速度传感器的电缆连接或内部接线短路引起的。 更换电缆或传感器。

偏置电压过高或过小，实际偏置电压超出正常偏置电压±2V范围。

加速度传感器内置电路工作不正常。 更换传感器。

由于环境温度的不稳定变化，偏置电压会发生漂移。 安装隔热套或更换传感器。

偏置电压不稳定

偏置电压来回漂移且不稳定。

这是由于传感器内部电路不稳定造成的。 更换传感器。

偏置电压正确

传感器内部敏感芯损坏

更换传感器。

敏感性问题

灵敏度低

加速度传感器敏感芯体绝缘电阻下降

通过在其工作温度范围内烘烤加速度传感器，灵敏度可以再次上升，但通常会再次下降。

传感器敏感芯体压电系数衰减

重新校准传感器。

灵敏度偏差大

非室温环境下，压电材料温度响应系数过高导致灵敏度偏差

选择温度响应系数偏差小的传感器

测量信号失真大

信号输出变小

由于电源电压降低而减小了测量范围

更换电池或正确的电源电压

由于环境温度与室温之间存在差异，偏置电压超出规定范围。

使用偏置电压稳定传感器

由加速度传感器的非线性引起

使用大范围传感器

长距离传输信号时，恒流电压源的恒流电流不够大。

根据信号频率幅度选择正确的电压源恒流

偏置电压不稳定

输出信号叠加高频谐波

一般是由传感器的谐振频率引起，选择谐振频率较高的传感器。

测量信号失真小

信号不稳定

由于瞬态温度变化和偏置电压波动，输出信号不稳定。

使用偏置电压稳定传感器

外部环境噪声对测量信号的影响

接地环路引起的噪声

避免多点接地，传感器应与地绝缘。

电磁波的影响

传感器采用双层屏蔽外壳。

强声场效果

采用双层屏蔽壳的传感器将有助于减少强声场对加速度传感器的影响。

环境温度瞬时变化

用于超低频测量的高灵敏度传感器需要热护套。

基础应变对测量点的影响

选择基底应变小的剪切加速度传感器，以尽量减少传感器与被测物体之间的接触面积。

测量系统噪声对测量信号的影响

加速度传感器本身的电噪声

检查传感器噪声并选择具有适当信噪比的传感器。

电缆引起的电噪声

它经常发生在与电荷输出传感器一起使用的低噪声电缆中。 更换为良好的低噪声屏蔽电缆。

传感器电源噪声

选择低噪音电源或使用电池电源。

数据采集​​系统量程设定

选择合适的范围

低频测量信号失真

系统低频响应差

加速度传感器低频响应截止频率不够低

检查传感器的低频响应（可以通过测量时间常数来判断），选择低频好的传感器。

传感器使用的恒流电压源或电荷放大器的截止频率不够低

正确选择恒流电压源和电荷放大器的低频截止频率。

系统低频信噪比较差

加速度传感器低频噪声大

在低频下，传感器的信噪比会显着下降。 选择满足低频信噪比指标的传感器。

外界对测量信号的影响

瞬态环境温度影响

传感器采用隔热护套，并选择温度响应系数小的传感器。

高频测量信号失真

增加高频信号

加速度传感器安装方式导致的高频信号失真（增加）

调整安装方式，增加安装接触刚度，提高传感器的高频测量范围。

加速度传感器内部敏感磁芯谐振频率低

选择谐振频率高、高频响应好的传感器。

加速度传感器安装绝缘底座连接刚度差

重新选择高刚性绝缘安装底座

高频信号减少

长距离传输信号时，恒流电压源的恒流电流不够大。

根据信号频率幅度选择正确的电压源恒流

随着智能手机等消费电子产品的普及，设备需要具有更高的功能性和可设计性。 在这种情况下，对元器件的高集成度、小型化、低功耗有着强烈的需求。 小型封装三轴加速度计和三轴陀螺仪的复合传感器逐渐兴起，其不仅具有上述小型封装陀螺仪的各种特性和功能，而且还具有业界领先的仅4mA的低功耗。 它们已适配智能手机、平板电脑、游戏机、遥控器等小型智能设备，迎接人工智能时代的到来。

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