加速度传感器

白皮书

选择合适的加速度传感器类型

与大多数工程活动一样,选择合适的工具可能会对测量结果产生重大影响。以下信息可帮助读者挑选合适的加速度传感器。

加速度传感器通常分为两种类型:交流响应型和直流响应型。

在交流响应加速度传感器中,顾名思义,输出是交流耦合的。交流耦合器件不能用于测量重力、恒定离心加速度等静态加速度。它只适用于测量动态事件。

另一方面,直流响应加速度传感器是直流耦合的,可对零赫兹做出响应。因此,它可用于测量静态以及动态加速度。但测量静态加速度并非选择直流响应加速度传感器的唯一原因。

加速度传感器
加速度、速度、位移

大多数振动研究需要知道加速度、速度和位移 - 它们是工程师在设计或验证结构时必须了解的重要变量。一般来说,g 值提供了良好的参考,但速度和位移才是大多数设计计算所需的变量。为了从加速度输出中导出速度和位移,在模拟或数字领域分别需要对加速度传感器信号进行积分和二重积分。如果在此处使用交流响应加速度传感器,可能会带来麻烦。为了说明问题,请考虑使用交流响应加速度传感器测量持续长时间半正弦输入脉冲的情况。由于其 RC 时间常量强加的固有限制,该器件的输出不能完全跟踪半正弦输入的峰值。在半正弦脉冲结束时,出于同样的原因,交流耦合加速度传感器的输出将产生负脉冲信号(偏移)。下图中的红色轨迹描绘了在经历了长持续时间半正弦输入之后交流耦合器件的输出。

这些看似微小的振幅偏差可能导致数值积分期间出现显著误差1。直流响应器件则没有这样的问题,因为它能够准确跟随缓慢移动的输入。在实际的日常应用中,实物输入虽然不同于半正弦脉冲,但只要是需要使用交流耦合器件跟踪缓慢移动的场合,就存在上述基本问题。下面,我们来看看几种应用较为普遍的加速度传感器技术。

加速度传感器图表
加速度传感器

最常见的交流响应加速度传感器使用压电元件作为其感测机构。在加速度下,加速度传感器的惯性质量会导致压电元件出现位移电流,从而产生与加速度成正比的电力输出。从电气角度来看,压电元件像是一个具有有限内阻(通常为 109 欧姆数量级)的源电容器。这形成了限定器件高通特性的 RC 时间常量。因此,压电式加速度传感器不能用于静态测量。压电元件有天然的,也有人造的。它们具有不同程度的转导效率和线性特征。市面上有两类压电式加速度传感器 - 电荷输出式和电压输出式。

交流加速度传感器
电荷输出式压电传感器

大多数压电传感器基于锆钛酸铅陶瓷 (PZT),可提供极宽的温度范围、宽动态范围和宽带宽(可用于 >10kHz 的应用)。加上密封、焊接的金属外壳后,电荷输出式加速度传感器能够耐受恶劣的环境条件,被认为是最坚固耐用的传感器之一。考虑到其高阻抗特性,电荷输出式器件必须配合低噪声屏蔽电缆(最好是同轴结构)使用。低噪声指的是低摩擦电噪声2(一种由电缆本身引发乱真输出的运动)。此类经过噪声处理的电缆通常由传感器制造商生产。电荷输出式加速度传感器通常会连接电荷放大器,以避免出现与并联电缆电容相关的问题。借助先进的电荷放大器,可使电荷输出式传感器轻松实现宽动态范围 (>120 dB)。由于压电陶瓷的工作温度范围较宽,某些电荷输出式器件可在 -200°C 到 +640°C 及以上的温度范围使用。它们特别适合用于极端温度条件下的振动测量,如涡轮发动机监测应用。

电压输出式压电传感器

另一种类型的压电加速度传感器是提供电压输出而不是电荷。

这通过将电荷放大器集成在加速度传感器壳体内来实现。电压输出式器件有 3 线(信号、接地、电源)模式或 2 线(电源/信号、接地)模式。2 线模式也称作一体式电子压电器件 (IEPE)。IEPE 采用了方便的同轴(双线)结构(交流信号叠加在直流电源线上),因而最受欢迎。它需要借助隔直流电容器来消除传感器信号输出中的直流偏压。许多先进的信号分析仪都提供了 IEPE/ICP3 输入选项(允许与 IEPE 加速度传感器直接连接)。如果未提供 IEPE 电源选项,则需要具有恒定电流功率的信号调节器/电源才能与该类型的器件相连。3 线模式器件需要单独的直流电源线才能正常工作。

与只包含陶瓷感测元件的电荷输出式器件不同,电压输出式器件包含微电子电路,后者导致传感器的最高工作温度限定在 +125°C。有些设计会将极限值推高到 +175°C,但会牺牲部分性能。

总之,在可用动态范围方面,由于压电陶瓷元件的动态范围非常广泛,电荷输出式加速度传感器在可扩展性方面最为灵活 - 因为可以借助用户指令通过远程电荷放大器调整系统的满量程范围。而电压输出式器件的满量程范围已在工厂由内部放大器预先确定,无法更改。

压电式加速度传感器的尺寸极小。因此,它们很适合用于轻质结构中的动态测量。

加速度传感器

用于制造直流加速度传感器的流行感测技术有两种:电容式和压阻式。

直流加速度传感器
电容式

电容式(基于加速度下惯性质量的电容变化)是目前制造加速度传感器最常用的技术。安全气囊、移动设备等大型商业应用广泛采用了这一技术。他们利用微机电系统 (MEMS) 制造技术给大批量应用带来了规模效应,从而降低了制造成本。但是,这种廉价的电容式加速度传感器通常存在信噪比较差、动态范围有限等缺点。所有电容器件都有一个固有特性:内部装有时钟。时钟频率 (~500kHz) 是电流检测电路的一个重要组成部分,但由于内部泄漏原因,它始终存在于输出信号中。高频噪声可能与加速度的测量范围相距甚远,但它与信号却形影不离。由于内置了放大器/IC,其 3 线(或 4 线差分输出)电气接口是直接的,只需要一个稳定的直流电压源供电。

电容式加速度传感器的带宽大多限定在几百赫兹(某些设计可提供高达 1500Hz 的带宽),部分原因在于其物理几何形状和重气态阻尼。电容式传感器的结构对较低的加速度测量范围也较为有利。最大范围通常限制在 200g 以下。除了上述限制以外,先进的电容式加速度传感器(特别是仪表级器件)能够提供良好的线性度和高输出稳定性。

电容式加速度传感器最适合用于比较重视成本的车载监控应用。此外,它们还适用于测量 g 值也很低的低频运动,如土木工程中的振动测量。

 

压阻式感测

压阻式感测是直流响应加速度传感器常用的另一种测量技术。压阻式加速度传感器不是感应惯性质量中的电容变化(这是电容式器件所采用的技术),而是在作为加速度传感器惯性系统一部分的应变片中产生电阻变化。大多数工程师都很熟悉应变片,并且知道如何与其输出相连。大多数压阻式设计的输出通常对温度变化较为敏感。因此,需要在内部或外部对其输出应用温度补偿。现代的压阻式加速度传感器集成了用于所有形式的板载信号调节及原位温度补偿的 ASIC。

压阻式加速度传感器的带宽可以达到 7,000 赫兹以上。许多压阻式器件采用了气态阻尼(MEMS 型)或液态阻尼(粘合应变片型)的设计。阻尼特性可能是选择加速度传感器的重要因素。在机械输入可能包含甚高频输入(或激发高频响应)的应用中,阻尼加速度传感器可以防止传感器振铃(谐振)并维持或改善动态范围。压阻式传感器的输出是差分和纯电阻性的,因此信噪比性能通常较为突出;其动态范围只受直流桥式放大器质量的限制。对于 g 值极高的冲击测量,某些压阻式设计能够处理远高于 10,000g 的加速度。

由于具备更高的带宽能力,压阻式加速度传感器最适合用于频率范围和 g 值通常较高的脉冲/冲击测量。作为直流响应型器件,您可以从其加速度输出中准确地导出所需的速度和位移信息,而不出现积分误差。压阻式加速度传感器通常用于汽车安全测试、武器测试以及超越 VC 加速度传感器可用范围的更高冲击范围的测量。

 

加速度传感器

每种加速度传感器感测技术都有其各自的优缺点。在做出选择之前,了解各种类型的基本差异和测试要求十分重要。

首先,如需测量静态或甚低频 (1Hz) 的加速度,或者要从加速度数据中提取速度和位移信息,请只选择直流响应式加速度传感器。直流和交流响应加速度传感器均可动态测量。如果只需要进行动态测量,您完全可以根据自己的喜好选择直流或交流响应型器件。某些用户不想处理直流响应型传感器的零点偏移,因而更喜欢压电式设计的交流耦合单端输出。也有些用户不介意处理零点偏移和四根导线(如果为单端模式,则为 3 线),并且喜欢直流响应加速度传感器的分路校准和内置功能测试(2g 转换)功能。综上所述:

电荷输出式压电设计结构简单、材料性能坚固,是最耐用的加速度传感器类型。

对于高温 (>150°C) 动态测量应用,电荷输出式压电设计是显而易见的最佳选择;而在大多数情况下,它也是唯一的选择。使用电荷输出式器件时,考虑到其高阻抗输出,应使用低噪声同轴电缆,并利用远程电荷放大器(或直插式电荷转换器)来调节其电荷输出。

对于动态测量来说,电压输出式压电设计是最受欢迎的加速度传感器类型。它尺寸小、带宽高并且内置有电荷转换器,可与许多现代化的信号分析仪和数据采集系统(提供集成 IEPE/ICP 电源的系统)直接相连。电压输出式压电设计通常被限制在 <125°C 的应用范围,但由于其输出阻抗低,可为您省却使用低噪声同轴电缆的麻烦。

电容式设计具有临界阻尼到过阻尼响应能力,因此适用于低频测量。低成本的 SMD 级器件适用于精确度要求不高的大批量汽车和消费品应用。更昂贵一些的仪表级硅 MEMS 电容式加速度传感器具有良好的横向稳定性和极低的噪声。电容式加速度传感器具有低阻抗输出和 ±2V 到 ±5V 的满量程输出。大多数设计需要使用调节直流电压来供电。

压阻式加速度传感器在频率和动态范围方面表现优异。作为直流响应型器件,它能够处理静态加速度并产生准确的速度和位移数据。其较高的带宽也能满足大多数动态测量应用的需求。压阻式设计可提供各种程度的减幅(从 ζ =0.1 到 0.8)响应,这使其适合用于各种测试条件,包括冲击试验。普通的压阻式加速度传感器(无电子元件)体积小巧、重量轻,具有 ±100 到 ±200mV 的满量程输出。放大型号(内置 ASIC)具有低输出阻抗 (<100Ω) 和 ±2V 到 ±5V 的满量程输出。

 

加速度传感器
参考

1.A. G. Piersol, T.L.Paez, Harris’ Shock and Vibration Handbook 6th Ed.,
p.10.9, McGraw-Hill, 2010

2.A. G. Piersol, T.L.Paez, Harris’ Shock and Vibration Handbook 6th Ed.,
p.15.19, McGraw-Hill, 2010

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