如何选择合适的加速度传感器
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选择合适的加速度用来说，选择合适的测试工具 将对测试结果产生很大的影响。本文将帮助读 者正确的选择加速度传感器。让我们从传感器 的分类和原理开始。
的变量。为了从加速度计算出速度和位移，从 传感器输出的加速度信号会通过数字或模拟的 形式分别做一次和二次积分。这就可能导致了 交流耦合的传感器会产生问题。为了演示这个 问题，设想采用交流传感器测量一个宽脉冲半
直流响应加速度传感器
两种技术经常被用来制作直流响应加速度传感 器。 电容型 压阻型
稳定性。 电容型加速度传感器通常适合板载测试，成本 低是一个原因。对于低频运动测试，加速度一 般也低，它们是一个理想的选择。例如土木工 程中的振动测试。
电容型
电容型（随加速度变化，由检测质量块引起电 容变化）加速度传感器在当今是 最通用的。在某些领域无可替 代，如安全气囊，手机移动设备等。高的产量 使得该类传感器成本低廉。但是这种低成本的 传感器受制于较低的信噪比，有限的动态范
压阻型
压阻型加速度传感器是另一种广泛应用的直流 响应加速度传感器。不同于电容型加速度传感 器通过电容的变化测量加速度，压阻型加速度 传感器通过应变电阻值的变化输出加速度信 号，应变电阻是传感器惯性感
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应系统的一部分。很多工程师熟悉应变片，并 知道如何测量其输出。大多数的压阻型传感器 对温度变化敏感，因而需要对其输出信号在传 感器内部或外部做温度补偿。现代压阻型加速 度传感器包含一个专用集成电路做在板信号处 理，也包含温度补偿。 压阻型加速度传感器的工作频率可达 5000Hz。许多压阻型加速度传感器要么采用空 气阻尼（MEMS 型），要么采用液体阻尼（粘 贴应变片型）。阻尼特性是选择传感器的一个 重要因素。某些应用下，输入的机械振动包含 高频成份（或激发高频响应），带阻尼的传感 器可以防止本身产生振铃（谐振），从而保留 或增大了可用动态范围。由于压阻型加速度传 感器的输出是差分的纯电阻信息，信噪比通常 很好；其动态范围仅受限于后接直流放大器的 品质。对于高加速度冲击测试，某些压阻型加 速度传感器能够测量到超出 10000g 的加速 度。 由于具有宽的频率响应能力。压阻型加速度传 感器适合做脉冲、碰撞测试，在这些测试中频 率和加速度通常都很高。作为具有直流响应能 力的传感器，通过其加速度输出，使用者可以 得到无积分误差的速度和位移信息。压阻型加 速度传感器通常应用于汽车安全测试，武器测 试，地震测试等。
小结
每种加速度传感器技术都有其优缺点。在作出 选择之前，明确它们的区别和测试需求是非常 重要的。首先也是最重要的是，对于需要测量 静态加速度或低频加速度（<1Hz）的应用，或 者需要用加速度计算速度和位移的应用，需要 选择具有直流响应的加速度传感器。直流和交 流响应的加速度传感器都可以测量动态信号。 当仅需要测量动态信号时，使用者可以各取所 好。有些使用者不喜欢处理直流响应加速度传 感器的零点偏置，而更加喜欢交流耦合、单端 输出的压电加速度传感器。而另一些使用者不 在乎处理零点偏置，习惯 3 线或 4 线接口，喜 欢负载电阻自检测试（shunt），和重力加速度 自检测试（2g 翻转）功能。他们会选择直流响 应加速度传感器。 总的来说：电荷输出模式的压电加速度传感器 是最耐久的一种设计，这主要由于它结构简 单，材料坚固可靠。对于高温(>125° C)动态测 试，电荷输出模式的压电加速度传感器是毫无 疑问的选择，也是唯一的选择。对于电荷输出 模式的压电加速度传感器，配备低噪声同轴电 缆和电荷放大器（或在线电荷转换器）是必须 的。 电压输出型压电加速度传感器是最常用于动态 测试的。其具有小的尺寸，宽的带宽，内置电 荷放大器使得其与现有仪器或数据采集器（具
作为交流响应的加速度传感器，正如它的名 称，它的输出是交流耦合的。此类传感器不能 用来测试静态的加速度，比如重力加速度和离 心加速度。他们仅适合测量动态事件。而直流 响应的加速度传感器，具有直流耦合输出，能 够响应低至 0 赫兹的加速度信号。因此直流响 应的加速度传感器适合同时测试静态和动态的 加速度。并不是只有需要测试静态加速度时才 选择直流响应的加速度传感器。
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有 IEPE/ICP 接口）可以直接连接。电压输出 型压电加速度传感器一般用于 125° C 以下的应 用，但是由于其输出阻抗低，不需要使用低噪 声同轴电缆。 电容型加速度传感器通常设计成零界阻尼或过 阻尼状态，适合做低频测试。其低成本，SMD 封装的器件适合汽车、消费品等大批量的应 用，这些应用对精度的要求往往不高。价格更 昂贵的仪用级别的 MEMS 结构电容型加速度 传感器具有良好的零点稳定性和较低的噪声。 电容型加速度传感器一般都具有低的输出阻 抗，2～5V 的输出摆幅，需要稳定的直流电压 供电。 压阻型加速度传感器种类很多，具有不同的频 率响应范围和动态范围。作为具有直流响应的 传感器，它们能够测试静态加速度，进而准确 的计算速度和位移。压阻型加速度传感器的频 率响应带宽足够做大部分的动态测试。它们的 阻尼可以设计成不同值（ =0.1～0.8），这使 得它们适应不同的测试条件，包括冲击测试。 纯压阻型加速度传感器（不包含信号调理电 路）可以制作得很小很轻，具有中等输出阻抗 (<5000)和 100 ～ 200 mV 的满量程输出。而 带放大的压阻型加速度传感器（内置信号调理 芯片）具有较低的输出阻抗(<100)和 2～5V 的满量程输出。
电压输出型加速度传感器
另一种压电加速度传感器输出电压信号而不是 电荷信号。这种传感器的内部包含了电荷放大 器。电压模式的传感器有 3 线式（信号，地， 电源）和 2 线式（信号/电源，地）。2 线式又 被称为集成电路式压电传感器（IEPE）。由于 可以方便的采用同轴线（2 线，芯线和屏蔽 线）连接， IEPE 非常流行。该模式下，交流 信号叠加在直流电源上。在输出端串联一个耦 合电容能够去掉传感器的直流偏置电压，从而 仅获得传感器信号输出。许多现代仪器提供 IEPE/ICP3 输入接口，从而可以和 IEPE 传感 器直接连接。如果 IEPE 供电接口不可用，需 要一个带有恒流源的信号放大器和 IEPE 传感 器一期使用。3 线式传感器则需要一根单独的 直流电源线供电。 与电荷输出型加速度传感器不同的是，除了压 电陶瓷元件，电压输出型加速度 传感器包含一个微型电路，电路 Page 2
可用动态范围－由于压电陶瓷元件具有极宽
的动态范围，电荷输出型加速度传感器在量程 定义上显得十分灵活，因为其满量程可以通过 远程的电荷放大器由用户自由调节。而电压输 出型加速度传感器具有既定的满量程，其决定 于内部的电荷放大器，一旦由工厂生产出来， 将不再能改变。 压电加速度传感器可以制成很小的封装，因此 适合做轻结构的动态测试。
缓慢变化的输入。 在实际的日常应用中，输入 信号可能不是单纯的半正弦脉冲，但是用交流 耦合的传感器测试任何缓慢变化的信号时这样 的问题始终会存在。 现在我们看看各种常用的加速度传感器技术。
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交流响应加速度传感器
最常用的交流响应加速度传感器是采用压电元 件作为其敏感单元的。当有加速度输入时，传 感器中的检测质量块“移动”使压电元件产生 正比于输入加速度的电荷信号。从电学角看， 压电元件如同一个有源的电容器，其内阻在 10x9 欧姆级别。由内阻和电容决定了 RC 时间 常数，这也决定了传感器的高频通过特性。由 于这个原因，压电加速度传感器不能用于测量 静态事件。压电元件可来自于自然界或人造。 它们有不同的信号转换效率和线性。市场上有 两类压电加速度传感器－电荷输出型，电压输 出型。 . 加速度传感器连接，从而可以消除电缆电容和 传感器电容并联带来的影响。配合先进的电荷 放大器，电荷输出型加速度传感器很容易实现 宽的动态响应（>120dB）。由于压电陶瓷的 工作温度范围很宽，有些传感器可以用于200° C 到 +400° C，甚至更宽温度的环境。它 们特别适合极限温度下的振动测试，如涡轮引 擎的监测。
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这个看似微小的幅度上的差异在积分之后将产 生重大的误差 1。直流响应的加速度传感器却 没有这样的问题，因为其输出能够准确的跟随
加速度，速度，位移
许多对于振动的研究需要获取加速度，速度和 位移的信息，这些是工程师们设计和验证结构 时所需要的重要信息 。一般说来，加速度提供 了很好的参考，而速度和位移却是计算时所需
注释及参考文献
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 3. ICP 是 PCB 公司经注册的商标. 市场 上有很多不同公司关于此类传感器的商 标.
基本的加速度传感器类型
总的来说有两类加速度传感器: 交流响应加速度传感器 直流响应加速度传感器
正弦波信号。由于固有的交流 RC 时间常数的 限制，传感器的输出不能很好跟输入脉冲吻 合。同样的原因，在脉冲的结束点，传感器输 出将产生一个负向零点偏移。下图展示了传感 器的输出（红色的曲线）和宽脉冲半正弦加速 度输入（蓝色曲线）的关系。
电荷输出型加速度传感器
主要的压电加速度传感器采用锆钛酸盐陶瓷， 具有很宽的工作温度范围，宽的动态量程，宽 的频率范围（可用频率 >10kHz）。电荷输出 型加速度传感器把压电陶瓷封装在具有气密性 的金属外壳中。由于具有抵抗严酷环境的能 力，其具有非常好的耐久性。由于 具有很高的阻抗，该传感器需要 配合电荷放大器和低噪声屏蔽电 缆使用，最好是同轴电缆。低噪声电缆是指其 具有低的摩擦电噪声 2，这是一种运动产生的 来自电缆本身的噪声。很多传感器厂家同时提 供这种低噪声电缆。电荷放大器和电荷输出型 其
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的工作温度范围限制了传感器的整体工作温度 范围，通常不超过 125° C。也有一些设计提高 到了 175° C， 但其在其它性能方面会有所下 降。 围。所有的电容型加速度传感器都具有内部时 钟，该时钟(~500kHz)是检测电路必不可少的 部分，由于泄漏经常会对输出信号产生干扰。 这种噪声的频率远高于测量信号的频率，一般 不会对测量结果造成影响，但是它始终和测试 信号叠加在一起。由于内置了放大器芯片，其 一般具有 3 线（或 4 线差分输出）接口。只要 有直流供电便能工作。 电容型加速度传感器的工作带宽一般限制在几 百 Hz，部分原因是其具有大的内部结构和重 的空气阻尼。电容型加速度传感器适合测量低 量程的加速度，其上限一般在 100g 以内。除 了这些限制，现代的电容型加速度传感器，特 别是仪用级别的器件，具有很好的线性和高的
选择合适的加速度用来说，选择合适的测试工具 将对测试结果产生很大的影响。本文将帮助读 者正确的选择加速度传感器。让我们从传感器 的分类和原理开始。
的变量。为了从加速度计算出速度和位移，从 传感器输出的加速度信号会通过数字或模拟的 形式分别做一次和二次积分。这就可能导致了 交流耦合的传感器会产生问题。为了演示这个 问题，设想采用交流传感器测量一个宽脉冲半
直流响应加速度传感器
两种技术经常被用来制作直流响应加速度传感 器。 电容型 压阻型
稳定性。 电容型加速度传感器通常适合板载测试，成本 低是一个原因。对于低频运动测试，加速度一 般也低，它们是一个理想的选择。例如土木工 程中的振动测试。
电容型
电容型（随加速度变化，由检测质量块引起电 容变化）加速度传感器在当今是 最通用的。在某些领域无可替 代，如安全气囊，手机移动设备等。高的产量 使得该类传感器成本低廉。但是这种低成本的 传感器受制于较低的信噪比，有限的动态范
压阻型
压阻型加速度传感器是另一种广泛应用的直流 响应加速度传感器。不同于电容型加速度传感 器通过电容的变化测量加速度，压阻型加速度 传感器通过应变电阻值的变化输出加速度信 号，应变电阻是传感器惯性感
Page 3
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应系统的一部分。很多工程师熟悉应变片，并 知道如何测量其输出。大多数的压阻型传感器 对温度变化敏感，因而需要对其输出信号在传 感器内部或外部做温度补偿。现代压阻型加速 度传感器包含一个专用集成电路做在板信号处 理，也包含温度补偿。 压阻型加速度传感器的工作频率可达 5000Hz。许多压阻型加速度传感器要么采用空 气阻尼（MEMS 型），要么采用液体阻尼（粘 贴应变片型）。阻尼特性是选择传感器的一个 重要因素。某些应用下，输入的机械振动包含 高频成份（或激发高频响应），带阻尼的传感 器可以防止本身产生振铃（谐振），从而保留 或增大了可用动态范围。由于压阻型加速度传 感器的输出是差分的纯电阻信息，信噪比通常 很好；其动态范围仅受限于后接直流放大器的 品质。对于高加速度冲击测试，某些压阻型加 速度传感器能够测量到超出 10000g 的加速 度。 由于具有宽的频率响应能力。压阻型加速度传 感器适合做脉冲、碰撞测试，在这些测试中频 率和加速度通常都很高。作为具有直流响应能 力的传感器，通过其加速度输出，使用者可以 得到无积分误差的速度和位移信息。压阻型加 速度传感器通常应用于汽车安全测试，武器测 试，地震测试等。
小结
每种加速度传感器技术都有其优缺点。在作出 选择之前，明确它们的区别和测试需求是非常 重要的。首先也是最重要的是，对于需要测量 静态加速度或低频加速度（<1Hz）的应用，或 者需要用加速度计算速度和位移的应用，需要 选择具有直流响应的加速度传感器。直流和交 流响应的加速度传感器都可以测量动态信号。 当仅需要测量动态信号时，使用者可以各取所 好。有些使用者不喜欢处理直流响应加速度传 感器的零点偏置，而更加喜欢交流耦合、单端 输出的压电加速度传感器。而另一些使用者不 在乎处理零点偏置，习惯 3 线或 4 线接口，喜 欢负载电阻自检测试（shunt），和重力加速度 自检测试（2g 翻转）功能。他们会选择直流响 应加速度传感器。 总的来说：电荷输出模式的压电加速度传感器 是最耐久的一种设计，这主要由于它结构简 单，材料坚固可靠。对于高温(>125° C)动态测 试，电荷输出模式的压电加速度传感器是毫无 疑问的选择，也是唯一的选择。对于电荷输出 模式的压电加速度传感器，配备低噪声同轴电 缆和电荷放大器（或在线电荷转换器）是必须 的。 电压输出型压电加速度传感器是最常用于动态 测试的。其具有小的尺寸，宽的带宽，内置电 荷放大器使得其与现有仪器或数据采集器（具
作为交流响应的加速度传感器，正如它的名 称，它的输出是交流耦合的。此类传感器不能 用来测试静态的加速度，比如重力加速度和离 心加速度。他们仅适合测量动态事件。而直流 响应的加速度传感器，具有直流耦合输出，能 够响应低至 0 赫兹的加速度信号。因此直流响 应的加速度传感器适合同时测试静态和动态的 加速度。并不是只有需要测试静态加速度时才 选择直流响应的加速度传感器。
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有 IEPE/ICP 接口）可以直接连接。电压输出 型压电加速度传感器一般用于 125° C 以下的应 用，但是由于其输出阻抗低，不需要使用低噪 声同轴电缆。 电容型加速度传感器通常设计成零界阻尼或过 阻尼状态，适合做低频测试。其低成本，SMD 封装的器件适合汽车、消费品等大批量的应 用，这些应用对精度的要求往往不高。价格更 昂贵的仪用级别的 MEMS 结构电容型加速度 传感器具有良好的零点稳定性和较低的噪声。 电容型加速度传感器一般都具有低的输出阻 抗，2～5V 的输出摆幅，需要稳定的直流电压 供电。 压阻型加速度传感器种类很多，具有不同的频 率响应范围和动态范围。作为具有直流响应的 传感器，它们能够测试静态加速度，进而准确 的计算速度和位移。压阻型加速度传感器的频 率响应带宽足够做大部分的动态测试。它们的 阻尼可以设计成不同值（ =0.1～0.8），这使 得它们适应不同的测试条件，包括冲击测试。 纯压阻型加速度传感器（不包含信号调理电 路）可以制作得很小很轻，具有中等输出阻抗 (<5000)和 100 ～ 200 mV 的满量程输出。而 带放大的压阻型加速度传感器（内置信号调理 芯片）具有较低的输出阻抗(<100)和 2～5V 的满量程输出。
电压输出型加速度传感器
另一种压电加速度传感器输出电压信号而不是 电荷信号。这种传感器的内部包含了电荷放大 器。电压模式的传感器有 3 线式（信号，地， 电源）和 2 线式（信号/电源，地）。2 线式又 被称为集成电路式压电传感器（IEPE）。由于 可以方便的采用同轴线（2 线，芯线和屏蔽 线）连接， IEPE 非常流行。该模式下，交流 信号叠加在直流电源上。在输出端串联一个耦 合电容能够去掉传感器的直流偏置电压，从而 仅获得传感器信号输出。许多现代仪器提供 IEPE/ICP3 输入接口，从而可以和 IEPE 传感 器直接连接。如果 IEPE 供电接口不可用，需 要一个带有恒流源的信号放大器和 IEPE 传感 器一期使用。3 线式传感器则需要一根单独的 直流电源线供电。 与电荷输出型加速度传感器不同的是，除了压 电陶瓷元件，电压输出型加速度 传感器包含一个微型电路，电路 Page 2
可用动态范围－由于压电陶瓷元件具有极宽
的动态范围，电荷输出型加速度传感器在量程 定义上显得十分灵活，因为其满量程可以通过 远程的电荷放大器由用户自由调节。而电压输 出型加速度传感器具有既定的满量程，其决定 于内部的电荷放大器，一旦由工厂生产出来， 将不再能改变。 压电加速度传感器可以制成很小的封装，因此 适合做轻结构的动态测试。
缓慢变化的输入。 在实际的日常应用中，输入 信号可能不是单纯的半正弦脉冲，但是用交流 耦合的传感器测试任何缓慢变化的信号时这样 的问题始终会存在。 现在我们看看各种常用的加速度传感器技术。
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交流响应加速度传感器
最常用的交流响应加速度传感器是采用压电元 件作为其敏感单元的。当有加速度输入时，传 感器中的检测质量块“移动”使压电元件产生 正比于输入加速度的电荷信号。从电学角看， 压电元件如同一个有源的电容器，其内阻在 10x9 欧姆级别。由内阻和电容决定了 RC 时间 常数，这也决定了传感器的高频通过特性。由 于这个原因，压电加速度传感器不能用于测量 静态事件。压电元件可来自于自然界或人造。 它们有不同的信号转换效率和线性。市场上有 两类压电加速度传感器－电荷输出型，电压输 出型。 . 加速度传感器连接，从而可以消除电缆电容和 传感器电容并联带来的影响。配合先进的电荷 放大器，电荷输出型加速度传感器很容易实现 宽的动态响应（>120dB）。由于压电陶瓷的 工作温度范围很宽，有些传感器可以用于200° C 到 +400° C，甚至更宽温度的环境。它 们特别适合极限温度下的振动测试，如涡轮引 擎的监测。
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这个看似微小的幅度上的差异在积分之后将产 生重大的误差 1。直流响应的加速度传感器却 没有这样的问题，因为其输出能够准确的跟随
加速度，速度，位移
许多对于振动的研究需要获取加速度，速度和 位移的信息，这些是工程师们设计和验证结构 时所需要的重要信息 。一般说来，加速度提供 了很好的参考，而速度和位移却是计算时所需
注释及参考文献
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 3. ICP 是 PCB 公司经注册的商标. 市场 上有很多不同公司关于此类传感器的商 标.
基本的加速度传感器类型
总的来说有两类加速度传感器: 交流响应加速度传感器 直流响应加速度传感器
正弦波信号。由于固有的交流 RC 时间常数的 限制，传感器的输出不能很好跟输入脉冲吻 合。同样的原因，在脉冲的结束点，传感器输 出将产生一个负向零点偏移。下图展示了传感 器的输出（红色的曲线）和宽脉冲半正弦加速 度输入（蓝色曲线）的关系。
电荷输出型加速度传感器
主要的压电加速度传感器采用锆钛酸盐陶瓷， 具有很宽的工作温度范围，宽的动态量程，宽 的频率范围（可用频率 >10kHz）。电荷输出 型加速度传感器把压电陶瓷封装在具有气密性 的金属外壳中。由于具有抵抗严酷环境的能 力，其具有非常好的耐久性。由于 具有很高的阻抗，该传感器需要 配合电荷放大器和低噪声屏蔽电 缆使用，最好是同轴电缆。低噪声电缆是指其 具有低的摩擦电噪声 2，这是一种运动产生的 来自电缆本身的噪声。很多传感器厂家同时提 供这种低噪声电缆。电荷放大器和电荷输出型 其
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的工作温度范围限制了传感器的整体工作温度 范围，通常不超过 125° C。也有一些设计提高 到了 175° C， 但其在其它性能方面会有所下 降。 围。所有的电容型加速度传感器都具有内部时 钟，该时钟(~500kHz)是检测电路必不可少的 部分，由于泄漏经常会对输出信号产生干扰。 这种噪声的频率远高于测量信号的频率，一般 不会对测量结果造成影响，但是它始终和测试 信号叠加在一起。由于内置了放大器芯片，其 一般具有 3 线（或 4 线差分输出）接口。只要 有直流供电便能工作。 电容型加速度传感器的工作带宽一般限制在几 百 Hz，部分原因是其具有大的内部结构和重 的空气阻尼。电容型加速度传感器适合测量低 量程的加速度，其上限一般在 100g 以内。除 了这些限制，现代的电容型加速度传感器，特 别是仪用级别的器件，具有很好的线性和高的