从设计原理上详细介绍加速度传感器的特性

加速度传感器性能、特性详细介绍

一、原理及应用

为什么用加速度传感器？

在各种工程领域中，在各种结构物和各种机器的开发、试验和运行监测中，冲击和振动测量是至关重要的。加速度传感器具有测量精度高，频率和幅值响应宽，体积小，重量轻，寿命长，易于安装等优点而广为采用。endevco是唯一的能同时提供压电式加速度传感器、集成电路压电式加速度传感器、压阻式加速度传感器、变电容式加速度传感器的厂家。

传感器与信号调理器

传感器：将感受到的物理量作为输入并按一定规律转换成测量所需物理量后输出的一种装置。它通常由敏感元件和转换元件组成。

信号调理器：将传感器的输出信号进行阻抗变换，放大，滤波，归一化，数字化等处理统称为信号调理，顾名思义，适调（Conditioning）意指根据测试和后续读显，数据采集，记录仪器的要求对信号进行适当的调节，实现上述功能的仪器称为信号调理器（Signal Conditioner），必要时信号调理器还有供电，积分，平衡，校准，过载指示，电平检测等功能。

机电传感器

将被测的机械量（应变，力，运动等）；按一定规律转换成电量或电参数量的一种装置。用于振动和冲击的有：

1）压电加速度传感器；2）集成电路压电加速度传感器；3）压阻加速度传感器；4）可变电阻传感器；5）可变电容传感器；6）应变计；7）可变磁阻传感器；8）磁致伸缩传感器；9）电涡流式传感器；10）动圈式传感器；11）电感传感器；12）压力传感器；13）力传感器；14）阻抗头。

惯性传感器

利用惯性系统中有关元件的相对运动产生输出信号的传感器。（见国家标准GB/T 2298-80）

由单自由度系统中质量与基座的相对运动而产生与基座运动成比例的输出信号的传感器。

压电式(PE)加速度传感器

压电电子学定义：

压电加速度传感器采用了质量—弹簧结构，它产生的作用力与振幅和频率成正比，作用到压电陶瓷上，使其末端产生电荷，它是自发电式，不需外接电源，可在极高极低温度下工作，结构牢固性好。

石英是天然压电材料，灵敏度低，常用的是人造的铁电材料，由人工极化可获得高灵敏度、高工作温度和输出稳定性。Endevco的压电元件采用人工极化，具有高稳定性。

压电式加速度传感器

在加速度传感器设计中采用了各种结构型式：

压缩式和单端压缩式（SEC）

通过中心螺柱上的质量块M给敏感元件K施加预紧力，敏感元件可看作弹簧。

特点：灵敏度高，共振频率高；适合于一般用途。

基座隔离式

通过特定外型的底座来隔离各种非振动环境。

特点：大大地减小了底座各种耦合因素的影响，减小了底座应变和瞬态温度的影响，使加速度传感器更适合于低振级测量。

环形剪切式

环形质量块紧紧地固定在环形敏感元件的外周边，以产生剪切力。

特点：尺寸小、重量轻、适用于冲击测量和轻型结构物的测量，敏感元件与基座做到了很好的隔离，因

此对基座弯曲和环境噪声不敏感。敏感元件承受剪切可大大减小瞬变温度产生热电效应的灵敏程度。中心孔安装环形剪切式

采用中心孔安装的环形剪切式设计的加速度传感器大大地方便了安装。

特点：可将接线头定位在最为方便的方向上。

隔离剪切式

通过安装螺钉将平片状压电敏感元件叠堆装到中心立柱上，这是最新式的剪切设计形式。

特点：采用多片敏感元件和补偿元件，可获得更宽的灵敏度范围和温度范围。可采用各种敏感元件，以获得最佳的温度稳定性，在各种环境条件下获得最高的信噪比。

集成电路压电（IEPE）加速度传感器

Endevco公司将带有内装电路的压电加速度传感器称之为ISOTRON，其电增益可用来减小传感器尺寸和增加灵敏度。可带内装电子滤波器来调节传感器频响或抑制其机械共振以适应某些特殊要求。它可以用銲针代替同轴插座，从而减小了尺寸，降低了造价，应用也较灵活。

压阻(PR)加速度传感器

压阻电子学定义：

压阻式（PR）应变元件为固态硅电阻，其电阻值与作用于它的机械应力成正比。

传统设计中，单个的应变片机械地被粘贴到悬臂梁上，将其电连接成惠斯登电桥。它所产生的电信号与振动运动成正比。与金属丝应变片相比，压阻式应变片的机械迟滞小得多，灵敏度高几个数量级。这种整体式传感器是由微机械加工制成的，这样可使扩散硅应变片和加速度传感器的机械元件生成在同一块硅片中，无需环氧粘贴等机械连接，具有极好的可靠性和线性，硅材料具有极高的屈服强度和压阻系数，传感器的设计应力值较低，可使其经久耐用，且信噪比极高。

Endevco压阻加速度传感器

具有零频响应是压阻式加速度传感器的优点，从而极适合于测量运输振动、汽车碰撞研究和爆炸试验中的长持续时间脉冲。它使用外接电源，输出阻抗低，灵敏度高，输出信号不需要再放大，可缩小尺寸，且用作标准。应用翻转法或旁路分流法可进行校准。

变电容式（VC）加速度传感器

Endevco称之为Microtron系列的加速度传感器中采用了变电容原理测量加速度。用微机械加工的办法在同一硅片上制成每个敏感元件，并将其连接成平行板电容装置。它具有零频响应，稳定的阻尼特性，极宽的频率响应，在极高的加速度过载条件下仍坚固耐用。内部电路提供低阻抗的不随温度变化的输出信号。它适用于弹道监测，飞机/车辆结构评价，颤振试验，汽车支撑，刹车系统试验和其它的低频高精度测量之处，具有独到的优越性能。

二、各种加速度传感器的性能特性

压电式加速度传感器

①自发电式传感器，输出电荷与所感受的加速度成正比

②频率响应宽，动态范围大

③尺寸小，重量轻，易于安装

④精确度高，稳定性好，寿命长

⑤具有极宽的工作温度范围和极高的信噪比

集成电路式压电加速度传感器

①低阻抗电压输出，输出信号大

②对各种环境因素的影响不敏感

③对电缆和接头带来的干扰不敏感

④用双线电缆双向传输，可同时供电和传输信号

⑤可使用长电缆远距离传输信号

⑥结构简单，造价低

⑦适合于工程现场的需要

压阻式加速度传感器

①需要外加电源提供所需激励电压或电流

②能测量频率低到零的信号，而不会产生相位失真

③输出阻抗低，输出电平高，内在噪声低，易于适调

④对电磁和静电干扰不敏感

⑤对基座应变和热瞬变不敏感

⑥受大冲击加速度作用时没有零点漂移

⑦可用翻转法或并联法进行校准

变电容式加速度传感器

①具有零频响应，可用于测量稳态加速度，低频低g值下的振动，也可用于测量持续时间长的冲击运动

②灵敏度高，抗环境振动和冲击的能力强

③对温度不敏感，稳定性好，线性度高

④尺寸小，重量轻，结构牢固

⑤采用气体阻尼，内装过量程限止器

三、工作特性

压电式加速度传感器

为了得到高度真实的试验数据，使用者应当全面地了解所用仪器的工作特性，这些特性是怎样互相影响的，整个环境对这些特性是如何影响的，以及加速度传感器对被测运动是如何影响的。

加速度传感器是关键的测量元件，有多种设计型式供选用。每种设计型式都为某些特定用处设计的，目的是为获得高保真的测量数据。

工程师们应认真地分析测量的要求，选用最合适的加速度传感器，通常要在灵敏度，重量和频响范围三者之间比较，做出最合适的选择。

传感器主要工作特性分为有效响应与乱真响应两类。

●有效响应 effective response

在传感器灵敏轴方向上，由输入的机械振动或冲击所引起的传感器的响应。这种响应是正确使用传感器进行测量，取得可靠数据所期望的。

有效响应主要有：灵敏度；幅频响应和相频响应；非线性度。

●乱真响应 spurious response

在使用传感器测量机械振动或冲击时，由同时存在的其他物理因素所引起的传感器的响应。这种响应是干扰正确测量的，是不期望的。（见国家标准 GB/T 13823.1-93）