選擇合適的加速度傳感器類型

與大多數工程活動一樣，選擇合適的工具可能會對測量結果產生重大影響。以下信息可幫助讀者挑選合適的加速度傳感器。

基本的加速度傳感器類型

加速度傳感器通常分為兩種類型：交流響應型和直流響應型。

在交流響應加速度傳感器中，顧名思義，輸出是交流耦合的。交流耦合器件不能用于測量重力、恒定離心加速度等靜態加速度。它只適用于測量動態事件。

另一方面，直流響應加速度傳感器是直流耦合的，可對零赫茲做出響應。因此，它可用于測量靜態以及動態加速度。但測量靜態加速度并非選擇直流響應加速度傳感器的單一原因。

設計要求

加速度、速度、位移

大多數振動研究需要知道加速度、速度和位移 - 它們是工程師在設計或驗證結構時必須了解的重要變量。一般來說，g 值提供了良好的參考，但速度和位移才是大多數設計計算所需的變量。為了從加速度輸出中導出速度和位移，在模擬或數字領域分別需要對加速度傳感器信號進行積分和二重積分。如果在此處使用交流響應加速度傳感器，可能會帶來麻煩。為了說明問題，請考慮使用交流響應加速度傳感器測量持續長時間半正弦輸入脈沖的情況。由于其 RC 時間常量強加的固有限制，該器件的輸出不能*跟蹤半正弦輸入的峰值。在半正弦脈沖結束時，出于同樣的原因，交流耦合加速度傳感器的輸出將產生負脈沖信號（偏移）。下圖中的紅色軌跡描繪了在經歷了長持續時間半正弦輸入之后交流耦合器件的輸出。

這些看似微小的振幅偏差可能導致數值積分期間出現顯著誤差1。直流響應器件則沒有這樣的問題，因為它能夠準確跟隨緩慢移動的輸入。在實際的日常應用中，實物輸入雖然不同于半正弦脈沖，但只要是需要使用交流耦合器件跟蹤緩慢移動的場合，就存在上述基本問題。下面，我們來看看幾種應用較為普遍的加速度傳感器技術。

交流加速度傳感器

較常見的交流響應加速度傳感器使用壓電元件作為其感測機構。在加速度下，加速度傳感器的慣性質量會導致壓電元件出現位移電流，從而產生與加速度成正比的電力輸出。從電氣角度來看，壓電元件像是一個具有有限內阻（通常為 109 歐姆數量級）的源電容器。這形成了限定器件高通特性的 RC 時間常量。因此，壓電式加速度傳感器不能用于靜態測量。壓電元件有天然的，也有人造的。它們具有不同程度的轉導效率和線性特征。

市面上有兩類壓電式加速度傳感器 - 電荷輸出式和電壓輸出式。

電荷輸出式壓電傳感器

大多數壓電傳感器基于鋯鈦酸鉛陶瓷 (PZT)，可提供極寬的溫度范圍、寬動態范圍和寬帶寬（可用于 >10kHz 的應用）。加上密封、焊接的金屬外殼后，電荷輸出式加速度傳感器能夠耐受惡劣的環境條件，被認為是堅固耐用的傳感器之一。考慮到其高阻抗特性，電荷輸出式器件必須配合低噪聲屏蔽電纜（優先用同軸結構）使用。低噪聲指的是低摩擦電噪聲2（一種由電纜本身引發亂真輸出的運動）。此類經過噪聲處理的電纜通常由傳感器制造商生產。電荷輸出式加速度傳感器通常會連接電荷放大器，以避免出現與并聯電纜電容相關的問題。借助先進的電荷放大器，可使電荷輸出式傳感器輕松實現寬動態范圍 (>120 dB)。由于壓電陶瓷的工作溫度范圍較寬，某些電荷輸出式器件可在 -200°C 到 +640°C 及以上的溫度范圍使用。它們特別適合用于溫度條件下的振動測量，如渦輪發動機監測應用。

電壓輸出式壓電傳感器

另一種類型的壓電加速度傳感器是提供電壓輸出而不是電荷。

這通過將電荷放大器集成在加速度傳感器殼體內來實現。電壓輸出式器件有 3 線（信號、接地、電源）模式或 2 線（電源/信號、接地）模式。2 線模式也稱作一體式電子壓電器件 (IEPE)。IEPE 采用了方便的同軸（雙線）結構（交流信號疊加在直流電源線上），因而深受歡迎。它需要借助隔直流電容器來消除傳感器信號輸出中的直流偏壓。許多先進的信號分析儀都提供了 IEPE/ICP3 輸入選項（允許與 IEPE 加速度傳感器直接連接）。如果未提供 IEPE 電源選項，則需要具有恒定電流功率的信號調節器/電源才能與該類型的器件相連。3 線模式器件需要單獨的直流電源線才能正常工作。

與只包含陶瓷感測元件的電荷輸出式器件不同，電壓輸出式器件包含微電子電路，后者導致傳感器的TOP工作溫度限定在 +125°C。有些設計會將極限值推高到 +175°C，但會犧牲部分性能。

總之，在可用動態范圍方面，由于壓電陶瓷元件的動態范圍非常廣泛，電荷輸出式加速度傳感器在可擴展性方面較為靈活 - 因為可以借助用戶指令通過遠程電荷放大器調整系統的滿量程范圍。而電壓輸出式器件的滿量程范圍已在工廠由內部放大器預先確定，無法更改。

壓電式加速度傳感器的尺寸極小。因此，它們很適合用于輕質結構中的動態測量。

直流加速度傳感器

用于制造直流加速度傳感器的流行感測技術有兩種：電容式和壓阻式。

電容式

電容式（基于加速度下慣性質量的電容變化）是目前制造加速度傳感器常用的技術。安全氣囊、移動設備等大型商業應用廣泛采用了這一技術。他們利用微機電系統 (MEMS) 制造技術給大批量應用帶來了規模效應，從而降低了制造成本。但是，這種廉價的電容式加速度傳感器通常存在信噪比較差、動態范圍有限等缺點。所有電容器件都有一個固有特性：內部裝有時鐘。時鐘頻率 (~500kHz) 是電流檢測電路的一個重要組成部分，但由于內部泄漏原因，它始終存在于輸出信號中。高頻噪聲可能與加速度的測量范圍相距甚遠，但它與信號卻形影不離。由于內置了放大器/IC，其 3 線（或 4 線差分輸出）電氣接口是直接的，只需要一個穩定的直流電壓源供電。

電容式加速度傳感器的帶寬大多限定在幾百赫茲（某些設計可提供高達 1500Hz 的帶寬），部分原因在于其物理幾何形狀和重氣態阻尼。電容式傳感器的結構對較低的加速度測量范圍也較為有利。測量范圍通常限制在 200g 以下。除了上述限制以外，先進的電容式加速度傳感器（特別是儀表級器件）能夠提供良好的線性度和高輸出穩定性。

電容式加速度傳感器適合用于比較重視成本的車載監控應用。此外，它們還適用于測量 g 值也很低的低頻運動，如土木工程中的振動測量。

壓阻式感測

壓阻式感測是直流響應加速度傳感器常用的另一種測量技術。壓阻式加速度傳感器不是感應慣性質量中的電容變化（這是電容式器件所采用的技術），而是在作為加速度傳感器慣性系統一部分的應變片中產生電阻變化。大多數工程師都很熟悉應變片，并且知道如何與其輸出相連。大多數壓阻式設計的輸出通常對溫度變化較為敏感。因此，需要在內部或外部對其輸出應用溫度補償。現代的壓阻式加速度傳感器集成了用于所有形式的板載信號調節及原位溫度補償的 ASIC。

壓阻式加速度傳感器的帶寬可以達到 7,000 赫茲以上。許多壓阻式器件采用了氣態阻尼（MEMS 型）或液態阻尼（粘合應變片型）的設計。阻尼特性可能是選擇加速度傳感器的重要因素。在機械輸入可能包含甚高頻輸入（或激發高頻響應）的應用中，阻尼加速度傳感器可以防止傳感器振鈴（諧振）并維持或改善動態范圍。壓阻式傳感器的輸出是差分和純電阻性的，因此信噪比性能通常較為突出；其動態范圍只受直流橋式放大器質量的限制。對于 g 值*的沖擊測量，某些壓阻式設計能夠處理遠高于 10,000g 的加速度。

由于具備更高的帶寬能力，壓阻式加速度傳感器適合用于頻率范圍和 g 值通常較高的脈沖/沖擊測量。作為直流響應型器件，您可以從其加速度輸出中準確地導出所需的速度和位移信息，而不出現積分誤差。壓阻式加速度傳感器通常用于汽車安全測試、武器測試以及超越 VC 加速度傳感器可用范圍的更高沖擊范圍的測量。

總結

每種加速度傳感器感測技術都有其各自的優缺點。在做出選擇之前，了解各種類型的基本差異和測試要求十分重要。

首先，如需測量靜態或甚低頻 (1Hz) 的加速度，或者要從加速度數據中提取速度和位移信息，請只選擇直流響應式加速度傳感器。直流和交流響應加速度傳感器均可動態測量。如果只需要進行動態測量，您*可以根據自己的喜好選擇直流或交流響應型器件。某些用戶不想處理直流響應型傳感器的零點偏移，因而更喜歡壓電式設計的交流耦合單端輸出。也有些用戶不介意處理零點偏移和四根導線（如果為單端模式，則為 3 線），并且喜歡直流響應加速度傳感器的分路校準和內置功能測試（2g 轉換）功能。綜上所述：

電荷輸出式壓電設計結構簡單、材料性能堅固，是*非常耐用的加速度傳感器類型。

對于高溫 (>150°C) 動態測量應用，電荷輸出式壓電設計是顯而易見的優先選擇；而在大多數情況下，它也是單一的選擇。使用電荷輸出式器件時，考慮到其高阻抗輸出，應使用低噪聲同軸電纜，并利用遠程電荷放大器（或直插式電荷轉換器）來調節其電荷輸出。

對于動態測量來說，電壓輸出式壓電設計是非常受歡迎的加速度傳感器類型。它尺寸小、帶寬高并且內置有電荷轉換器，可與許多現代化的信號分析儀和數據采集系統（提供集成 IEPE/ICP 電源的系統）直接相連。電壓輸出式壓電設計通常被限制在 <125°C 的應用范圍，但由于其輸出阻抗低，可為您省卻使用低噪聲同軸電纜的麻煩。

電容式設計具有臨界阻尼到過阻尼響應能力，因此適用于低頻測量。低成本的 SMD 級器件適用于度要求不高的大批量汽車和消費品應用。更昂貴一些的儀表級硅 MEMS 電容式加速度傳感器具有良好的橫向穩定性和極低的噪聲。電容式加速度傳感器具有低阻抗輸出和 ±2V 到 ±5V 的滿量程輸出。大多數設計需要使用調節直流電壓來供電。

壓阻式加速度傳感器在頻率和動態范圍方面表現優異。作為直流響應型器件，它能夠處理靜態加速度并產生準確的速度和位移數據。其較高的帶寬也能滿足大多數動態測量應用的需求。壓阻式設計可提供各種程度的減幅（從 ζ =0.1 到 0.8）響應，這使其適合用于各種測試條件，包括沖擊試驗。普通的壓阻式加速度傳感器（無電子元件）體積小巧、重量輕，具有 ±100 到 ±200mV 的滿量程輸出。放大型號（內置 ASIC）具有低輸出阻抗 (<100Ω) 和 ±2V 到 ±5V 的滿量程輸出。