選擇合適的加速度傳感器類型

與大多數(shù)工程活動一樣，選擇合適的工具可能會對測量結(jié)果產(chǎn)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(yīng)型和直流響應(yīng)型。

在交流響應(yīng)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(tài)加速度。它只適用于測量動態(tài)事件。

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

設(shè)計要求

加速度、速度、位移

大多數(shù)振動研究需要知道加速度、速度和位移 - 它們是工程師在設(shè)計或驗證結(jié)構(gòu)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(shù)設(shè)計計算所需的變量。為了從加速度輸出中導(dǎo)出速度和位移，在模擬或數(shù)字領(lǐng)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(yīng)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(yīng)加速度傳感器測量持續(xù)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(jié)束時，出于同樣的原因，交流耦合加速度傳感器的輸出將產(chǎn)生負(fù)脈沖信號（偏移）。下圖中的紅色軌跡描繪了在經(jīng)歷了長持續(xù)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(dǎo)致數(shù)值積分期間出現(xiàn)顯著誤差1。直流響應(yīng)器件則沒有這樣的問題，因為它能夠準(zhǔn)確跟隨緩慢移動的輸入。在實際的日常應(yīng)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(yīng)用較為普遍的加速度傳感器技術(shù)。

交流加速度傳感器

較常見的交流響應(yīng)加速度傳感器使用壓電元件作為其感測機構(gòu)。在加速度下，加速度傳感器的慣性質(zhì)量會導(dǎo)致壓電元件出現(xiàn)位移電流，從而產(chǎn)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(nèi)阻（通常為 109 歐姆數(shù)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(tài)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(zhuǎn)導(dǎo)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(shù)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(tài)范圍和寬帶寬（可用于 >10kHz 的應(yīng)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(huán)境條件，被認(rèn)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(yōu)先用同軸結(jié)構(gòu)）使用。低噪聲指的是低摩擦電噪聲2（一種由電纜本身引發(fā)亂真輸出的運動）。此類經(jīng)過噪聲處理的電纜通常由傳感器制造商生產(chǎn)。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(xiàn)與并聯(lián)電纜電容相關(guān)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(xiàn)寬動態(tài)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(fā)動機監(jiān)測應(yīng)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(nèi)來實現(xiàn)。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(jié)構(gòu)（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(diào)節(jié)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(dǎo)致傳感器的TOP工作溫度限定在 +125°C。有些設(shè)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(tài)范圍方面，由于壓電陶瓷元件的動態(tài)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(yuǎn)程電荷放大器調(diào)整系統(tǒng)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(nèi)部放大器預(yù)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(zhì)結(jié)構(gòu)中的動態(tài)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(shù)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(zhì)量的電容變化）是目前制造加速度傳感器常用的技術(shù)。安全氣囊、移動設(shè)備等大型商業(yè)應(yīng)用廣泛采用了這一技術(shù)。他們利用微機電系統(tǒng) (MEMS) 制造技術(shù)給大批量應(yīng)用帶來了規(guī)模效應(yīng)，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(tài)范圍有限等缺點。所有電容器件都有一個固有特性：內(nèi)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(nèi)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(yuǎn)，但它與信號卻形影不離。由于內(nèi)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(wěn)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(shè)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(tài)阻尼。電容式傳感器的結(jié)構(gòu)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(wěn)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(jiān)控應(yīng)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(yīng)加速度傳感器常用的另一種測量技術(shù)。壓阻式加速度傳感器不是感應(yīng)慣性質(zhì)量中的電容變化（這是電容式器件所采用的技術(shù)），而是在作為加速度傳感器慣性系統(tǒng)一部分的應(yīng)變片中產(chǎn)生電阻變化。大多數(shù)工程師都很熟悉應(yīng)變片，并且知道如何與其輸出相連。大多數(shù)壓阻式設(shè)計的輸出通常對溫度變化較為敏感。因此，需要在內(nèi)部或外部對其輸出應(yīng)用溫度補償。現(xiàn)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(diào)節(jié)及原位溫度補償?shù)?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(tài)阻尼（MEMS 型）或液態(tài)阻尼（粘合應(yīng)變片型）的設(shè)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(fā)高頻響應(yīng)）的應(yīng)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(tài)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(tài)范圍只受直流橋式放大器質(zhì)量的限制。對于 g 值*的沖擊測量，某些壓阻式設(shè)計能夠處理遠(yuǎn)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(yīng)型器件，您可以從其加速度輸出中準(zhǔn)確地導(dǎo)出所需的速度和位移信息，而不出現(xiàn)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(jié)

每種加速度傳感器感測技術(shù)都有其各自的優(yōu)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(tài)或甚低頻 (1Hz) 的加速度，或者要從加速度數(shù)據(jù)中提取速度和位移信息，請只選擇直流響應(yīng)式加速度傳感器。直流和交流響應(yīng)加速度傳感器均可動態(tài)測量。如果只需要進行動態(tài)測量，您*可以根據(jù)自己的喜好選擇直流或交流響應(yīng)型器件。某些用戶不想處理直流響應(yīng)型傳感器的零點偏移，因而更喜歡壓電式設(shè)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(dǎo)線（如果為單端模式，則為 3 線），并且喜歡直流響應(yīng)加速度傳感器的分路校準(zhǔn)和內(nèi)置功能測試（2g 轉(zhuǎn)換）功能。綜上所述：

電荷輸出式壓電設(shè)計結(jié)構(gòu)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(tài)測量應(yīng)用，電荷輸出式壓電設(shè)計是顯而易見的優(yōu)先選擇；而在大多數(shù)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(yīng)使用低噪聲同軸電纜，并利用遠(yuǎn)程電荷放大器（或直插式電荷轉(zhuǎn)換器）來調(diào)節(jié)其電荷輸出。

對于動態(tài)測量來說，電壓輸出式壓電設(shè)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(nèi)置有電荷轉(zhuǎn)換器，可與許多現(xiàn)代化的信號分析儀和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（提供集成 IEPE/ICP 電源的系統(tǒng)）直接相連。電壓輸出式壓電設(shè)計通常被限制在 <125°C 的應(yīng)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(shè)計具有臨界阻尼到過阻尼響應(yīng)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(yīng)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(wěn)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(shù)設(shè)計需要使用調(diào)節(jié)直流電壓來供電。

壓阻式加速度傳感器在頻率和動態(tài)范圍方面表現(xiàn)優(yōu)異。作為直流響應(yīng)型器件，它能夠處理靜態(tài)加速度并產(chǎn)生準(zhǔn)確的速度和位移數(shù)據(jù)。其較高的帶寬也能滿足大多數(shù)動態(tài)測量應(yīng)用的需求。壓阻式設(shè)計可提供各種程度的減幅（從 ζ =0.1 到 0.8）響應(yīng)，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(nèi)置 ASIC）具有低輸出阻抗 (<100Ω) 和 ±2V 到 ±5V 的滿量程輸出。