加速度感应器是什么(加速度感应器有什么用)

本文内容转载自《中国检验检测》2019年第4期，版权归《中国检验检测》编辑部所有。

徐文俊

上海航天电子有限公司/上海科学仪器厂

0简介

加速度传感器是工程振动测量中最重要的因素。在测试系统中，传感器是数据采集和分析的第一步。因此，传感器的正确选择和使用将直接影响测量信号的质量和精度。虽然从事工程振动的人都知道这个概念，但在实际应用中，由于种种原因，往往无法正确判断传感器是否真实反映了被测信号。另一方面，随着科学技术的不断发展，对环境模拟试验条件的要求越来越高，相应传感器的技术指标也在不断提高，使得以前广泛使用的单一标准传感器发展到现在的多种类型，也相应增加了工程师选择传感器满足不同试验要求的难度。

1传感器的类型

目前市场上常见的加速度传感器分为三类，压电式、压阻式和电容式。

1.1压电型

压电式加速度传感器的构造基于弹簧质量系统的原理。当敏感芯的质量受到振动加速度时，产生一个与加速度成正比的力，压电材料在受到这个力后沿其表面形成一个与该力成正比的电荷信号，从而可以收集数据。

压电式加速度传感器具有动态范围大、频率范围宽、坚固耐用、外界干扰小、无需外接电源等特点。是目前工程师应用最广泛的振动测量传感器。压电式加速度传感器虽然结构相对简单，诞生时间较长，但其性能指标与材料特性、设计和加工工艺密切相关，因此市场上销售的同类传感器实际参数及其稳定性和一致性差异很大。与压阻式和电容式传感器相比，它最大的缺点是压电式加速度传感器不能测量零频率的信号。

1.2压阻式

压阻式加速度传感器的敏感核心是由半导体材料制成的电阻测量电桥，其结构动力学模型仍然是弹簧质量系统。随着现代微加工技术的发展，压阻敏感芯的设计具有很大的灵活性，可以满足各种测量要求。就灵敏度和测量范围而言，有从低灵敏度、高测量范围的冲击测量到高DC灵敏度的低频测量的压阻式加速度传感器。同时，压阻式加速度传感器的测量频率范围也可以从DC信号到几十千赫兹的高频测量。压阻式传感器最大的亮点是超微型设计，可以在很多狭小空的房间使用。需要指出的是，虽然压阻敏感芯的设计和应用具有很大的灵活性，但是特定设计的压阻芯的应用范围一般小于压电传感器。压阻式加速度传感器的另一个缺点是受温度影响较大，使用的传感器都需要温度补偿。在价格上，采用特殊敏感芯制成的压阻式传感器的成本会比压电式加速度传感器高很多，通常要高出数倍。

1.3容性

电容式加速度传感器的结构也采用弹簧质量系统。当质量在加速度的作用下运动时，质量块与固定电极之间的间隙发生变化，进而改变电容值。与其他类型的加速度传感器相比，电容式加速度计具有灵敏度高、零频响、环境适用性好等特点。特别是受温度影响较小，可用于许多恶劣野外环境下的数据采集。但缺点是信号的输入输出是非线性的，范围有限，受电缆电容的影响。由于电容传感器本身是高阻抗信号源，输出信号往往需要后续电路进行改善，对屏蔽电缆的使用要求较高。在实际应用中，电容式加速度传感器多用于低频测量，通用性远不如压电式加速度传感器，成本比压电式加速度传感器高很多倍。

压电加速度传感器敏感芯的材料和结构

2.1压电材料

一般来说，压电材料可以分为两大类，即压电晶体和压电陶瓷。压电加速度计最常用的压电晶体材料是应时。由于应时工作温度范围宽，性能稳定，在实际应用中常被用作标准传感器的压电材料。

因为应时的压电系数远低于其他压电材料，所以在所有通用压电传感器中，压电陶瓷被用作主要材料。陶瓷中的锆钛酸铅是压电加速度计中最常用的压电材料。其特点是压电系数和居里点高，各种机电参数随温度和时间的变化比较小。如图1所示。

图1 石英压电传感器内部结构图1应时压电传感器的内部结构

但是，就同类压电陶瓷而言，虽然都具有相同的基本特性，但两种同种材料的压电陶瓷由于制造工艺不同，具体性能指标却有很大差异。这种现象在国产传感器和进口传感器的对比中尤为明显。虽然它们由不同的材料制成，但它们的结构几乎相同。如图2所示。

2.2传感器敏感芯的结构形式

压电加速度传感器的敏感芯一般由压电材料和附加质量组成。当质量受到加速度时，会转化为与加速度成正比的力加载到压电材料上，压电材料会在其表面产生与加速度成正比的电荷信号。压电材料的特性决定了作用力可以是正应力，也可以是剪应力。压电材料产生的电荷量随着作用力的方向和电荷提取表面的位置而变化。根据压电材料受力方式的不同，常见传感器的敏感芯结构一般有以下三种形式:

a)压缩形式:压电材料被压缩或拉伸产生电荷的结构形式。压敏芯是加速度传感器最传统的结构形式。其特点是制造简单方便，能产生较高的固有谐振频率和较宽的频率测量范围。最大的缺点是不能有效地消除各种干扰对测量信号的影响。

b)剪切形式:通过对压电材料施加剪切力来产生电荷的结构形式。理论上，压电材料在剪切力作用下产生的电荷信号受外界干扰影响很小。因此，剪切结构是加速度传感器最合适的敏感核心。但在实际制造过程中，保证具有剪切敏感核心的加速度计具有较高且稳定的频率测量范围是传感器制造过程中最困难的环节。为了获得高参数指标，只能使用进口记忆金属材料的紧固件，以保证传感器具有稳定可靠的谐振频率和频率测量范围。

c)弯曲变形梁形式:压电材料受弯曲变形产生电荷的一种结构形式。弯梁结构可以产生比较大的电荷输出信号，并且容易控制阻尼。然而，这种结构很少用于压电式加速度计的设计中，因为它的测量频率范围较低，并且它不容易消除由温度变化引起的信号漂移。

3压电加速度传感器的信号输出形式

3.1电荷输出类型

传统的压电加速度计通过内部敏感核心输出与加速度成比例的电荷信号。实际上，传感器输出的高阻抗电荷信号必须通过二次仪表转换成低阻抗电压信号才能被读取。因为高阻抗电荷信号容易受到干扰，所以必须使用低噪声屏蔽电缆将信号从传感器传输到二次仪表。由于电子器件的温度范围有限，电荷输出型一般用于高温环境下的测量。

3.2 IEPE输出类型

IEPE压电加速度计被工程师称为ICP压电加速度计，也称为低阻抗电压输出加速度计。

压电换能器输出的电荷通过安装在传感器中的前置放大器转换成低阻抗电压输出，而IEPE传感器为双线输出形式，采用恒流电压源供电。DC电源和信号使用同一根线，因为DC部分需要在恒流电源的输出端经过高通滤波器滤波。

IEPE传感器最大的优点是信号质量好、噪声低、抗干扰能力强、测量距离远。特别是随着科学技术的发展，许多新型数据采集系统都配备了恒流电压源。因此，IEPE传感器可以直接与数据采集系统相连，不需要任何其他二次仪表。在振动测试中，IEPE传感器已经逐渐取代了传统的电荷输出压电加速度计。

4摘要

随着科技的发展，加速度传感器的种类越来越多，从最早的进口厂商B & K，到国内厂商B & W，仅机械传感器的种类就在3位数以上，而且随着科技的发展，诞生了越来越严格的测试。传感器的原理、分类和适用性是工程师的必修课，只有透彻的了解才能更好的完成测试工作。