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加速度计技术要求
加速度传感器为满足使用中的工况环境和量程、精度等需求,要做正确的选型,我们来了解一下加速度传感器有哪些技术要求。 加速度传感器的选型要求 灵敏度 传感器的灵敏度是传感器的最基本指标之一。传感器的灵敏度应根据被测振动量(加速度值)大小而定,但由于压电加速度传感器是测量振动的加速度值,而在相同的位移幅值条件下加速度值与信号的频率平方成正比,所以不同频段的加速度信号大小相差甚大。 大型结构的低频振动其振动量的加速度值可能会相当小,例如当振动位移为 1mm, 频率为1 Hz 的信号其加速度值仅为0.04m/s2(0.004g);然而对高频振动当位移为0.1mm,频率为10 kHz的信号其加速度值可达4 x 10 5m/s2(40000g)。因此尽管压电式加速度传感器具有较大的测量量程范围,但对用于测量高低两端频率的振动信号,选择加速度传感器灵敏度时应对信号有充分的估计。 最常用的振动测量压电式加速度计灵敏度,电压输出型(IEPE 型)为50~100 mV/g,电荷输出型为10 ~ 50 pC/g。 量程范围 加速度值传感器的测量量程范围是指传感器在一定的非线性误差范围内所能测量的最大测量值。通用型压电加速度传感器的非线性误差大多为1%。作为一般原则,灵敏度越高其测量范围越小,反之灵敏度越小则测量范围越大。 IEPE电压输出型压电加速度传感器的测量范围是由在线性误差范围内所允许的最大输出信号电压所决定。而电荷输出型测量范围则受传感器机械刚度的制约,在同样的条件下传感敏感芯体受机械弹性区间非线性制约的最大信号输出要比IEPE型传感器的量程大得多,其值大多需通过实验来确定。 一般情况下当传感器灵敏度高,其敏感芯体的质量块也就较大,传感器的量程就相对较小。同时因质量块较大其谐振频率就偏低这样就较容易激发传感器敏感芯体的谐振信号,结果使谐振波叠加在被测信号上造成信号失真输出。因此在最大测量范围选择时,也要考虑被测信号频率组成以及传感器本身的自振谐振频率,避免传感器的谐振分量产生。同时在量程上应有足够的安全空间以保证信号不产生失真。 测量频率范围 传感器的频率测量范围是指传感器在规定的频率响应幅值误差内(±5%, ±10%, ±3dB)传感器所能测量的频率范围。频率范围的高,低限分别称为高,低频截至频率。截至频率与误差直接相关,所允许的误差范围大则其频率范围也就宽。作为一般原则,传感器的高频响应取决于传感器的机械特性,而低频响应则由传感器和后继电路的综合电参数所决定。高频截止频率高的传感器必然是体积小,重量轻,反之用于低频测量的高灵敏度传感器相对来说则一定体积大和重量重。 选择加速度计的频率应高于被测物的振动频率,有倍频分析要求的加速度计频响应更高。土木工程是低频,加速度计可选择0.2Hz~1kHz左右,机械设备一般是中频段,可根据设备转速、设备刚度等因素综合估计频率,选择0.5Hz~5kHz的加速度计。冲击测量高频居多。 内部结构 内部结构是指敏感材料晶体片感受振动的方式及安装形式,有压缩和剪切两大类,常见的有中心压缩、平面剪切、三角剪切、环型剪切。中心压缩频响高于剪切型,剪切型的环境适应性好于中心压缩型。如配用积分型电荷放大器测量速度、位移时,最好选用剪切型产品,这样所得信号波动小,稳定性好。 输出型式 取决于系统和加速度传感器之间的接口。一般模拟输出的电压和加速度是成比例的,比如2.5V对应0g的加速度,2.6V对应于0.5g的加速度。数字输出一般使用脉宽调制(PWM)信号。 如果使用的微控制器只有数字输入,比如BASIC Stamp,那就只能选择数字输出的加速度传感器了,但是必须占用额外的一个时钟单元用来处理PWM信号,同时对处理器也是一个不小的负担。 如果使用的微控制器有模拟输入口,比如PIC/AVR/OOPIC,可以非常简单的使用模拟接口的加速度传感器,所需要的就是在程序里加入一句类似"acceleration=read_adc()"的指令,而且处理此指令的速度只要几微秒。 内置电路 内置的概念是将电荷/电压转换放大电路置于加速度计内,成为具有电压输出功能的传感元件。它可分双电源(四线)及单电源(二线并带偏置的称ICP)两种,下面所指内装电路专指ICP型。 目前,内置电路传感器在国内使用较多的方面是用于机械故障、桩基检测,不少在线监测项目上也在使用该类产品。 ICP传感器的芯线作供电并又是信号输出通道。内置电路传感器灵敏度的选型计算: 如选用目前最为通用的100mV/g,可测50g以内振动,因为该传感器动态范围±5Vp,如测量100g,则用50mV/g的加速度计,其余以此类推。 内置电路的优势是低价位,抗干扰好,可长线使用,但它的耐高温、可靠性不如电荷输出产品,且动态范围也因输出电压和偏置电压的作用而受到限制。 测量轴数量 对于多数项目来说,两轴的加速度传感器已经能满足多数应用了。对于某些特殊的应用,比如UAV,ROV控制,三轴的加速度传感器可能会适合一点。 三轴加速度传感器可以实现双轴正负90度或双轴0-360度的倾角,通过校正后期精度要高于双轴加速度传感器大于测量角度为60度的情况。 三轴加速度传感器具有体积小和重量(gm)轻特点,可以测量空间加速度,能够全面准确反映物体的运动性质,在航空航天、机器人、汽车和医学、消费电子等领域得到广泛的应用。 外部环境的影响 某些测试现场的环境较为恶劣,考虑的因素较多,如防水、高温、安装位置、强磁电场及地回路等,均会给测量带来极大的影响。 防水: 防水有两个概念,浅层防水和深层防水,尤以深层防水为难,如三峡工程永久船闸闸门的振动监测,水深近百米,它涉及地回路干扰、高压渗水、导线防护、长期可靠性等诸多问题。 温度影响: 温度改变而引起传感器输出变化是由压电材料(敏感芯体)特性所造成的。 传感器输出与温度间并不呈线性变化,一般说低温时的输出变化比高温时的要大。另因为各传感器的温度响应很难保持一致,所以实际使用中传感器的输出一般很少用温度系数进行修正。 需要特别指出温度变化有稳态和瞬态两种,传感器输出灵敏度随温度变化通常是指稳态高低温度状态对信号输出的影响。瞬态温度变化对传感器输出的影响主要表现在低频测量中。 多数厂商给出的温度范围为可用值,而不是高温状况的灵敏度,实际上,高温时灵敏度偏差较大,特殊用户应向厂商索取专用的高温时的灵敏度指标,灵敏度指标是保证测试准确的关键。 位置限制: 加速度计永久安装在现场会受到人为碰撞,应选择工业型产品,在加速度计外加装防护罩,这可同时起绝缘、防尘的作用,对出线方向有要求也应向厂商提出,对于不能触及的部位,可用手持式加速度计(带长探针)。 绝缘、地回路及磁电场辐射: 为了克服多点接地产生地回路电流影响测试,可以选用浮地或绝缘传感器。没有特殊要求且干扰不大的工况,可用绝缘型加速度计。而永久型监测或干扰大的工况则应采用浮地型。这二种命名的区别在于绝缘型传感器的外壳为信号地,底座采取绝缘方法,而浮地型产品的外壳为屏蔽层,要采取三线方式。 声波和磁场对传感器的作用而引起的信号输出的大小与传感器灵敏度的比值被称作为压电传感器的声灵敏度和磁灵敏度。最直接减小传感器声灵敏度的方法是增加传感器外壳的厚度,绝大多数传感器的这一指标都能满足通常的测量条件。为降低传感器磁灵敏度最直接的措施是金属零部件尽量采用无磁或弱磁的材料,另外双层屏蔽壳结构形式也能较好地减小传感器的磁灵敏度。 附加质量: 在振动结构上安装的加速度计的质量只要小于结构自身质量的1/10即可,认为对被测信号无大影响。 配套仪器 压电类加速度计如是电荷输出,可与任何一种高阻输入的电荷放大器或具有电荷前置功能的采集器相配,电荷放大器种类较多,有单台、多路、积分、准静态,这都要根据测量要求进行选择。 也有特例,如直接将压电传感器的输出信号接入具有一定高阻性能的三次仪表(如示波器),同样可测得信号,但因阻抗匹配不够,只能是定性了解动态状况。 ICP型内置式加速度计专门有恒流适配器,一台仪器可供多只加速度计的恒流供电及信号输出。部分数据采集仪器也自带恒流功能,可直接与ICP传感器配用。 普通电荷输出型传感器如与具有恒流输出的数据采集器配套,可采用JM3861恒流适调器。 双电源加速度计可由采集器提供双电源或用双路直流稳压电源供电。 加速度传感器的安装 用加速度计进行测量,为使数据准确和使用方便,可使用多种方法安装,这有几种,供大家选择应用。 1. 螺钉安装 使用螺钉安装,它的使用频率响应可近似原标定的频率响应,且称刚性安装。螺钉安装是在允许打孔的被测物上沿振源轴线方向打孔攻丝。 2. 粘接安装 在被测物体不允许钻孔时,可使用各种粘接剂,如“502”、环氧树脂胶、双面粘胶带、橡皮泥。应注意,前二种方法的使用频率接近刚性安装方法,后两种一般用于低频现场,且会使被测频率大大降低。粘接方法不适合冲击测量。 3. 磁座 磁座的优点是不破坏被测物体,移动方便。但是应考虑用磁座测试会使加速度计的使用频率响应有所下降(磁座在使用时要将短于路片拆卸掉!),可能低于三分之一。使用时应先在被测物上安装磁座,再拧上传感器,或者将二者轻轻吸附于被测物上。冲击状态会使传感器产生电荷积累,影响测试精度。 4. 云母片/四氟膜 云母片安装有两个作用,隔热、绝缘。对高温状态试件,可用厚度<0.1毫米的云母片垫置,其加速度计频率响应会略有降低。对试件与加速度计间的绝缘,云母与四氟是最佳材料。 5. 三向传感器安装 为螺丝穿过通孔安装,侧端螺纹供检测或测试用。 加速度传感器排障处理 加速度传感器在运行过程中的常见故障和排除的方法,我们用下面这张表罗列: 故障类别 故障的具体表现 可能造成故障的原因 可能解决故障的方法 测量偏置电压结果 偏置电压不正确 偏置电压等于供电电压 因电缆连接或加速度传感器内部连线断开而造成,更换电缆或传感器。 偏置电压接近零 因电缆连接或加速度传感器内部连线短路而造成,更换电缆或传感器。 偏置电压偏大或偏小,实际偏置电压超出正常偏置电压±2V的范围 加速度传感器内置电路工作不正常,更换传感器。 由环境温度不稳定地变化,造成偏置电压漂移。加装隔热护套或更换传感器。 偏置电压不稳定 偏置电压来回漂动,不能稳定 由传感器内部电路不稳定而造成,更换传感器。 偏置电压正确 传感器内部敏感芯体损坏 更换传感器。 灵敏度问题 灵敏度低 加速度传感器敏感芯体的绝缘阻抗下降 将加速度传感器在其使用温度范围内烘焙,灵敏度可以再回升,但一般会再下降。 传感器敏感芯体的压电系数衰减 重新对传感器进行标定。 灵敏度偏差大 在非室温的环境下,由于压电材料温度响应系数过大而造成的灵敏度偏差 选用温度响应系数偏差小的传感器 大测量信号失真 信号输出变小 由于供电电压降低而造成测量量程范围减小 更换电池或更正供电电压 因环境温度与室温不同而导致的偏置电压超出规定的范围 采用偏置电压稳定的传感器 由加速度传感器的非线性造成 采用量程大的传感器 在长距离信号输送时,恒流电压源的恒电流不够大 根据信号频率幅值选择正确的电压源恒电流 偏置电压不稳定 输出信号与高频谐次波叠加 一般由传感器的谐振频率造成,选择谐振频率较高的传感器 小测量信号失真 信号忽大忽小不稳定 由瞬态温度变化以至偏置电压忽大忽小而造成输出信号不稳定 采用偏置电压稳定的传感器 外界环境噪声对测量信号的影响 接地回路造成的噪声 避免多点接地,传感器采用对地绝缘。 电磁波的影响 采用双层屏蔽壳的传感器。 强声场的影响 采用双层屏蔽壳的传感器将有助于降低强声场对加速度传感器的影响。 瞬态环境温度变化 对用于超低频测量的高灵敏度传感器必须采用隔热护套。 被测点的基座应变影响 选用基座应变小的剪切型加速度传感器,尽量减小传感器与被测物体间的接触面积。 测量系统噪声对测量信号的影响 加速度传感器自身的电噪声 检定传感器噪声,选择信噪比合适的传感器。 电缆引起的电噪声 往往发生在与电荷输出型传感器配用的低噪声电缆,换用好的低噪声屏蔽电缆。 传感器供电电源噪声 选用低噪声供电电源或采用电池供电。 数采系统的量程设置 选择合适的量程 低频测量信号失真 系统低频响应差 加速度传感器低频响应的截至频率不够低 检查传感器的低频响应(可通过测量时间常数来判断), 选用低频好的传感器。 与传感器配套使用的恒流电压源或电荷放大器的截至频率不够低 正确选用恒流电压源和电荷放大器的低频截至频率。 系统低频信噪比差 加速度传感器的低频噪声大 低频时传感器的信噪比会显著下降,选用满足低频信噪比指标的传感器。 外界对测量信号的影响 瞬态环境温度影响 对传感器采用隔热护套,选用温度响应系数小的传感器。 高频测量信号失真 高频信号增大 由加速度传感器安装方式引起的高频信号失真 (增大) 调整安装方式,增加安装接触刚度,提高传感器的高频测量范围。 加速度传感器内部敏感芯体谐振频率低 选用谐振频率高,高频响应好的传感器。 加速度传感器安装绝缘底座连接刚度差 重新选择高刚度绝缘安装底座 高频信号减小 在长距离信号输送时,恒流电压源的恒电流不够大 根据信号频率幅值选择正确的电压源恒电流 随着智能手机等消费类电子的普及,要求设备具备更高的功能和可设计性,在这种情况下,对组件的高度集成化和小型化低功耗的需求强劲。小型封装的3轴加速度传感器和3轴陀螺仪的复合传感器的渐渐出现,不但具有以上小型封装陀螺仪的各种特点和功能,同时还拥有业界领先的低耗电量,仅为4mA。他们适应了智能手机、平板电脑、游戏机、??仄骷捌渌⌒椭悄苌璞?,以及迎接人工智能时代的到来
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