双向拉压型力传感器

压电式加速度传感器选型指南及技术特点

描述振动信号的另一重要参数是信号的频率。绝大多数的工程振动信号均可分解成一系列特定频率和幅值的正弦信号，因此，对某一振动信号的测量，实际上是对组成该振动信号的正弦频率分量的测量。对传感器主要性能指标的考核也是根据传感器在其规定的频率范围内测量幅值精度的高低来评定。　　最常用的振动测量传感器按各自的工作原理可分为压电式、压阻式、电容式、电感式以及光电式。压电式加速度传感器因为具有测量频率范围宽、量程大、体积小、重量轻、对被测件的影响小以及安装使用方便，所以成为最常用的振动测量传感器。

·压电式-原理和特点
压电式传感器是利用弹簧质量系统原理。敏感芯体质量受振动加速度作用后产生一个与加速度成正比的力，压电材料受此力作用后沿其表面形成与这一力成正比的电荷信号。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、受外界干扰小以及压电材料受力自产生电荷信号不需要任何外界电源等特点，是被最为广泛使用的振动测量传感器。虽然压电式加速度传感器的结构简单，商业化使用历史也很长，但因其性能指标与材料特性、设计和加工工艺密切相关，因此在市场上销售的同类传感器性能的实际参数以及其稳定性和一致性差别非常大。与压阻和电容式相比，其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。
　　·压电材料
压电材料一般可以分为两大类，即压电晶体和压电陶瓷。在压电型加速度计的最常用的压电晶体为石英，其特点为工作温度范围宽，性能稳定，因此在实际应用中经常被用作标准传感器的压电材料。由于石英的压电系数比其他压电材料低得多，因此对通用型压电加速度计而言更为常用的压电材料为压电陶瓷。压电陶瓷中锆钛酸铅（PZT）是目前压电加速度计中最经常使用的压电材料。其特点为具有较高的压电系数和居里点(居里点或居里温度是指材料可以在铁磁体和顺磁体之间改变的温度。低于居里点温度时该物质成为铁磁体，此时和材料有关的磁场很难改变。当温度高于居里点温度时,该物质成为顺磁体，磁体的磁场很容易随周围磁场的改变而改变。这时的磁敏感度约为10的负6次方。)，各项机电参数随温度时间等外界条件的变化相对较小。必须指出的是，就同一品种的压电陶瓷而言，虽然都有相同的基本特性，但由于制作工艺不同可以使两个相同材料的压电陶瓷的具体性能指标相差甚大。这种现象可以通过典型的国产传感器和进口传感器的比较得以反映，国内振动测试业几十年的经验对此深有体会。

·电荷输出型
　　传统的压电加速度计通过内部敏感芯体输出一个与加速度成正比的电荷信号。实际使用中传感器输出的高阻抗电荷信号必须通过二次仪表将其转换成低阻抗电压信号才能读取。由于高阻抗电荷信号非常容易受到干扰，所以传感器到二次仪表之间的信号传输必须使用低噪声屏蔽电缆。由于电子器件的使用温度范围有限，所以高温环境下的测量一般还是使用电荷输出型。北智BW-Sensor采用进口陶瓷的加速度计可在温度-40oC~250oC 范围内长期使用。
　　·低阻抗电压输出型（IEPE）
　　IEPE 型压电加速度计即通常所称的ICP 型压电加速度计。压电传感器换能器输出的电荷通过装在传感器内部的前置放大器转换成低阻抗的电压输出。IEPE 型传感器通常为二线输出形式，即采用恒电流电压源供电；直流供电和信号使用同一根线。通常直流电部分在恒电流电源的输出端通过高通滤波器滤去。IEPE 型传感器的最大优点是测量信号质量好、噪声小、抗外界干扰能力强和远距离测量，特别是新型的数采系统很多已配备恒流电压源，因此，IEPE 传感器能与数采系统直接相连而不需要任何其它二次仪表。在振动测试中IEPE 传感器已逐渐取代传统的电荷输出型压电加速度计。

　 ·传感器的灵敏度与量程范围
　　传感器的灵敏度是传感器的最基本指标之一。灵敏度的大小直接影响到传感器对振动信号的测量。不难理解，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。

　　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，最大输出电压量值一般都为±5V。通过换算就可得到传感器的最大量程，即等于最大输出电压与灵敏度的比值。需要指出的是IEPE压电传感器的量程除受非线性误差大小影响外，还受到供电电压和传感器偏置电压的制约。当供电电压与偏置电压的差值小于传感器技术指标给出的量程电压时，传感器的最大输出信号就会发生畸变。因此IEPE 型加速度传感器的偏置电压稳定与否不仅影响到低频测量也可能会使信号失真；这种现象在高低温测量时需要特别注意，当传感器的内置电路在非室温条件下不稳定时，传感器的偏置电压很可能不断缓慢地漂移而造成测量信号忽大忽小。

　　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。

　　·传感器的封装形式
　　压电式传感器的工作原理是利用敏感芯体的压电效应，而压电材料产生的是高阻抗的电荷信号。传感器敏感芯体的绝缘阻抗与传感器的低频测量截止频率存在着相互对应的关系。为了保证传感器的低频响应，传感器壳体封装设计应使敏感芯体与外界隔绝，以防止压电陶瓷受到任何污染而导致其绝缘阻抗下降。敏感芯体绝缘阻抗下降对传感器性能造成的直接影响表现为低频响应变差，严重时还将造成传感器灵敏度改变。为保证传感器的密封特性，大多传感器的封装采用激光焊接。同时在当今密封材料品种多样，性能日益完善的情况下，针对不同的使用环境，采用合适的密封材料替代激光焊接也能达到传感器密封的要求。但必须指出不同的密封材料效果差异很大。北智公司采用国外知名品牌的密封材料并经过通过了多年的环境厉行试验验证。

　　　·传感器输出接头形式
　　M5 (M6) 接头是加速度传感器最为常用的输出接头形式。M5接头特点是尺寸较小，一般配用直径较细的电缆 (2mm 或 3mm )，比较适合振动实验的测试。另外M5 (M6) 的结构型式对信号屏蔽较好，所以对电荷输出型加速度传感器因其输出为较容易受干扰的高阻抗信号一般均采用M5 (M6) 接头。测量振动的加速度传感器接头一般避免使用Q9 (BNC), 原因是Q9 (BNC),接头组件没有螺纹联接，构件之间的机械耦合刚度较低；因此如果加速度传感器输出采用Q9(BNC),，其将会影响传感器的高频响应。

　　用于工业环境下的振动测量加速度传感器按可分为巡回检测和在线监测，前者一般采用单层壳屏蔽型式，因此传感器的接头较多使用M6 或TNC接头。而在线监测因经常采用双层屏蔽的结构型式，与其对应的电缆为双芯屏蔽电缆，所以双芯工业接头如M12, M16 以及C5015均被广泛使用。另外连体电缆具有较高的可靠性，因此在工业环境下使用的传感器无论是单层和双层屏蔽的结构都广泛采用连体电缆为输出接头的形式。