1. 傳感器分類

 

在這主要介紹兩種分類
，一類是有源與無源，另一類是隔離與非隔離。

 

youyuanchuanganqishizhijiangchuanganqijiangfeidiannengliangzhuanhuaweidiannengliangshuchu，zhizhuanhuanengliangbenshen，bingbuzhuanhuanengliangxinhaodechuanganqi
，yechengweinengliangzhuanhuanxingchuanganqihuohuannengqi。yiner，zheleichuanganqigongzuoshixuyaowaibunengliangyuanjili，rujilidianya
，cainengzhengchanggongzuo。youyuxuyaojinxingnengliangzhuanhua，yiner，chuanganqineibufengzhuangledianziyuanqijian

，celiangguochengzhonghuidailaizaosheng。zheleichuanganqiruICP型（也稱為IEPE型）加速度度傳感器，零頻加速度傳感器等。

 

wuyuanchuanganqishizhibuxuyaoshiyongwaijiedianyuanjiunengzhengchanggongzuodechuanganqi，qiekeyitongguowaibuhuoqudaowuxianzhidenengyuan。zheleichuanganqiduiceliangxitongwuzaoshengyingxiang，huozheyingxianghenxiao，ruyingbianpian（花）、壓電式傳感器等。

 

隔離傳感器是指傳感器與待測結構之間相隔離
，電流不能在二者之間流通。隔離傳感器從電氣角度與被測結構相分離
，如應變片（花）通常與被測結構是相隔離的。傳感器實現隔離的通常做法是在傳感器底部安裝了隔離器件，使電流不能流通，如圖1所示紅色器件即是隔離器件。

 

 

非fei隔ge離li傳chuan感gan器qi是shi指zhi傳chuan感gan器qi與yu被bei測ce結jie構gou之zhi間jian無wu隔ge離li，電dian流liu可ke以yi在zai二er者zhe之zhi間jian進jin行xing流liu通tong。這zhe類lei傳chuan感gan器qi像xiang熱re電dian偶ou，某mou些xie加jia速su度du傳chuan感gan器qi等deng。這zhe類lei非fei隔ge離li的de傳chuan感gan器qi通tong常chang要yao求qiu采cai用yong浮fu地di或huo隔ge離li地di線xian，以yi避bi免mian接jie地di循xun環huan，關guan於yu接jie地di循xun環huan，請qing閱yue讀du《采樣過程中存在的誤差，您肯定不全知道！》。如果傳感器自身不隔離，用戶可以自行使用電氣隔離器件實現隔離，這類器件如雲母片、玻璃片和環氧樹脂等。當對處於工作狀態下的待測結構進行測量時，推薦使用“隔離”傳感器。

 

2. 常見加速度計類型

 

振動測量一般使用加速度計

，是因為加速度計具有以下優點：生產工藝成熟、動態範圍大
、頻率範圍寬
、線性度好
、穩定性高、安裝方便等特點。常用於中小結構的模態試驗、汽車試驗、旋轉機械故障診斷試驗和振動控製試驗等。在這主要介紹兩種類型的加速度傳感器：壓電式和ICP型加速度傳感器。

 

壓電式加速度傳感器：是一種無源傳感器，屬於慣性式傳感器。利用壓電晶體，如石英晶體、壓電陶瓷等的“壓電效應”：zaijiasudujiganshoudaozhendongshi，zhiliangkuaijiazaiyadianyuanjianshangdeliyesuizhibianhua。yadianjingtishoulibianxinghou，qineibuhuichanshengjihuaxianxiang，tongshizaitadelianggebiaomianchanshengfuhaoxiangfandedianhe，dangbeicezhendongpinlvyuandiyujiasudujideguyoupinlv（諧振頻率）時，則力的變化與被測加速度成正比。當外力去除後，又重新恢複到不帶電狀態，這種現象稱為“壓電效應”，具有“壓電效應”的晶體稱為壓電晶體。

 

壓ya電dian加jia速su度du計ji輸shu出chu為wei電dian荷he類lei型xing，故gu需xu要yao與yu電dian荷he放fang大da器qi配pei合he使shi用yong

，然ran後hou信xin號hao再zai傳chuan輸shu到dao采cai集ji儀yi或huo者zhe與yu內nei置zhi電dian荷he調tiao理li的de采cai集ji儀yi直zhi接jie連lian接jie。電dian荷he放fang大da器qi以yi電dian容rong作zuo負fu反fan饋kui
，使shi用yong中zhong基ji本ben不bu受shou電dian纜lan電dian容rong的de影ying響xiang
，但dan會hui受shou到dao靜jing電dian場chang的de影ying響xiang。在zai電dian荷he放fang大da器qi中zhong
，通tong常chang用yong高gao質zhi量liang的de元yuan器qi件jian
，輸shu入ru阻zu抗kang高gao，因yin而er價jia格ge也ye比bi較jiao貴gui，一yi般ban用yong的de比bi較jiao少shao。

 

ICP型加速度傳感器：由(you)於(yu)壓(ya)電(dian)式(shi)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)輸(shu)出(chu)電(dian)信(xin)號(hao)是(shi)微(wei)弱(ruo)的(de)電(dian)荷(he)，而(er)且(qie)傳(chuan)感(gan)器(qi)本(ben)身(shen)有(you)很(hen)大(da)內(nei)阻(zu)
，故(gu)輸(shu)出(chu)能(neng)量(liang)甚(shen)微(wei)，這(zhe)給(gei)後(hou)接(jie)電(dian)路(lu)帶(dai)來(lai)一(yi)定(ding)困(kun)難(nan)。為(wei)此(ci)，通(tong)常(chang)把(ba)傳(chuan)感(gan)器(qi)信(xin)號(hao)先(xian)輸(shu)到(dao)高(gao)輸(shu)入(ru)阻(zu)抗(kang)的(de)前(qian)置(zhi)放(fang)大(da)器(qi)。經(jing)過(guo)阻(zu)抗(kang)變(bian)換(huan)以(yi)後(hou)，電(dian)荷(he)量(liang)轉(zhuan)換(huan)成(cheng)電(dian)壓(ya)量(liang)
，然(ran)後(hou)再(zai)輸(shu)出(chu)給(gei)後(hou)續(xu)的(de)紀(ji)錄(lu)儀(yi)器(qi)。目(mu)前(qian)，製(zhi)造(zao)廠(chang)家(jia)已(yi)有(you)把(ba)壓(ya)電(dian)式(shi)加(jia)速(su)度(du)傳(chuan)感(gan)器(qi)與(yu)前(qian)置(zhi)放(fang)大(da)器(qi)集(ji)成(cheng)在(zai)一(yi)起(qi)的(de)加(jia)速(su)度(du)傳(chuan)感(gan)器(qi)
，即(ji)：ICP型加速度傳感器，也稱IEPE加速度傳感器，不僅方便了使用，而且也大大降低了成本。

 

ICP型加速度傳感器由於內置了專門的集成調理電路，因此，屬於有源傳感器。而該電路要正常工作需要恒流源供電。當今普遍使用的24位采集儀一般都自帶恒流功能
，因而可直接與ICP型傳感器連接使用。

 

內置集成電路的ICP型優勢是低價位，抗幹擾好
，可長導線使用，但它的耐高溫

、可靠性不如電荷輸出的壓電加速度傳感器，且動態範圍也因輸出電壓和偏置電壓的影響而受到限製。ICP型傳感器的低頻頻響主要受傳感器的放電時間常數影響，因此大多數信號適調器都采用交流耦合。

 

3. 選型指標

 

每(mei)一(yi)種(zhong)型(xing)號(hao)的(de)加(jia)速(su)度(du)傳(chuan)感(gan)器(qi)都(dou)有(you)特(te)別(bie)合(he)適(shi)的(de)應(ying)用(yong)場(chang)景(jing)，因(yin)此(ci)，測(ce)試(shi)時(shi)必(bi)須(xu)根(gen)據(ju)測(ce)試(shi)使(shi)用(yong)要(yao)求(qiu)，選(xuan)擇(ze)最(zui)合(he)適(shi)的(de)加(jia)速(su)度(du)傳(chuan)感(gan)器(qi)。在(zai)選(xuan)擇(ze)加(jia)速(su)度(du)計(ji)時(shi)，主(zhu)要(yao)從(cong)傳(chuan)感(gan)器(qi)性(xing)能(neng)
、環境因素、電氣特性和物理特性四個方麵去考慮。

 

性能包括靈敏度、量程、頻響特性、諧振頻率
、橫向效應和線性度等指標。環境因素包括工作溫度、溫度響應和衝擊極限等。電氣特性包括激勵電壓與電流
、穩定時間等。物理特征包括敏感材料
，結構設計、尺寸、重量和出線方式等。

 

性能指標：

 

量程/靈敏度：每個傳感器都有測量範圍，通常量程大的傳感器，靈敏度低

，量程小的傳感器，靈敏度高。通常傳感器輸出電壓的上限為5V，因此，傳感器靈敏度乘以量程得到的為傳感器的量大輸出電壓5V。如某型號傳感器的靈敏度為50mV/g
，則該傳感器的量程為100g。通常ICP型xing加jia速su度du傳chuan感gan器qi滿man足zu這zhe個ge規gui律lv，而er其qi他ta類lei型xing，如ru零ling頻pin加jia速su度du傳chuan感gan器qi，則ze不bu滿man足zu此ci規gui律lv。另ling一yi方fang麵mian，傳chuan感gan器qi靈ling敏min度du越yue高gao，則ze傳chuan感gan器qi的de質zhi量liang越yue大da，傳chuan感gan器qi輸shu出chu電dian壓ya越yue大da，信xin噪zao比bi越yue高gao，分fen辨bian能neng力li越yue強qiang。對dui於yu測ce試shi不bu同tong的de結jie構gou，應ying選xuan擇ze相xiang匹pi配pei的de傳chuan感gan器qi量liang程cheng
，通tong常chang
，土tu木mu橋qiao梁liang和he超chao大da型xing機ji械xie結jie構gou加jia速su度du振zhen動dong量liang級ji在zai0.1g～10g 左右
，機械設備的振動在 10g～100g 左右。

 

諧振頻率：傳chuan感gan器qi本ben身shen也ye是shi一yi個ge結jie構gou
，因yin而er，也ye存cun在zai固gu有you頻pin率lv，通tong常chang
，把ba傳chuan感gan器qi的de第di一yi階jie固gu有you頻pin率lv稱cheng為wei諧xie振zhen頻pin率lv。傳chuan感gan器qi尺chi寸cun越yue小xiao，諧xie振zhen頻pin率lv越yue高gao。加jia速su度du計ji的de使shi用yong上shang限xian頻pin率lv取qu決jue於yu幅fu頻pin曲qu線xian中zhong的de諧xie振zhen頻pin率lv。一yi般ban傳chuan感gan器qi的de工gong作zuo頻pin率lv範fan圍wei為wei其qi自zi身shen諧xie振zhen頻pin率lv的de1/3以下。

 

頻響特性：一般加速度傳感器的工作頻率上限為自身諧振頻率的1/3左右。另一方麵，通常加速度傳感器低頻特性較差，信號衰減嚴重
，而在高頻段線性度差，非線性影響嚴重。如圖2為某型號加速度計的頻響曲線
，從曲線圖中可以看出，在2Hz以下信號衰減嚴重，頻響性能差

，在12KHz以上線性度差，其諧振頻率約為38KHz。因此，該傳感器的工作頻率為12KHz以下。在選擇加速度計時，加速度計的頻率上限稍高於被測結構的振動頻率即可。一般，土木工程結構的頻率範圍在0.2~1KHz左右，機械設備是中頻段
，頻率範圍在0.5~5KHz左右。

 

 

線性度：由(you)於(yu)傳(chuan)感(gan)器(qi)測(ce)量(liang)時(shi)隻(zhi)能(neng)輸(shu)入(ru)單(dan)一(yi)靈(ling)敏(min)度(du)，因(yin)此(ci)，用(yong)於(yu)描(miao)述(shu)在(zai)一(yi)定(ding)的(de)頻(pin)響(xiang)範(fan)圍(wei)內(nei)，傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)靈(ling)敏(min)度(du)是(shi)否(fou)滿(man)足(zu)實(shi)際(ji)的(de)靈(ling)敏(min)度(du)的(de)指(zhi)標(biao)，即(ji)為(wei)線(xian)性(xing)度(du)。相(xiang)對(dui)而(er)言(yan)
，在(zai)低(di)頻(pin)段(duan)（如5Hz以下），傳感器的靈敏度會少於實際的靈敏度，而在高頻段（如大於工作頻率上限），則靈敏度會大於實際的靈敏度。隻有在中間頻段
，靈敏度滿足線性關係
，如圖2所示。如果傳感器不在線性區間進行測量，則測量得到的幅值誤差較大，一般要求傳感器非線性<1%。

 

橫向效應：dangceliangmougefangxiangdezhendongshi，xinhaoshuchuyinggaiquanweizhendongganzhifangxiang
，danshijishangzaiyugaifangxiangchuizhidefangxiangyeyouxinhaoshuchu，zhezhongxiaoyingchengweihengxiangxiaoying。hengxiangxiaoyinglingminduyuedi，xingnengyuehao，danshixiangduieryan
，chuanganqidoucunzaiyidingdehengxiangxiaoying，tongchangbiaochenghengxiangxiaoying<5%。

 

環境因素：

 

使用環境：傳感器使用時受溫度、濕度、塵chen土tu等deng環huan境jing因yin素su的de影ying響xiang。任ren何he一yi種zhong傳chuan感gan器qi都dou有you自zi身shen的de工gong作zuo溫wen度du範fan圍wei，因yin此ci必bi須xu根gen據ju實shi際ji測ce點dian位wei置zhi的de溫wen度du，以yi及ji環huan境jing溫wen度du來lai選xuan擇ze合he適shi的de傳chuan感gan器qi。另ling外wai，對dui於yu測ce試shi環huan境jing存cun在zai潮chao濕shi、腐蝕和電磁場等影響因素時，選擇傳感器也應該考慮這些因素。

 

溫度響應：傳感器的靈敏度會受到溫度的影響，當溫度發生了改變，如果我們還使用常溫下的靈敏度，則會給測量帶來誤差。如圖3為(wei)某(mou)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)溫(wen)度(du)響(xiang)應(ying)曲(qu)線(xian)，從(cong)圖(tu)中(zhong)可(ke)以(yi)看(kan)出(chu)
，當(dang)室(shi)溫(wen)時(shi)，傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)靈(ling)敏(min)度(du)沒(mei)有(you)偏(pian)差(cha)，但(dan)當(dang)溫(wen)度(du)遠(yuan)離(li)室(shi)溫(wen)時(shi)，靈(ling)敏(min)度(du)偏(pian)差(cha)則(ze)越(yue)來(lai)越(yue)大(da)。因(yin)此(ci)，傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)工(gong)作(zuo)溫(wen)度(du)應(ying)與(yu)溫(wen)度(du)響(xiang)應(ying)曲(qu)線(xian)中(zhong)靈(ling)敏(min)度(du)無(wu)偏(pian)差(cha)的(de)溫(wen)度(du)一(yi)致(zhi)。

 

圖3 某加速度計的溫度響應曲線

 

衝擊極限：表示傳感器能經受的瞬時衝擊限製，通常用峰值表示，如某傳感器的衝擊極限為±7000g pk。

 

電氣特性：

 

激勵電壓/電流：有源傳感器都需要提供激勵電壓/電流才能正常工作，像ICP型傳感器需要提供20-30VDC激勵電壓和2-20mA的恒流激勵。當今的數據采集儀普遍內置了這樣的供電裝置
，因此

，可直接給ICP傳感器供電。但還有很多其他類型的加速度傳感器，如MEMS加速度傳感器，力平衡式加速度傳感器等，如果采集儀不能提供相應的激勵電壓/電流，則需要選擇外部供電方式。

 

穩定時間：對於ICP型xing傳chuan感gan器qi，由you於yu存cun在zai放fang電dian常chang數shu，當dang給gei傳chuan感gan器qi供gong電dian時shi
，傳chuan感gan器qi輸shu出chu的de信xin號hao會hui從cong無wu窮qiong遠yuan處chu慢man慢man地di穩wen定ding到dao基ji線xian附fu近jin，這zhe個ge時shi間jian稱cheng為wei穩wen定ding時shi間jian。而er我wo們men在zai進jin行xing測ce量liang時shi
，應ying待dai傳chuan感gan器qi輸shu出chu的de信xin號hao穩wen定ding之zhi後hou再zai進jin行xing測ce量liang。通tong常chang這zhe個ge時shi間jian隻zhi需xu要yao幾ji秒miao鍾zhong。

 

物理特性：

 

敏感材料：對於壓電式和ICP型(xing)傳(chuan)感(gan)器(qi)多(duo)半(ban)采(cai)用(yong)石(shi)英(ying)晶(jing)體(ti)和(he)壓(ya)電(dian)陶(tao)瓷(ci)作(zuo)為(wei)敏(min)感(gan)材(cai)料(liao)。石(shi)英(ying)晶(jing)體(ti)的(de)介(jie)電(dian)和(he)壓(ya)電(dian)常(chang)數(shu)的(de)溫(wen)度(du)穩(wen)定(ding)性(xing)好(hao)，適(shi)於(yu)做(zuo)工(gong)作(zuo)溫(wen)度(du)很(hen)寬(kuan)的(de)傳(chuan)感(gan)器(qi)。具(ju)有(you)壓(ya)電(dian)效(xiao)應(ying)的(de)壓(ya)電(dian)陶(tao)瓷(ci)是(shi)人(ren)工(gong)合(he)成(cheng)的(de)，原(yuan)始(shi)的(de)壓(ya)電(dian)陶(tao)瓷(ci)不(bu)具(ju)有(you)壓(ya)電(dian)效(xiao)應(ying)。由(you)於(yu)壓(ya)電(dian)陶(tao)瓷(ci)製(zhi)作(zuo)工(gong)藝(yi)更(geng)方(fang)便(bian)、耐濕
、耐高溫等優點，當今的壓電傳感器多半采用壓電陶瓷作為敏感材料。

 

尺寸和質量：加jia速su度du傳chuan感gan器qi外wai形xing以yi圓yuan柱zhu體ti和he六liu麵mian體ti居ju多duo，而er圓yuan柱zhu形xing的de加jia速su度du計ji又you分fen頂ding部bu出chu線xian和he側ce麵mian出chu線xian兩liang種zhong方fang式shi。選xuan擇ze加jia速su度du計ji的de外wai形xing尺chi寸cun時shi，主zhu要yao受shou安an裝zhuang位wei置zhi空kong間jian的de影ying響xiang，對dui於yu安an裝zhuang位wei置zhi空kong間jian有you限xian的de測ce點dian，則ze必bi須xu選xuan擇ze合he適shi的de傳chuan感gan器qi外wai形xing尺chi寸cun。另ling一yi方fang麵mian，在zai選xuan擇ze傳chuan感gan器qi類lei型xing時shi
，還hai必bi須xu考kao慮lv傳chuan感gan器qi本ben身shen的de重zhong量liang帶dai來lai的de附fu加jia質zhi量liang的de影ying響xiang
，特te別bie是shi測ce試shi輕qing質zhi結jie構gou時shi，傳chuan感gan器qi本ben身shen重zhong量liang影ying響xiang顯xian著zhu。可ke能neng對dui待dai測ce結jie構gou總zong質zhi量liang來lai說shuo，傳chuan感gan器qi的de總zong質zhi量liang很hen少shao，但dan是shi
，參can與yu振zhen動dong的de不bu是shi結jie構gou的de全quan部bu質zhi量liang

，而er是shi參can與yu振zhen動dong的de那na部bu分fen質zhi量liang，稱cheng為wei有you效xiao質zhi量liang

，此ci時shi
，傳chuan感gan器qi的de總zong質zhi量liang可ke能neng相xiang對dui於yu結jie構gou的de有you效xiao質zhi量liang會hui很hen大da，此ci時shi傳chuan感gan器qi附fu加jia質zhi量liang的de影ying響xiang會hui很hen明ming顯xian。另ling外wai，傳chuan感gan器qi安an裝zhuang時shi，可ke能neng還hai會hui使shi用yong工gong裝zhuang，此ci時shi工gong裝zhuang的de質zhi量liang對dui結jie構gou振zhen動dong幅fu值zhi會hui存cun在zai影ying響xiang。對dui於yu一yi些xie小xiao巧qiao輕qing型xing的de結jie構gou振zhen動dong或huo在zai薄bo板ban上shang測ce量liang振zhen動dong參can數shu時shi，傳chuan感gan器qi和he固gu定ding件jian質zhi量liang引yin起qi的de“額外”荷載可能會改變結構的原始振動，從而使測得結果無效。因此，在這種情況下應該使用小而輕的傳感器，估算加速度計質量—荷載的影響。

 

4. 選型原則

 

振動加速度傳感器選型原則：

 

1.根據與後續設備的匹配性來選擇傳感器類型，如ICP型調理設備宜用ICP型傳感器
，電荷調理設備宜選用壓電式傳感器。

 

2.當對處於工作狀態下的待測結構進行測量時
，宜使用“隔離”傳感器。若傳感器自身不隔離，可在傳感器底部添加絕緣材料作為隔離器件。

 

3.測點位置的振動量級宜為選擇的傳感器量程的60-80%，這樣能保證信噪比高，又不會過載。

 

4.選擇的傳感器的工作頻率範圍略高於實際測量的帶寬即可。

 

5.根據環境因素來選擇合適的傳感器，如測量處的溫度、濕度應保證選用的傳感器正常工作
，且測量幅值不受影響。

 

6.根據測量位置的空間來選擇傳感器尺寸和出線方式。

 

7.對於輕質結構則必須考慮傳感器重量對測量的影響。

 

8.根(gen)據(ju)行(xing)業(ye)應(ying)用(yong)選(xuan)擇(ze)傳(chuan)感(gan)器(qi)，如(ru)機(ji)械(xie)行(xing)業(ye)宜(yi)選(xuan)用(yong)振(zhen)動(dong)量(liang)級(ji)大(da)
，頻(pin)率(lv)頻(pin)率(lv)廣(guang)的(de)傳(chuan)感(gan)器(qi)
，而(er)土(tu)木(mu)行(xing)業(ye)宜(yi)選(xuan)用(yong)量(liang)程(cheng)小(xiao)，靈(ling)敏(min)度(du)高(gao)，低(di)頻(pin)性(xing)能(neng)好(hao)的(de)傳(chuan)感(gan)器(qi)。

 

因此，在選擇傳感器時，必須充分考慮以上因素，選擇最合適的傳感器進行測量

，盡量減少因傳感器本身給測試帶來的影響。

 

 

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