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傳感器的靈敏度,量程和頻率范圍的選擇
發布時間:2017-05-03   點擊次數:1334次

壓電型式的加速度計是振動測試的zui主要傳感器。雖然壓電型加速度計的測量范圍寬,但因市場上此類加速度計品種繁多,所以給正確的選用帶來一定的難度。作為選用振動傳感器的一般原則:正確的選用應該基于對測量信號以下三方面的分析和估算。

    • a.被測振動量的大小 
      b.被測振動信號的頻率范圍 
      c.振動測試現場環境

以下將針對上述三個方面并參照傳感器的相關技術指標對具體的選用作進一步地討論

  ·傳感器的靈敏度與量程范圍
  傳感器的靈敏度是傳感器的zui基本指標之一。靈敏度的大小直接影響到傳感器對振動信號的測量。不難理解,傳感器的靈敏度應根據被測振動量(加速度值)大小而定,但由于壓電加速度傳感器是測量振動的加速度值,而在相同的位移幅值條件下加速度值與信號的頻率平方成正比,所以不同頻段的加速度信號大小相差甚大。大型結構的低頻振動其振動量的加速度值可能會相當小,例如當振動位移為 1mm, 頻率為1 Hz 的信號其加速度值僅為0.04m/s2(0.004g);然而對高頻振動當位移為0.1mm,頻率為10 kHz的信號其加速度值可達4 x 10 5m/s2 (40000g)。因此盡管壓電式加速度傳感器具有較大的測量量程范圍,但對用于測量高低兩端頻率的振動信號,選擇加速度傳感器靈敏度時應對信號有充分的估計。zui常用的振動測量壓電式加速度計靈敏度,電壓輸出型(IEPE 型)為50~100 mV/g,電荷輸出型為10 ~ 50 pC/g。

  加速度值傳感器的測量量程范圍是指傳感器在一定的非線性誤差范圍內所能測量的zui大測量值。通用型壓電加速度傳感器的非線性誤差大多為1%。作為一般原則,靈敏度越高其測量范圍越小,反之靈敏度越小則測量范圍越大。

  IEPE電壓輸出型壓電加速度傳感器的測量范圍是由在線性誤差范圍內所允許的zui大輸出信號電壓所決定,zui大輸出電壓量值一般都為±5V。通過換算就可得到傳感器的zui大量程,即等于zui大輸出電壓與靈敏度的比值。需要指出的是IEPE壓電傳感器的量程除受非線性誤差大小影響外,還受到供電電壓和傳感器偏置電壓的制約。當供電電壓與偏置電壓的差值小于傳感器技術指標給出的量程電壓時,傳感器的zui大輸出信號就會發生畸變。因此IEPE 型加速度傳感器的偏置電壓穩定與否不僅影響到低頻測量也可能會使信號失真;這種現象在高低溫測量時需要特別注意,當傳感器的內置電路在非室溫條件下不穩定時,傳感器的偏置電壓很可能不斷緩慢地漂移而造成測量信號忽大忽小。

  而電荷輸出型測量范圍則受傳感器機械剛度的制約,在同樣的條件下傳感敏感芯體受機械彈性區間非線性制約的zui大信號輸出要比IEPE型傳感器的量程大得多,其值大多需通過實驗來確定。一般情況下當傳感器靈敏度高,其敏感芯體的質量塊也就較大,傳感器的量程就相對較小。同時因質量塊較大其諧振頻率就偏低這樣就較容易激發傳感器敏感芯體的諧振信號,結果使諧振波疊加在被測信號上造成信號失真輸出。因此在zui大測量范圍選擇時,也要考慮被測信號頻率組成以及傳感器本身的自振諧振頻率,避免傳感器的諧振分量產生。同時在量程上應有足夠的安全空間以保證信號不產生失真。

  加速度傳感器靈敏度的標定方法通常采用比較法檢定,被校傳感器在特定頻率(通常為159 Hz 或80 Hz)振動的輸出與標準傳感器讀得加速度值的比即為傳感器靈敏度。而對沖擊傳感器的靈敏度則通過測量被校傳感器對一系列不同沖擊加速度值的輸出響應,獲得傳感器在其測量范圍內輸入沖擊加速度值和電輸出之間的對應關系,再通過數值計算獲得與各點之間差值zui小的直線,而這直線的斜率即是傳感器的沖擊靈敏度。

  沖擊傳感器的非線性誤差可以有兩種方法表示:全量程偏差或按分段量程的線性誤差。前者是指傳感器的全量程輸出為基準的誤差百分數,即無論測量值得大小其誤差均為按全量程百分數計算而得的誤差值。按分段量程的線性誤差其計算方法與全量程偏差相同,但基準不用全量程而是以分段量程來計算誤差值。例如量程為20000g 的傳感器,如全量程偏差為1% ,其線性誤差在全量程內為200g;但當傳感器按分段量程5000g ,10000g ,20000g 來衡量其線性誤差,其誤差仍為1% 時,則傳感器在不同的3個量程段內線性誤差則分別為50g ,100g ,200g。

  ·傳感器的測量頻率范圍
  傳感器的頻率測量范圍是指傳感器在規定的頻率響應幅值誤差內(±5%, ±10%, ±3dB)傳感器所能測量的頻率范圍。頻率范圍的高,低限分別稱為高,低頻截至頻率。截至頻率與誤差直接相關,所允許的誤差范圍大則其頻率范圍也就寬。作為一般原則,傳感器的高頻響應取決于傳感器的機械特性,而低頻響應則由傳感器和后繼電路的綜合電參數所決定。高頻截止頻率高的傳感器必然是體積小,重量輕,反之用于低頻測量的高靈敏度傳感器相對來說則一定體積大和重量重。

  1) 傳感器的高頻測量范圍 
  傳感器的高頻測量指標通常由高頻截止頻率來確定,而一定截止頻率與對應的幅值誤差相;所以傳感器選用時不能只看截至頻率,必須了解對應的幅值誤差值。傳感器的頻率幅值誤差小不僅是測量精度提高,更重要的是體現了傳感器制造過程中控制安裝精度偏差地能力。另外由于測量對象的振動信號頻率帶較寬,或傳感器的固有諧振頻率不夠高,因而被激發的諧振信號波可能會疊加在測量頻帶內的信號上,造成較大的測量誤差。所以在選擇傳感器的高頻測量范圍時除高頻截至頻率外,還應考慮諧振頻率對測量信號的影響;當然這種測量頻段外的信號也可通過在測量系統中濾波器給予消除。

  一般情況下傳感器的高頻截止頻率與輸出信號的形式(即電荷型或低阻電壓型)無關;而與傳感器的結構設計,制造以及安裝形式和安裝質量都密切相關。以下表格是對不同型式加速度傳感器的高頻響應作一個定性的歸類,供用戶在選用時對比和參考。

 

高頻響應

外形, 重量和靈敏度

敏感芯體形式

總體設計

安裝形式

zui好

體積小, 重量輕, 低靈敏度

壓縮型

單層殼通用型

螺釘安裝

通用型

剪切型

單層殼帶絕緣座

吸鐵, 粘接

個大, 體重, 高靈敏度

彎曲梁形式

雙層屏蔽殼

手持

對加速度傳感器的高頻測量應用請參考應用->高頻測量

  2) 傳感器的低頻測量范圍
  與傳感器高頻指標相對應,傳感器的低頻測量指標通常由低頻截止頻率來確定,同樣一定低頻截止頻率與對應的幅值誤差相關。和高頻特性不同,傳感器的低頻特性與傳感器的任何機械參數無關,而僅取決于傳感器的電特性參數。當然傳感器作為測量系統的某一部分,測量信號的低頻特性還將受到與傳感器配用的后繼儀器電參數的制約。根據輸出信號的不同形式,以下將對電荷輸出和低阻電壓輸出加速度傳感器分別給與討論。

  盡管電荷型輸出加速度傳感器列出低頻截止頻率,但一般都給予指出測量信號的低頻特性由后繼電荷放大器確定。在實際應用中,當電荷型傳感器的芯體絕緣阻抗遠大于電荷放大器輸入端的輸入阻抗時,由傳感器和電荷放大器組成的測量系統其低頻截至頻率應該由電荷放大器的低頻特性所決定。但是如果傳感器的芯體絕緣阻抗下降,此時傳感器則可能影響整個測量系統的低頻特性。因此保證芯體的絕緣阻抗對電荷輸出型加速度傳感器的低頻測量非常重要。

  對于IEPE 傳感器配用的恒流電壓源,其通常的低頻截至頻率為0.1 Hz (-5%)。因此一般情況下測量系統的低頻特性是由傳感器的低頻截至頻率所決定。通用型傳感器的低頻截止頻率大多為0.5 Hz~1 Hz, 專門用于低頻測量的傳感器低頻截至頻率可擴展到0.1 Hz。由于傳感器的低頻校驗比較困難,所以制造廠商一般只提供10 Hz以上的測試數據。但傳感器的低頻特性與一階高通濾波器非常吻合,所以用戶可以通過實測時間常數來檢查傳感器的實際低頻響應。

對加速度傳感器的低頻測量應用請參考應用->低頻測量

用IEPE 型壓電型加速度傳感器測量甚低頻加速度信號還需要注意的問題有:

  °當傳感器和恒流電壓源交流耦合的低頻截至頻率相當時,測量系統的低頻特性是由傳感器和恒流電壓源的各自低頻響應組合而成,此時測量系統的低頻截止頻率要高于傳感器或恒流電壓源各自的低頻截止頻率。理想的測量系統傳感器應配用帶直流平衡的恒流電壓源,這樣系統的低頻響應將完全取決于傳感器的低頻截至頻率。

  °當傳感器用于甚低頻測量時,能否準確測量低頻信號并不完全決定與系統的低頻響應特性,系統的低頻電噪聲大小也將直接影響低頻信號的測量。另外傳感器的瞬態溫度響應大小也將直接影響傳感器的低頻測量。

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