压电加速度传感器原理及应用

每种加速度传感器技术都有其优缺点。在作出选择之前，明确它们的区别和测试需求是非常重要的。首先也是最重要的是，对于需要测量静态加速度或低频加速度(1Hz)的应用，或者需要用加速度计算速度和位移的应用，需要选择具有直流响应的加速度传感器。对于多数工程应用来说，选择合适的测试工具将对测试结果产生很大的影响。本文将帮助读者正确的选择加速度传感器。让我们从传感器的分类和原理开始。

基本的加速度传感器类型

总的来说有两类加速度传感器:交流响应加速度传感器直流响应加速度传感器作为交流响应的加速度传感器，正如它的名称，它的输出是交流耦合的。此类传感器不能用来测试静态的加速度，比如重力加速度和离心加速度。他们仅适合测量动态事件。而直流响应的加速度传感器，具有直流耦合输出，能够响应低至0赫兹的加速度信号。因此直流响应的加速度传感器适合同时测试静态和动态的加速度。并不是只有需要测试静态加速度时才选择直流响应的加速度传感器。

加速度，速度，位移

许多对于振动的研究需要获取加速度，速度和位移的信息，这些是工程师们设计和验证结构时所需要的重要信息。一般说来，加速度提供了很好的参考，而速度和位移却是计算时所需的变量。为了从加速度计算出速度和位移，从传感器输出的加速度信号会通过数字或模拟的形式分别做一次和二次积分。这就可能导致了交流耦合的传感器会产生问题。为了演示这个问题，设想采用交流传感器测量一个宽脉冲半正弦波信号。由于固有的交流RC时间常数的限制，传感器的输出不能很好跟输入脉冲吻合。同样的原因，在脉冲的结束点，传感器输出将产生一个负向零点偏移。下图展示了传感器的输出(红色的曲线)和宽脉冲半正弦加速度输入(蓝色曲线)的关系。这个看似微小的幅度上的差异在积分之后将产生重大的误差1。直流响应的加速度传感器却没有这样的问题，因为其输出能够准确的跟随缓慢变化的输入。在实际的日常应用中，输入信号可能不是单纯的半正弦脉冲，但是用交流耦合的传感器测试任何缓慢变化的信号时这样的问题始终会存在。

现在我们看看各种常用的加速度传感器技术。

交流响应加速度传感器最常用的交流响应加速度传感器是采用压电元件作为其敏感单元的。当有加速度输入时，传感器中的检测质量块“移动”使压电元件产生正比于输入加速度的电荷信号。从电学角看，压电元件如同一个有源的电容器，其内阻在10x9欧姆级别。由内阻和电容决定了RC时间常数，这也决定了传感器的高频通过特性。由于这个原因，压电加速度传感器不能用于测量静态事件。压电元件可来自于自然界或人造。它们有不同的信号转换效率和线性。

市场上有两类压电加速度传感器-电荷输出型，电压输出型。

电荷输出型加速度传感器主要的压电加速度传感器采用锆钛酸盐陶瓷，具有很宽的工作温度范围，宽的动态量程，宽的频率范围(可用频率>10kHz)。电荷输出型加速度传感器把压电陶瓷封装在具有气密性的金属外壳中。由于具有抵抗严酷环境的能力，其具有非常好的耐久性。由于其具有很高的阻抗，该传感器需要配合电荷放大器和低噪声屏蔽电缆使用，最好是同轴电缆。低噪音电缆是指指其具有低的摩擦电噪声，这是一种运动产生的来自电缆本身的噪声。很多传感器厂家同时提供这种低噪声电缆。电荷放大器和电荷输出型加速度传感器连接，从而可以消除电缆电容和传感器电容并联带来的影响。配合先进的电荷放大器，电荷输出型加速度传感器很容易实现宽的动态响应(>120dB)。由于压电陶瓷的工作温度范围很宽，有些传感器可以用于-200°C到+400°C，甚至更宽温度的环境。它们特别适合极限温度下的振动测试，如涡轮引擎的监测。

电压输出型加速度传感器另一种压电加速度传感器输出电压信号而不是电荷信号。这种传感器的内部包含了电荷放大器。电压模式的传感器有3线式(信号，地，电源)和2线式(信号/电源，地)。2线式又被称为集成电路式压电传感器(IEPE)。由于可以方便的采用同轴线(2线，芯线和屏蔽线)连接，IEPE非常流行。该模式下，交流信号叠加在直流电源上。在输出端串联一个耦合电容能够去掉传感器的直流偏置电压，从而仅获得传感器信号输出。许多现代仪器提供IEPE/ICP输入接口，从而可以和IEPE传感器直接连接。如果IEPE供电接口不可用，需要一个带有恒流源的信号放大器和IEPE传感器一期使用。3线式传感器则需要一根单独的直流电源线供电。与电荷输出型加速度传感器不同的是，除了压电陶瓷元件，电压输出型加速度传感器包含一个微型电路，电路的工作温度范围限制了传感器的整体工作温度范围，通常不超过125°C。也有一些设计提高到了175°C，但其在其它性能方面会有所下降。可用动态范围-由于压电陶瓷元件具有极宽的动态范围，电荷输出型加速度传感器在量程定义上显得十分灵活，因为其满量程可以通过远程的电荷放大器由用户自由调节。而电压输出型加速度传感器具有既定的满量程，其决定于内部的电荷放大器，一旦由工厂生产出来，将不再能改变。