|
如何選擇合適的加速度計 加速度計廠家的產(chǎn)品目錄或網(wǎng)站可能會嚇到新手及有經(jīng)驗的用戶，廠家提供了各種各樣不同技術、形狀、大小以及使用范圍的傳感器。 本文將提供一條路徑，用戶可以根據(jù)它來選擇適合該應用的最優(yōu)化傳感器。
傳感器技術選擇 選擇傳感器的第一步就是確定你要做什么種類的測試測量。確定測量種類是傳感器技術選擇的第一步。在加速度測試測量領域有三種被廣泛使用的技術。 壓電式加速度計是在測試測量領域最被廣泛使用的加速度計。這種壓電式加速度計提供了非常寬的測量頻率范圍（幾HZ到30KHZ）以及非常多的靈敏度，重量，大小及形狀選擇范圍。壓電加速度計可以考慮使用在沖擊及振動的測量。壓電加速度計可以以電荷輸出或電壓輸出，本文后面會有介紹。 壓阻加速度計的靈敏度通常比較小，因此非常適合沖擊測量。他們同樣也被廣泛使用在汽車碰撞測試。因為他們的低靈敏度，他們很少用來進行振動的測量。壓阻傳感器通常具有很寬的頻帶以及頻率響應可以低到零HZ（經(jīng)常叫DC響應）或到穩(wěn)定狀態(tài)， 所以他們可以用來測量長時間的瞬變現(xiàn)象。 變電容傳感器是傳感器中的比較新的技術。向壓阻加速度計一樣，他們也是DC響應。變電容傳感器的靈敏度比較高，頻帶比較窄以及出色的溫度穩(wěn)定性。變電容加速度計非常適用于低頻振動，運動以及穩(wěn)態(tài)加速度。
測試測量類型 在本節(jié)中將會講述一些基本的測試測量類型，然后在本文后面會有詳細的介紹。在本文中，加速度測試測量被分成以下幾種類型： 振動：一個物體以某一平衡點為基準做震蕩運動就被認為是振動。振動通常在運輸工具及航天航空的環(huán)境下可以找到或被一個振動器系統(tǒng)激勵的運動。 沖擊：對物體的一個突然的瞬態(tài)激勵，它通常會激起物體的共振。 運動：本文中運動被定義為慢速移動時間，比如機械手的移動或汽車懸浮測量。 地震：這個也是運動或說是低頻振動。這種測試測量通常需要特別的低噪-高分辨率加速度計。 當測試測量類型確定后，讀者可以直接去你需要的測試測量類型章節(jié)瀏覽，或瀏覽其他不同的測試測量類型。
總則 在進入各種加速度計技術及應用之前，先瀏覽一下這里的一些總體上的考慮因素。 在選擇加速度計時，頻率響應是一個非常關鍵的參數(shù)。這個參數(shù)通常定為參考頻率（通常100HZ）的±5%偏差的頻率范圍。很多加速度計把參數(shù)規(guī)格延伸到±1dB或有些情況到±3dB.大部分技術規(guī)格書會有一個典型的頻率響應曲線來更好地幫助用戶。頻率范圍通常由測試的要求來確定或由用戶來決定。 另外一個需要考慮的參數(shù)就是有多少軸需要測量。加速度計有單軸和三軸可供選擇。另外一種達到測試三軸的方法就是把三個單軸加速度計安裝到三軸安裝塊。兩種方法都可以實現(xiàn)同時進行三個正交方向的測量。 圖1 一種微型三軸向加速度計 （同時測量三個正交方向振動） 振動 由于壓電加速度計具有很寬的頻率響應，很好的靈敏度及分辨率以及容易的安裝這些優(yōu)勢，它們是大部分振動測試測量的首選目標。壓電加速度計有兩種類型，一種是基本的電荷輸出模式的加速度計，另外一種是帶集成電路的電壓輸出模式的加速度計。
IEPE壓電加速度計 最近幾年，IEPE加速度計是最常用的加速度計種類。IEPE傳感器在市場上有不同的商標名稱，但是本質上都遵循一個偽工業(yè)標準，同時各種名字的IEPE傳感器可以互換。 原理上來講，IEPE加速度計就是一個內部集成電荷放大器的加速度計。他們不需要外部的電荷放大器，而且可以使用普通的低成本導線。這類加速度計需要一個穩(wěn)流電源，很多數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)內部帶有這種電源。如果用戶知道振動范圍以及工作溫度范圍在-55°C~125°C之間，那么就可以考慮IEPE加速度計。某些IEPE的高溫型應用傳感器工作溫度可以達到175°C。
電荷輸出模式壓電加速度計 電荷模式壓電加速度計的優(yōu)勢在于很高的工作溫度范圍以及相當寬的幅值范圍。一個典型的電荷模式壓電加速度計的工作溫度范圍為-55°C~288°C. 特殊場合使用的加速度計工作溫度可以低到-269°C ，可高達760°C. 抗輻射的電荷模式加速度計可以核環(huán)境使用。 不像IEPE加速度計，電荷模式加速度計需要使用低噪導線。和普通的同軸導線相比，低噪導向比較貴。同樣，電荷模式加速度計還需要電荷放大器或在線電荷轉換器。
變電容加速度計 如果在非常低頻的振動下進行測量，那么變電容加速度計是一個可以考慮的選擇。變電容傳感器的頻率范圍從0HZ~1000HZ，取決于對靈敏度的要求。當進行非常低頻測試測量時，可以使用頻帶范圍為0HZ~15HZ的變電容加速度計，它的靈敏度可以高達1V/g.變電容加速度計在電動液壓振動器，顫振測試以及很多運輸工具應用非常適用。
圖2 4-40螺釘安裝變電容加速度計 （也可選擇10-32螺釘安裝） 沖擊 兩種技術類型的加速度計可以適用于沖擊測量，各種各樣的加速度計可供選擇，取決于沖擊水平及最終的數(shù)據(jù)要求。知道所要測量的沖擊水平非常重要，這個沖擊水平的不同將決定使用哪種類型的加速度計。下面有一個簡單的指導幫助用戶選擇合適的加速度計。
低沖擊水平 < 500 g 碰撞 <2000 g 遠場 500 g ~1000 g（加速度計位于沖擊波源2米處） 近場 >5000 g（加速度計與沖擊波源距離小于1米）
對于低沖擊水平的測量，通用的加速度計可以很好地完成這個工作。加速度計的線性范圍至少達到500g同時耐沖擊水平也要到達500g. 這類應用首選IEPE加速度計，因為它受導線運動產(chǎn)生噪音的影響很小。用戶可以使用一個帶低通濾波的放大器來減弱加速度計共振的影響。汽車碰撞測試時相當特殊的沖擊測試領域。通常都使用壓阻加速度計。 圖3 用于汽車碰撞試驗的壓阻加速度計
對遠場沖擊的測試測量，一種內部帶電子濾波器的剪切模式加速度計就足夠應付了。他們通常是帶焊接接頭的輕巧性IEPE加速度計。電子濾波器可以通過電子的方式來減弱加速度計的共振頻率以防止數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)過載。
對于近場沖擊的測量，沖擊水平通常很高，有時高達20000g。這里要根據(jù)測試的種類來選擇加速度計。特制的壓電加速度計或壓阻加速度計比較適合這類應用。通常，和遠場測試的加速度計類似特性的IEPE加速度計都比較合適，但是增加了一個額外的內部機械濾波器。這個機械濾波器保證加速度計的抗毀能力，通常也可以消除零點漂移。 圖4 近場沖擊加速度計（內置機械濾波器，帶有堅固的1/4-26安裝螺柱）
關于零點漂移的詳細討論超出本文的范疇。通常的術語來講，零點漂移現(xiàn)象就是發(fā)生沖擊后，隨著時間的推移，加速度計沒有回到零加速度的水平位置。零點漂移的后果就是在進行積分的時候會導致數(shù)據(jù)失真。如果選擇壓阻加速度計，零點漂移很小。 和振動測試一樣，頻率響應同樣是沖擊測試的一個重要參數(shù)。通常來說，沖擊加速度計應該具備很寬的頻率響應范圍（典型值10KHZ），取決于進行什么測試。
運動，恒加速及低頻振動 這類應用應該考慮變電容加速度計。這種技術的加速度計可以進行低g值，低頻以及高水平輸出的測試測量。它們通常在很寬的溫度范圍表現(xiàn)出非常高的穩(wěn)定性。 當一個變電容加速度計放在一個地方它的感應軸與地球重力平行時，它就會產(chǎn)生1g的輸出。這個現(xiàn)象通常也被稱為“直流響應”。因為這個特性，變電容加速度計非常適合測量離心力或像電梯這種設備的加速度及減速度。 在振動測試領域，變電容加速度計使用在低頻事件研究，這種應用相位數(shù)據(jù)的保留是非常重要的。 變電容加速度計發(fā)現(xiàn)它們非常適合飛機顫振測試。當然它們也是汽車行駛舒適度測量的有用工具。 變電容加速度計的低頻特性使它們成為汽車、卡車以及軌道設備行駛舒適度測試的理想選擇。這些是低頻加速度計，因而寬頻頻率響應不是它們的特性。
環(huán)境 一旦選擇好了傳感器技術類型，測試類型也確定了，這里還有大量的其它因素需要考慮。首先要考慮的就是環(huán)境。 環(huán)境因素包括了溫度，最大加速度水平及濕度。 下面是一個數(shù)據(jù)表，顯示了一些典型的溫度數(shù)值，幫助用戶選擇合適的加速度計。
由于g值范圍這個參數(shù)在規(guī)格書上出現(xiàn)兩次，加速度計的新用戶它常常被混淆這個參數(shù)。加速度計實際可用的g值范圍出現(xiàn)在動態(tài)范圍的規(guī)格參數(shù)。比如，IEPE加速度計可能有個500g的范圍，同時，在環(huán)境特性下有一項參數(shù)定義為1000g的振動上限以及2000g的沖擊上限。在上面的示例中，500g是它的最大線性工作范圍。而在環(huán)境特性下定義的是最大的耐沖擊g值水平以及或正弦g值水平。 對于電荷輸出模式的壓電傳感器，線性g值范圍沒有被定義在動態(tài)特性一欄，是因為它他的動態(tài)范圍大部分取決于電荷放大器。用戶應該關注幅值線性度的規(guī)格，它出現(xiàn)在技術規(guī)格書動態(tài)特性這一欄。同上面講述的一樣，在環(huán)境特性定義的最大g值范圍是最大的耐沖擊數(shù)值。 濕度規(guī)格通常表示為“氣密密封”，“樹脂密封”或是“環(huán)境密封”。大部分的這些密封可以承受比較高的濕氣。如果加速度計使用在太空環(huán)境，水下或長時間浸泡在非常高濕度的環(huán)境，那么推薦使用氣密密封的傳感器。請注意持續(xù)的溫度循環(huán)會導致樹脂密封失效。 如果加速度計是設計在核輻射環(huán)境下使用，那么技術規(guī)格書會指示。 磁化率這個參數(shù)很少被定義，因為對于現(xiàn)在的新的加速度計不是一個問題。非磁性的材料被使用在現(xiàn)在的加速度計來減少這個問題。 如果加速度計準備安裝在高彈性表面，那么基座應力規(guī)格就顯得特別重要。彈性表面容易被彎曲，導致在加速度計基座的應力。應力會導致加速度計產(chǎn)生輸出，像振動產(chǎn)生的輸出一樣。
加速度計重量 當加速度計安裝測試物體，測試的加速度會產(chǎn)生改變。這個效果可以通過控制加速度計的重量減少到一個不顯著的數(shù)量。經(jīng)驗法則，加速度計的重量不能大于測試物體重量的10%。
右圖 為微型加速度計，重量為0.5克，適用于小型結構件和電路板振動測試
安裝 這里有許多種安裝加速度計到被測物體的方法。所有安裝可分成永久安裝或臨時安裝。本文將介紹最普遍的安裝方法。 到目前為止，最好的安裝方法就是螺柱安裝或螺紋安裝。在高頻時，由于螺柱或螺紋安裝本質上和安裝表面融合在一起，因此他能夠提供最好的傳遞性。高頻頻率響應性能可以通過在加速度計和被測物體之間加一層低粘度油脂來提高。如果想要使用這種安裝方法，必須選擇帶有螺柱或螺紋安裝的加速度計。 粘結劑安裝經(jīng)常被使用。特別是使用在小測試面以及PC主板。超黏膠是首選的粘結劑，因為使用合適的清除技巧非常容易清除這種粘接劑。用戶有很多種粘結劑安裝的選擇。許多加速度計被特別設計用粘結劑安裝，通常在技術規(guī)格中會注明。螺柱安裝的加速度計可能也可以使用粘接劑安裝，但是需要使用粘接劑-螺柱安裝座，防止粘結劑損壞加速度計的內螺紋。
地線隔離 加速度計可以提供地線隔離或地線連接到加速度計的外殼。地線隔離的加速度計通常有一個隔離的安裝基座，如果適用的話，帶有隔離的安裝螺紋或在某些情況下，加速度計的整個外殼度都是和地線隔離。 在測試物體具有導電性且?guī)в薪拥仉娢坏那闆r下，地線隔離變得非常重要。電子設備與加速度計的接地電位有差異時會形成接地回路，導致錯誤的數(shù)據(jù)。
靈敏度和分辨率 加速度計是一個傳遞器件，它把機械動能轉換成電子信號。輸出是用mV/g來表示的，或如果是電荷輸出模式的加速度計輸出是用pC/g來表示的。加速度計可供選擇的靈敏度范圍很寬，最優(yōu)化的靈敏度取決于被測的信號水平。比如，在高g值沖擊測試時，低靈敏度是比較合適的。 對于低信號水平，更愿意使用高靈敏度的加速度計，它能夠得到大大高于放大器噪音水平的輸出信號。比如，假設預期的振動水平為0.1g，同時加速度計的靈敏度為10mV/g， 那么信號的電壓水平為1mV，因而，高靈敏度的加速度計更加適合這種測試類型。 假如某些應用測試信號水平較低以及需要一個寬的動態(tài)范圍，那么加速度計的分辨率和靈敏度就顯得非常重要。 分辨率是指加速度計所能識別的最小信號。這個參數(shù)是基于加速度計的固有噪音（如果是IEPE加速度計的，就是內部電路的固有噪音），用g RMS來表示。
其它考慮因素 以上的所有信息可以幫助潛在的用戶做一個初步的決定， 哪種加速度計可以有潛力完成這個測試任務。當然這里還有一些同等重要的參數(shù)需要和供應商討論。這個重要參數(shù)包括：
當本文的所有問題都解答的情況下，建議和加速度計廠家做進一步討論。
|
|
|
