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          如何選擇傳感器的靈敏度和量程?
          專欄:常見問題
          發布日期:2018-02-07
          閱讀量:4823
          作者:佚名
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          壓電型式的加速度計是振動測試的最主要傳感器。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...

          壓電型式的加速度計是振動測試的最主要傳感器。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最基本指標之一。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。最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最大測量值。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。

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          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最大輸出信號電壓所決定,最大輸出電壓量值一般都為±5V。通過換算就可得到傳感器的最大量程,即等于最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,傳感器的最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最大信號輸出要比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。因此在最大測量范圍選擇時,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最小的直線,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。

          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聯系;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.

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