加速度传感器的关键参数

作者：高波，Peter Eitnier

PDF: AN-WIL-003

引言

     加速度计有多种规格，其规格参数取决于所使用的传感器类型。有多种参数可以评估 IEPE加速度计，但工业振动传感器规格表中很大程度上遵循几种类似的参数。灵敏度、频率响应和温度范围通常是最受关注的参数，除此之外传感器的物理特性，以及规格表中描述的许多电气参数也同样重要。加速度计规格书中的通常给出的是标称值，并且许多参数都带有规定的公差。我们要认识到，由于产品制造商的不同，有些规格参数的单位会略有变化。这不会对一个传感器的性能产生很大影响，但在实际应用的情况下予以考虑选择合适参数的传感器。下面我们将介绍一些最重要的加速度计规格参数，对于正确选择传感器，准确了解加速度计的性能特性，获得对您的应用有意义的振动数据至关重要。

• 灵敏度

    振动传感器的灵敏度是在承受标准加速度输入时传感器的标称输出。通常用输出电压V_out与输入的加速度a_s的比值表示。

  S=V_out/a_s

    典型的工业应用的加速度计灵敏度值是100 mV/g和500 mV/g，这表示传感器受到每“g”的加速度时，都会输出成比例的电压。对于这个标称值，通常会有 ±5%、±10% 或更大的公差，例如Wilcoxon的786A是具有±5%灵敏度公差的100mV/g传感器，它的灵敏度可接受范围在95～105mV/g内。每台振动传感器出厂时都会附带校准数据表，准确告知每个传感器的灵敏度以便对其进行跟踪，在使用时，允许用户输入校准灵敏度到数据采集系统中。大多数数据采集系统支持手动输入灵敏度，以最大限度地减少传感器灵敏度公差的影响。如果您想要输出一致的传感器，可以直接相互比较或使用更严格公差且只接受标称值的系统进行校准。

    每个传感器的灵敏度仅在单个频率点（通常为 100 Hz）的室温或 25°C 下校准，如下图1所示。因为在传感器设计阶段和小批量生产中已经过全面测试过其性能参数，并已通过试运行和新产品导入程序进行验证。对于量产品，只需要检查几个关键测量值以确保它们符合规格。

图1 传感器灵敏度的校准频率点

    传感器的灵敏度会在校准数据表中给出，因传感器的类型不同，灵敏度的单位也存在差异，如下表1所示。

表1 不同类型灵敏度单位

传感器类型	单位
集成运放IPEP	mV/g或 mV/m/s2
集成运放速度输出	mV/ips
电荷输出	pC/g

 

• 频率响应

    传感器的频率响应描述了在一定频率范围内灵敏度的最大偏差，是最容易被误解的加速度计参数之一，因为它通常有三个与之相关的各不相同公差值的单位（±5%、±10% 和 ±3dB）。首先，我们讨论一下公差，虽然灵敏度公差是指传感器在特定频率 (100 Hz) 下可接受的输出范围，但频率响应公差是指在特定频率范围内传感器输出与真实振幅的接近程度。我们以 786A 频率响应为例，如下表2和图2所示：

表2  786A的响应频率

Frequency response	±5%        3～5,000 Hz
	±10%    1～9,000 Hz
	±3dB       0.5～14,000 Hz

 

图2 786A的频率响应曲线

    传感器±5%的公差表示在 3～5,000 Hz 频率范围内，传感器的实际振动幅度的输出值在规定灵敏度的±5%以内。例如，一只786A校准后的灵敏度为99mV/g，它在频率带宽3～5,000Hz之间测量到累积1g加速度，则传感器输出值将在94.05 mV (99mV/g×0.95)和 103.95 mV (99mV/g ×1.05) 之间。

    同样， ±10% 的公差遵循相同的逻辑。在规定的频带范围1～9,000Hz内，传感器输出保证在实际振动幅度的±10%范围以内，因此，重叠的频率部分更难获得±5%的公差范围。在高频和低频过渡到极限位置处，输出响应通常是缓慢变化，而不是突变。在低频段相对接近，仅从3Hz变为1Hz，这在很大程度上归因于传感器的内部电子器件决定了传感器低频响应。它可以比高频响应控制的更接近，高频响应主要取决于传感器质量、内部质量块结构和共振频率。

    最后，通常用振动和声学测量的 ±3dB 公差作为“半功率”参考点，并被认为是传感器最宽的有用频率响应范围。关于功率或强度，-3dB点是传感器放大能力（其输出）大约是输入（预期振幅）的一半的点，+3dB点是放大能力（其输出）大约是输入的两倍的点。不过，输出电压公差分别接近-29%和+41%，产生差异的原因是电压的对数缩放，其中-3dB表示将输出信号衰减到0.707:1的比率，+3dB以 1.414:1的比率放大该值，从而导致不同的百分比。

    测量的频率范围内的公差越小，对被评估的振动幅度就越有信心，响应的线性度就越高。随着频率的增加，传感器接近其共振频率，信号会被有效放大。共振频率点主要由传感器的质量决定，但将始终超出+3dB响应频率点。

    压电加速度计的低频截止频率通常设置为1Hz～5Hz。但也有特殊设计，低频系列的灵敏度已经扩展到0.1Hz，并保持相对较高的灵敏度和频率响应范围，以及731A系列已将范围扩展到0.05Hz。大部分制造商都使用低频“高通”滤波限制低截止频率响应，降低在低频段放大器热噪声的影响。在一些低频传感器中，还可能用高频“低通”滤波器，用于消除高频振动信号中不需要的信号和外部干扰。

    高频响应是传感器机械特性的作用和设备连接方法决定的。大多数加速度计在牢固安装时表现为无阻尼的单自由度响应。响应相对平坦，约为安装谐振频率的20%。电子滤波器可以将响应增加到安装谐振频率的50%。

• 谐振频率

    加速度计的谐振频率是一个重要的参数，它不仅是传感器能够产生最大输出的频率，而且也是传感器输出响应不再可预测或可信的分界点。从图2的786A典型的频率响应图可知，在中间频率响应区域内±5%、±10%和±3dB限制区域，通常是线性的。在低频和高频区域，传感器的输出可能会有很大差异。在图2的左下低频响应区域，传感器内部的电子器件限制了传感器的 -3dB 频率响应能力，输出显著下降。在图2的右上高频响应区域，传感器输出在接近共振时被放大，频率接近或处于其系统的固有频率。这本质上是传感器最大的振动频率，是传感器的输出随着它靠近谐振频率点而增加的原因。在大多数机械结构中，要避免产生共振，因此，此参数对于帮助您排除不需要的振动数据很重要。超出其谐振频率，传感器的输出不再是可预测的，因此，谐振频率点被视为传感器频率响应中最后一个可用的数据点。谐振频率是主要取决于传感器质量、内部结构等机械特性，允许质量小的紧凑型加速度计表现出高谐振频率和较宽的频率范围，而具有高灵敏度的较大质量的地震传感器则大大减少了频率响应范围并专注于低频响应。根据具体的应用可以最终确定所需的频率响应范围，然后确定传感器的谐振频率。

• 横向灵敏度

图3 横向灵敏度计算示意图

    横向灵敏度是一种很少使用但很重要的加速度计参数，通常以百分比表示。加速度计测量垂直于其安装表面法线方向的加速度，横向灵敏度考虑了垂直于加速度计法线方向振动信号的影响，并给出了可能对传感器输出产生多大影响。例如，786A的横向灵敏度参数最大为轴向灵敏度的5%。如下图4的左图所示，在轴上施加1g加速度输入将输出1g加速度。然而，如下图4右侧显示了横向施加1g和50g 的加速度输入，输出分别为0.05g或2.5g的最大值。如果你希望了解传感器承受多少来自其传感轴向外的力，并需要考虑它们对整体振动幅度的潜在影响时，这一参数显得很重要。

图4 横向灵敏度示意图

• 温度范围和温度响应

    两个经常被混淆的加速度计参数是温度范围和温度响应。温度范围是一个简单的参数，说明传感器可以工作的最低和最高温度。任何超出此温度范围的情况都可能会损坏传感器的内部电子元件并导致其发生故障。
    温度响应相对复杂，通常由制造商自己确定的参数。温度响应会告知用户在传感器工作温度范围内，相对于25°C（室温）的使用环境中测量的灵敏度与标称灵敏度的变化比例。这些参数通常会在接近工作温度范围的极限值附近给出，以便用户了解传感器的一般温度梯度以及它如何影响传感器的输出。温度曲线可以说明温度范围内任何温度条件下的灵敏度响应误差，如果未说明，或者需要更多信息，可以向制造商询问，制造商应该能够提供温度响应图。如下图5所示，显示传感器工作温度范围内的典型偏差。

    

图5典型的温度响应曲线

     关于温度响应的还有一个注意事项，如果使用温度或环境会发生剧烈变化，除了灵敏度公差和频率响应之外，还需要将温度变化误差也考虑到加速度计输出中。

• 电气噪声

    电气噪声参数是一种识别传感器在各种频率下固有的电噪声，始终存在于振动的信号中。与温度响应一样，规格表上显示的噪声频率由制造商自行决定，然而，他们往往遵循一个共同的模式。通常规定一定宽带噪声值，跨越宽频率响应范围以反映传感器的完整响应噪声误差，并且会列出几个特定频率的噪声值，对于通用传感器，通常为 10Hz、100Hz 和 1,000Hz。 表3给出的是是786A 的噪声规格。

表3  典型的电气等效噪声

Electrical noise, equiv.g	Broadband	2.5Hz～25KHz	700ug
	Spectral	0 Hz	10ug/
		100 Hz	5ug/
		1,000Hz	5ug/

 

    加速度计的电气噪声如下图6所示，在低频时具有最大值，在达到平缓之前逐步下降。列出各个频率点的噪声值可让用户大致了解传感器本底噪声的位置，以确定此频率处振动幅度是否会超过噪声值。

 

图6 典型的噪声曲线

    大多数工业应用的振动幅度都远高于本底噪声，因此对传感器的选择显得不那么重要。但是了解本底噪声对于振动幅值可能与噪声重合的低频、低振动幅度应用时非常重要。如果发生这种情况，振动信号将无法与噪声区分开来，从而难以分析机器状况并制定适当的维护计划。

• 加速度范围、振动极限值和冲击极限值

    三个经常混淆的加速度计参数是加速度范围、振动极限值和冲击极限值，它们通常是以 g 或 m/s2 为单位表示传感器直接输出值。加速度范围是最重要的参之一，它表示传感器最大可以测量的加速度范围，而不会导致信号削波或失真。动态加速度计具有与灵敏度相关的设定加速度范围，通常最大振动输出电压值为5V。例如，对于100mV/g传感器，对应于加速度范围50g (100mV/g × 50g = 5,000mV = 5V) ，但某些传感器（如786A）可测量高达 80g的加速范围。依此类推，10mV/g 传感器的加速度范围为500g；500mV/g 传感器的加速度范围为10g。加速度范围是传感器在超过信号阈值和数据失真之前可以承受的限值，如下图7所示, 超过限值会产生振动波形的失真。

 

图7 加速度输出失真电压曲线

    传感器制造商并不总是列出振动极限值，此参数说明了传感器通电时，在对内部电子器件造成损坏之前可以接受的最大信号。振动极限值远远超出加速度范围，因此振动信号在到达振动限值很早之前就发生失真。重要的是要知道实际应用中是否存在导致振动幅度出现大尖峰的瞬态事件。传感器可以从低于振动极限值的任何振动中恢复，但如果超出，传感器很可能会发生故障或永久失效。
    最后，冲击极限值是此处讨论的所有三个数值中的最高值，是传感器在未通电时可以承受的总体振动水平。如果传感器在未连接电源的情况下跌落、抛出或以其他方式受到意外力，则冲击极限值表示在内部连接松动或其他各种故障模式发生之前它可以承受的最大振幅。这通常是对传感器机械强度及其内部结构的测量。
    加速度范围可用峰值振幅来确定，峰值振幅是在传感器内部放大器因过载而发生失真之前，传感器可以测量到的最大振动幅度。如果给定传感器的最大振幅不满足应用需求，则可以使用灵敏度较低或 BOV和电源电压较高的传感器。
峰值振幅由以下方法确定：

a) 计算电源电压和BOV之间的差异;

b) 计算 BOV 和地之间的差异 (0 V);

c) 取 (a) 或 (b) 中较小的值并减去 2 V ;

d) 将值 (c) 除以传感器的灵敏度（以 V 为单位）。

    得到的数字是最大幅度信号（以 g 表示）的一个很好的近似值，可以在信号失真发生之前测量。

图8  线性工作范围确定

• 幅值线性度

    最后幅值线性度是衡量传感器输出在其指定幅度范围内的线性程度。它有时被称为幅值非线性，因为它指出了与理想曲线的线性偏差。在理想情况下，加速度计在其指定范围内的任何幅值点都具有完全相同的灵敏度。但是，加速度计通常不会在这些准则内运行，幅值线性度提供了一种识别加速度计输出偏离理想曲线的限制方法。
    有两种行业公认的正确说明幅值线性度的方法。最严格的是指定整个满量程范围内的读数百分比。例如，0～2,000g的范围，1%的偏差。这是一个紧公差规范，因为这意味着加速度计灵敏度在 0～2,000 g幅度范围内的任何一点变化都不能超过±1%。
    一种更宽松的限制方法是指定某点线性度。例如，在0～2,000g的范围内，500g时指定1%偏差。那么，在振幅范围最大值（2,000g）与振幅范围的最小值(0 g)时灵敏度可能与相差4%。

• 磁灵敏度

    加速度计的磁灵敏度，即传感器输出如何受到电流或磁场的影响程度。与传感器的灵敏度类似，此测试通常以单一频率表示，通常为60Hz/50Hz或其谐波之一，或使用传感器频率范围内的最大值表示，单位是µg/gauss。传感器提供与磁感应相关的输出时，磁感应随磁场的接近度和强度而变化。虽然大多工业传感器应用场景不会受到磁场影响，但在医疗、感应加热、真空和其他应用中，传感器可能会因为磁场影响产生错误的输出。因此，了解电磁环境对加速度计灵敏度影响对于确定真实振动幅度和正确评估机器状况有重要意义。

• 总结

    振动加速度传感器的工作原理相对简单，但在进行振动分析时上面讨论的参数可能会帮助您更好的了解振动数据。这些参数虽然不是对所有加速度计规格的全面了解，但涵盖了振动传感器最流行和最容易被误解的规格参数，可以让您在选型、评估和使用传感器的过程中变得更容易。如果您需要详细查看某个参数或对规格参数进行讨论，可以联系制造商获得更多的规格参数说明。

• 参考文献：

[1] Levinzon F. Piezoelectric Accelerometers with Integral Electronics[M]. Springer, 2015. 

[2] Fred Schloss. Piezoelectric Accelerometer Specifications and Specmanship[J]. Wilcoxon Research Center. 
 

• Wilcoxon 简介

   

     Wilcoxon 隶属于安费诺传感器事业部（Amphenol Sensors），是高质量工业振动传感器、变送器和手持仪器，水听器、矢量传感器及振动监测解决方案制造商和全球供应商；为许多工业应用提供准确可靠的振动测量，和水下环境应用提供先进的解决方案，是设备振动监测的领导者。60 多年来，Wilcoxon 振动监测产品和技术专长在世界范围内备受客户信赖。

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作者简介

• 高波( Bo.gao@amphenol-sensors.com)，安费诺传感器资深应用工程师，同时从事压电陶瓷、振动传感器、智能传感器等技术与应用研究。