10. 加速度傳感器的正確使用方法

10.1 加速度傳感器的構(gòu)造和用途

壓電型加速度傳感器和其他類型相比，在靈敏度上具有較高的共振頻率，所以現(xiàn)在在各方面都得到廣泛應(yīng)用。根據(jù)其構(gòu)造大致可以分為以下三種。

（1）壓縮型

基座和質(zhì)量塊之間的壓電體通過(guò)螺絲進(jìn)行固定的構(gòu)造。機(jī)械強(qiáng)度高，可以檢測(cè)高量級(jí)沖擊試驗(yàn)。缺點(diǎn)是壓電體的極化方向和電氣輸出口方向一致，容易受焦電效應(yīng)的影響。但是可以通過(guò)增加低通濾波器來(lái)消除焦電效應(yīng)帶來(lái)的低頻（數(shù)Hz）干擾。

壓縮型加速度傳感器對(duì)于靈敏度有很高的共振頻率，適用于一般振動(dòng)檢測(cè)中，也適用于高速旋轉(zhuǎn)機(jī)器、管道泄漏等高頻振動(dòng)檢測(cè)領(lǐng)域。

（2） 剪切型

壓電體的極化方向和電氣輸出口方向成90°直交，不受焦電效應(yīng)的影響。其構(gòu)造如圖10.1.2，壓電體的兩極面受到剪切力的影響，錯(cuò)位產(chǎn)生電荷。

原理上，機(jī)械強(qiáng)度比較低，在質(zhì)量塊和壓電體的固定方法上花點(diǎn)工夫，可以進(jìn)行相當(dāng)高加速度的檢測(cè)。焦電效應(yīng)引起的干擾基本上很低，在低頻振動(dòng)檢測(cè)或溫度變化激烈的場(chǎng)所檢測(cè)比較有利。另外，基座受壓對(duì)靈敏度影響小也是其一大特長(zhǎng)。

（3） 懸垂型

與雙壓電晶片的原理相同，利用壓電體的橫向效果。壓電體薄板粘接在金屬板上，質(zhì)量塊動(dòng)作，使其彎曲，根據(jù)彎曲程度按比例輸出。

構(gòu)造上，根據(jù)用途或式樣有中心固定、兩端固定、一端固定等方式，共振頻率不是很高。但是，在低頻域中可以實(shí)現(xiàn)高靈敏度，適用于地震或地盤振動(dòng)、大壩水電站等大型設(shè)施的微小振動(dòng)檢測(cè)領(lǐng)域。

以下，將各類型加速度傳感器的特長(zhǎng)進(jìn)行匯總，請(qǐng)根據(jù)用途進(jìn)行選擇。

壓縮型

○機(jī)械強(qiáng)度高。（最大使用加速度大。）

○對(duì)應(yīng)共振頻率，靈敏度高。（高頻檢測(cè)可）

剪切型

○熱干擾小。

○基座對(duì)靈敏度影響小。

○可制作成高靈敏度傳感器。

懸垂型

○在低頻域有非常高的靈敏度。

○可制作成輕便小巧型傳感器。

10.2 安裝方法

加速度傳感器固定最關(guān)鍵的是必須保證基座面和振動(dòng)體表面完全緊密貼合。為了此目的，加速度傳感器的基座面都是精密加工的，中心位置有可以固定傳感器的螺孔。最理想狀態(tài)就是將振動(dòng)體表面盡可能打磨平滑，且在接觸面涂敷上硅膠油或潤(rùn)滑油后用螺釘進(jìn)行固定。固定狀態(tài)的好壞直接影響測(cè)量效果，特別是高頻特性中影響最明顯（參考4.4接觸共振頻率章節(jié)）。

但是在實(shí)際的現(xiàn)場(chǎng)，并不是完全滿足以上理想條件的，比如使用銼刀對(duì)表面進(jìn)行研磨也很難達(dá)到平整光滑的程度。此時(shí)，可以使用硅膠油或潤(rùn)滑油等，將凹凸面填平，提高接觸面的剛性和緊密性。

下面說(shuō)明各種通過(guò)選配件進(jìn)行固定的情況。

【絕緣螺栓】

用于將加速度傳感器的外殼和地線（GND）絕緣，防止地回路引起的干擾。在安裝上的注意點(diǎn)是，雖然和安裝加速度傳感器一樣，但首先要將加速度傳感器安裝在絕緣螺栓上，接著通過(guò)絕緣螺栓六角部將兩者固定。然后將其固定在涂有硅膠油的表面上。固定力矩參考表10.2.1。

【磁性輔助塊】

振動(dòng)體為可以被磁鐵吸附的金屬時(shí)，可以使用磁性輔助塊進(jìn)行固定加速度傳感器。根據(jù)與振動(dòng)體的接觸情況，高頻域特性有明顯的不同，所以需要盡量將接觸面研磨平整，涂敷上硅膠油或潤(rùn)滑油的話，可以和螺絲固定同樣得到高頻域特性，參考圖4.4.4。當(dāng)然，加速度傳感器的重量大小，也會(huì)對(duì)高頻特性有影響。

【蓋螺母】

振動(dòng)體上無(wú)法打孔或無(wú)法用磁鐵輔助塊吸附的時(shí)候，可以使用膠水或兩面膠帶固定。但是加速度傳感器基座底部直接粘附膠水的話，試驗(yàn)后去除膠水比較麻煩，而且膠水進(jìn)入中心螺孔的話，螺紋就會(huì)失去作用，此時(shí)，使用蓋螺母的話就可以解決。一頭帶螺柱，一頭平滑面，平滑面可以使用膠水進(jìn)行固定，這個(gè)螺母

其實(shí)就是為了保護(hù)傳感器底面。

10.3 低噪聲干擾電線

壓電型加速度傳感器的輸出阻抗是非常高的，所以電線機(jī)械式彎曲或螺旋扭曲變形的話，會(huì)產(chǎn)生靜電干擾。

這種電線一般都是同軸電纜，受到機(jī)械彎曲或扭曲的話，如圖10.3.2屏蔽層導(dǎo)體和絕緣層之間形成局部電容。摩擦等使其內(nèi)部產(chǎn)生電荷，這些電荷通過(guò)導(dǎo)體對(duì)加速度傳感器的輸入部進(jìn)行放電，產(chǎn)生干擾，這種現(xiàn)象叫做Trivo效應(yīng)。

為了降低此效果影響，不形成局部電容一般使用低噪聲干擾電纜，這種電纜在絕緣體表面進(jìn)行包膜處理。即使屏蔽層和絕緣體層形成分離，也不會(huì)形成局部電容，即不產(chǎn)生Trivo效應(yīng)。在實(shí)際使用中還是要將此電纜固定好，盡量在試驗(yàn)中不要使電纜晃動(dòng)，盡量振動(dòng)對(duì)電線的影響。

內(nèi)藏型加速度傳感器（電壓型）使用的時(shí)候，輸出阻抗比較低（300Ω以下），所以一定要使用低噪聲干擾電線。

10.4 低頻低量級(jí)振動(dòng)的檢測(cè)

低頻且低量級(jí)的振動(dòng)檢測(cè)場(chǎng)合，特別需要保證檢測(cè)系統(tǒng)有高的S/N比。所以需要選擇使用高靈敏度的傳感器。低頻截止頻率可根據(jù)檢測(cè)目的決定（請(qǐng)參考4.2）。如果響應(yīng)范圍超出必要范圍擴(kuò)展到低頻，在急劇溫度變化下就會(huì)產(chǎn)生焦電效應(yīng)，導(dǎo)致S/N比惡化（請(qǐng)參考8.3）。在溫度急劇變化場(chǎng)合需要檢測(cè)低頻數(shù)Hz的話，簡(jiǎn)易使用剪切型加速度傳感器。

10.5 沖擊及過(guò)渡振動(dòng)的檢測(cè)

沖擊振動(dòng)檢測(cè)的場(chǎng)合，帶有加速度傳感器檢測(cè)系統(tǒng)的過(guò)渡響應(yīng)特性變得非常重要。沖擊頻率低的話，脈寬大的話會(huì)有零點(diǎn)偏移的誤差，系統(tǒng)的低頻特性來(lái)決定（參照7.1）。沖擊頻率高的話，振蕩干擾就會(huì)變大，系統(tǒng)高頻特性決定（參照7.2）。

零點(diǎn)偏移雖然對(duì)波形的有效值不影響，但在測(cè)量峰值時(shí)需要考慮進(jìn)去，特別是通過(guò)積分器求取速度或位移的場(chǎng)合。

在實(shí)際測(cè)量中，所需要的系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)或固有共振頻率的數(shù)值，請(qǐng)參考下列各表。

【零點(diǎn)偏移造成的誤差】

【振蕩干擾造成的誤差】

半正弦波即半三角波

但是加速度傳感器的衰減比h≈0。

10.6 輕振動(dòng)體場(chǎng)合

壓電型加速度傳感器在原理上屬于接觸型振動(dòng)傳感器。所以，在振動(dòng)測(cè)量時(shí)，通常需要將傳感器的動(dòng)態(tài)質(zhì)量考慮進(jìn)去。一般重量也就數(shù)10克左右，所以一般振動(dòng)測(cè)量沒(méi)有什么問(wèn)題。但是在測(cè)量質(zhì)量比較輕的振動(dòng)體時(shí)，加上傳感器質(zhì)量的話會(huì)影響振動(dòng)體的振動(dòng)模態(tài)。特別是小而薄振動(dòng)板的共振特性測(cè)量時(shí)，加上傳感器的質(zhì)量就會(huì)降低共振頻率（下式10.6.2）。此時(shí)，就需要使用小而輕的加速度傳感器。一般將加速度傳感器的質(zhì)量控制在試驗(yàn)體重量的1/10以下比較合適。

10.7 地回路（groud loop）

地回路引起的干擾一般在測(cè)量檢測(cè)系統(tǒng)中的接地線有兩個(gè)以上時(shí)會(huì)發(fā)生，因?yàn)楦鹘拥鼐€間會(huì)多少產(chǎn)生電位差，在測(cè)量系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生微量循環(huán)電流。尤其使用220V或100V交流電源時(shí)，50Hz或者60Hz及其各階諧波頻率處有干擾（這種情況一般稱為市電干擾）。

為了防止地回路，需要系統(tǒng)只有一個(gè)接地線。需要對(duì)加速度傳感器進(jìn)行絕緣，可使用絕緣膠帶或上面介紹的絕緣螺栓、絕緣磁塊等。最理想的接地方式是最終端的檢測(cè)器處提供系統(tǒng)共用的一處接地線，傳感器和各種放大器等采用浮地措施，如下圖10.7.2。