测量振动 | 压电加速度计的特性

BK声学与振动

压电式加速度计普遍用于振动测量，与任何其他类型的振动传感器相比，它具有更好的全方位特性。它具有非常宽的频率和动态范围，在整个范围内具有良好的线性度，它相对牢固和可靠，因此其特性可以在很长一段时间内保持稳定。




压电加速度计的特性

压电加速度计是自发电的，因此不需要电源。没有可磨损的运动部件，且输出与加速度成比例的信号并可积分成速度和位移信号。它们能够在极端温度下工作，但受到高输出阻抗的限制，需要低噪声电缆和电荷放大器来适调信号。

压电加速度计的核心是压电材料的切片，通常是一种人工极化的铁电陶瓷，具有独特的压电效应。当它在张力、压缩或剪切方面受到机械应力时，它会在其极面上产生与施加的力成正比的电荷。

                               
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加速度计设计

在实际的加速度计设计中，压电元件被布置成使得当组件被振动时，质量单元向压电元件施加与所受振动加速度成正比的力。这可以从公式中看出：力=质量x加速度。

对低于质量弹簧系统谐振频率以下的频率，质量的加速度将与基础的加速度相同，因此输出信号的幅度将与基座承受的加速度成正比。

通常使用两种配置：

质量对压电元件施加压缩力的压缩类型和质量对压电元件上施加剪切力的剪切类型。

                               
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压电式加速度计类型

大多数制造商都提供各种各样的加速度计，如果不了解，就无法轻松做出选择。

但是一小组“通用”类型可以满足大多数需求。这些连接器有顶部或侧面安装的连接器，灵敏度范围为1至10mV或pC/ms-2。Brüel & Kjær Uni-Gain®类型的灵敏度已标准化为方便的“圆整数字”，例如1或10pc/ms-2，以简化测量系统的校准。




CCLD/Deltatron®或者IPE加速度计




CCLD（恒流线路驱动）加速度计或IEPE（集成电子Piezo Electric）加速度计是带有集成前置放大器的压电式加速度计，可在电源线上以电压调制的形式提供输出信号。

Brüel & Kjær的IEPE加速度计具有高输出灵敏度、高信噪比和宽带宽，因此适用于通用和高频振动测量。

这些加速度计是高性能仪器，其输出灵敏度高于标准压电加速度计（不带积分放大器情形）。它们采用气密密封以防止环境污染，对射频和电磁辐射的敏感性较低，由于采用了外部恒流电源，它们的输出阻抗较低。低阻抗输出允许您使用廉价的同轴电缆用于加速度计。

许多超出通用范围的加速度计的特性倾向于特定应用。例如：小型加速度计，用于高级值或高频测量，用于重约0.5至2克的精密结构、面板等。

其他特殊用途类型经过优化，可在三个相互垂直的方向上同时进行测量：高温；极低的振动水平；高冲击；比较其他加速度计的校准；以及在工业机器上进行永久监控。

                               
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加速度计灵敏度、质量和动态范围

灵敏度是通常考虑的第一个特性。理想情况下，我们希望获得较高的输出水平，但有一点我们必须妥协，因为高灵敏度通常需要相对较大的压电组件，因此需要一个相对较大的质量单元。

在正常情况下，灵敏度不是一个关键问题，因为现代前置放大器可轻松处理这些低电平信号。在轻质物体上进行测量时，加速度计的低质量变得非常重要。额外的质量会显著改变测量点的振动水平和频率。

通常，加速度计的质量应不超过安装在其上的振动部分的动态质量的十分之一。

当希望测量异常低或高的加速度水平时，应考虑加速度计的动态范围。图中显示的下限通常不是由加速度计直接决定的，而是由连接电缆和放大器电路产生的电噪声决定的。对于通用仪器，此限制通常低至m/s2的百分之一。

上限由加速度计的结构强度决定。典型的通用加速度计的线性高达50000至100000m/s2，这已经上升到机械冲击的范围内。专为测量机械冲击而设计的加速度计线性可以高达1000km/s2(100000g)。

                               
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加速度计频率范围

机械系统的大部分振动能量往往包含在10Hz至1000Hz之间的相对较窄的频率范围内，但是测量结果通常可以说是10kHz，因为在这些较高频率下，通常会有一些有趣的振动分量。因此，在选择加速度计时，我们必须确保加速度计的频率范围可以覆盖感兴趣的范围。

实际上，在低频端，加速度计提供真实输出的频率范围受到两个因素的限制。第一个是紧随其后的放大器的低频截止。这通常不是问题，因为限制通常远低于1Hz。第二个是环境温度波动的影响，加速度计对此很敏感。使用现代剪切式加速度计，这种影响最小，允许在正常环境下测量低至1Hz以下。

                               
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上限由加速度计本身的质量弹簧系统的谐振频率决定。根据经验，如果我们将频率上限设置为加速度计共振频率的三分之一，我们就知道，在组件的上限频率下测得的振动误差不会超过+12％。

对于质量较小的小型加速度计，谐振频率可以高达180kHz，但是对于较大、输出更高的通用加速度计，通用加速度计，通用加速度计的共振频率通常为20至30kHz。




加速度计共振误差

由于加速度计通常会在高频端因为共振灵敏度大幅升高，因此其输出将无法真实显示这些高频测量点处的振动。

在频率分析振动信号时，人们可能以为很容易地识别由加速度计共振引起的高频峰，因此往往忽略了它。这时，如果要获取包括加速度计共振在内的整体宽带读数，同时要测量的振动在谐振频率周围的区域中也有分量，则会得出不准确的结果。

通过选择频率范围尽可能宽的加速度计，然后使用低通滤波器（通常包含在振动计和前置放大器中）来消除由加速度计共振引起的不需要的信号，可以克服这个问题。

在测量仅限于低频的情况下，可以使用机械滤波器消除高频振动和加速度计共振效应，例如消除电子设备上的过载。它们由粘接在两个安装盘之间的弹性介质（通常是橡胶）组成，安装在加速度计和安装表面之间。它们通常会将上限频率降低到0.5kHz至5kHz之间。

                               
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