振动测量传感器的选择指南--文章(2)共3部分

wangui230

　　振动测量传感器的选择指南

　　第二部分

　　1. 压电式加速度传感器的信号输出形式
　　1) 电荷输出型
　　传统的压电加速度计通过内部敏感芯体输出一个与加速度成正比的电荷信号。实际使用中传感器输出的高阻抗电荷信号必须通过二次仪表将其转换成低阻抗电压信号才能读取。由于高阻抗电荷信号非常容易受到干扰，所以传感器到二次仪表之间的信号传输必须使用低噪声屏蔽电缆。由于电子器件的使用温度范围有限，所以高温环境下的测量一般还是使用电荷输出型。北智BW-Sensor采用进口陶瓷的加速度计可在温度-40oC~250oC 范围内长期使用。
　　2) 低阻抗电压输出型 (IEPE)
　　IEPE 型压电加速度计即通常所称的ICP 型压电加速度计。压电传感器换能器输 出的电荷通过装在传感器内部的前置放大器转换成低阻抗的电压输出。IEPE 型传感器通常为二线输出形式，即采用恒电流电压源供电;直流供电和信号使用同一根线。通常直流电部分在恒电流电源的输出端通过高通滤波器滤去。IEPE 型传感器的最大优点是测量信号质量好、噪声小、抗外界干扰能力强和远距离测量，特别是新型的数采系统很多已配备恒流电压源，因此，IEPE 传感器能与数采系统直接相连而不需要任何其它 二次仪表。在振动测试中IEPE 传感器已逐渐取代传统的电荷输出型压电加速度计。
　　2. 传感器的灵敏度，量程和频率范围的选择
　　压电型式的加速度计是振动测试的最主要传感器。虽然压电型加速度计的测量范围宽，但因市场上此类加速度计品种繁多，所以给正确的选用带来一定的难度。作为选用 振动传感器的一般原则：正确的选用应该基于对测量信号以下三方面的分析和估算。
　　1) 被测振动量的大小
　　2) 被测振动信号的频率范围
　　3) 振动测试现场环境
　　以下将针对上述三个方面并参照传感器的相关技术指标对具体的选用作进一步地讨论
　　根据被测振动量的大小加速度测量范围与灵敏度的选择
　　1) 传感器的灵敏度与量程范围
　　传感器的灵敏度是传感器的最基本指标之一。灵敏度的大小直接影响到传感器对振动信号的测量。不难理解，传感器的灵敏度应根据被测振动量(加速度值)大小而定，但由于压电加速度传感器是测量振动的加速度值，而在相同的位移幅值条件下加速度值与信号的频率平方成正比，所以不同频段的加速度信号大小相差甚大。大型结构的低频振动其振动量的加速度值可能会相当小，例如当振动位移为 1mm, 频率为1 Hz 的信号其加速度值仅为0.04m/s2 (0.004g);然而对高频振动当位移为0.1mm，频率为10 kHz的信号其加速度值可达4 x 10 5m/s2 (40000g)。因此尽管压电式加速度传感器具有较大的测量量程范围，但对用于测量高低两端频率的振动信号，选择加速度传感器灵敏度时应对信号有充分的估计。最常用的振动测量压电式加速度计灵敏度，电压输出型(IEPE 型)为50~100 mV/g，电荷输出型为10 ~ 50 pC/g。
　　加速度值传感器的测量量程范围是指传感器在一定的非线性误差范围内所能测量的最大测量值。通用型压电加速度传感器的非线性误差大多为1%。作为一般原则，灵敏度越高其测量范围越小，反之灵敏度越小则测量范围越大。
　　IEPE电压输出型压电加速度传感器的测量范围是由在线性误差范围内所允许的最大输出信号电压所决定，最大输出电压量值一般都为±5V。通过换算就可得到传感器的最大量程，即等于最大输出电压与灵敏度的比值。需要指出的是IEPE压电传感器的量程除受非线性误差大小影响外，还受到供电电压和传感器偏置电压的制约。当供电电压与偏置电压的差值小于传感器技术指标给出的量程电压时，传感器的最大输出信号就会发生畸变。因此IEPE 型加速度传感器的偏置电压稳定与否不仅影响到低频测量也可能会使信号失真;这种现象在高低温测量时需要特别注意，当传感器的内置电路在非室温条件下不稳定时，传感器的偏置电压很可能不断缓慢地漂移而造成测量信号忽大忽小。
　　而电荷输出型测量范围则受传感器机械刚度的制约，在同样的条件下传感敏感芯体受机械弹性区间非线性制约的最大信号输出要比IEPE型传感器的量程大得多，其值大多需通过实验来确定。一般情况下当传感器灵敏度高，其敏感芯体的质量块也就较大，传感器的量程就相对较小。同时因质量块较大其谐振频率就偏低 这样就较容易激发传感器敏感芯体的谐振信号，结果使谐振波叠加在被测信号上造成信号失真输出。因此在最大测量范围选择时，也要考虑被测信号频率组成以及传感器本身的自振谐振频率，避免传感器的谐振分量产生。同时在量程上应有足够的安全空间以保证信号不产生失真。
　　加速度传感器灵敏度的标定方法通常采用比较法检定，被校传感器在特定频率(通常为159 Hz 或80 Hz)振动的输出与标准传感器读得加速度值的比即为传感器灵敏度。而对冲击传感器的灵敏度则通过测量被校传感器对一系列不同冲击加速度值的输出响应，获得传感器在其测量范围内输入冲击加速度值和电输出之间的对应关系，再通过数值计算获得与各点之间差值最小的直线，而这直线的斜率即是传感器的冲击灵敏度。
　　冲击传感器的非线性误差可以有两种方法表示：全量程偏差或按分段量程的线性误差。前者是指传感器的全量程输出为基准的误差百分数，即无论测量值得大小其误差均为按全量程百分数计算而得的误差值。按分段量程的线性误差其计算方法与全量程偏差相同，但基准不用全量程而是以分段量程来计算误差值。例如量程为20000g 的传感器，如全量程偏差为1% ，其线性误差在全量程内为200g;但当传感器按分段量程5000g ，10000g ，20000g 来衡量其线性误差，其误差仍为1% 时，则传感器在不同的3个量程段内线性误差则分别为50g ，100g ，200g。
　　2) 传感器的测量频率范围
　　传感器的频率测量范围是指传感器在规定的频率响应幅值误差内(±5%, ±10%, ±3dB)传感器所能测量的频率范围。频率范围的高，低限分别称为高，低频截至频率。截至频率与误差直接相关，所允许的误差范围大则其频率范围也就宽。作为一般原则，传感器的高频响应取决于传感器的机械特性，而低频响应则由传感器和后继电路的综合电参数所决定。高频截止频率高的传感器必然是体积小，重量轻，反之用于低频测量的高灵敏度传感器相对来说则一定体积大和重量重。
　　a) 传感器的高频测量范围
　　传感器的高频测量指标通常由高频截止频率来确定，而一定截止频率与对应的幅值误差相联系;所以传感器选用时不能只看截至频率，必须了解对应的幅值误差值。传感器的频率幅值误差小不仅是测量精度提高，更重要的是体现了传感器制造过程中控制安装精度偏差地能力。另外由于测量对象的振动信号频率带较宽，或传感器的固有谐振频率不够高，因而被激发的谐振信号波可能会叠加在测量频带内的信号上，造成较大的测量误差。所以在选择传感器的高频测量范围时除高频截至频率外，还应考虑谐振频率对测量信号的影响;当然这种测量频段外的信号也可通过在测量系统中滤波器给予消除。
　　一般情况下传感器的高频截止频与输出信号的形式(即电荷型或低阻电压型)无关;而与传感器的结构设计，制造以及安装形式和安装质量都密切相关。以下表格是对不同型式加速度传感器的高频响应作一个定性的归类，供用户在选用时对比和参考。

高频响应	外形, 重量和灵敏度	敏感芯体形式	总体设计	安装形式
最好	体积小, 重量轻, 低灵敏度	压缩型	单层壳通用型	螺钉安装
好	通用型	剪切型	单层壳带绝缘座	吸铁, 粘接
差	个大, 体重, 高灵敏度	弯曲梁形式	双层屏蔽壳	手持

　　对加速度传感器的高频测量应用请参考 应用-〉高频测量

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◎支持扫频、步进正弦、随机及冲击校准、幅值线性度校准。
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◎测试报告显示幅度占名义灵敏度的百分比，并指出最大横向灵敏度的径向方向。
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