使用加速度計傳感器測量衝擊和振動

      作為(wei) 從(cong) 小騎自行車、在地板上推玩具長大的人類，我們(men) 本能地理解物體(ti) 因外力而產(chan) 生的加速度。振動數據及其衍生參數（例如 加速度、衝(chong) 擊和位移） 在許多應用中極其重要。

      什麽是振動？

      振動 可以被認為(wei) 是物體(ti) 圍繞平衡位置的振蕩或重複運動，其中作用在其上的力為(wei) 零。

      振動通常是由於(yu) 製造公差、間隙、機器零件之間的滾動和摩擦接觸以及旋轉和往複構件中的不平衡力的動態影響而發生的。通常，微小的、無關(guan) 緊要的振動會(hui) 激發其他一些結構部件的共振頻率，並被放大為(wei) 主要的振動和噪聲源。這就是監測振動如此重要的原因。

輪胎振動

      振動體(ti) 描述圍繞參考位置的振蕩運動。一秒鍾內(nei) 發生完整運動周期的次數稱為(wei) 頻率，以 赫茲(zi) (Hz)為(wei) 單位。

      該運動可以由以單一頻率發生的單個(ge) 分量組成，如音叉，也可以由同時以不同頻率發生的多個(ge) 分量組成，如內(nei) 燃機的活塞運動。

      在下圖中，我們(men) 可以看到音叉的運動。音叉是一種兩(liang) 叉叉形式的聲學諧振器。當通過撞擊表麵或物體(ti) 而使其振動時，它會(hui) 以特定的恒定音調產(chan) 生共振，並發出純淨的音樂(le) 音調。

音叉

      什麽是加速度計？

      加速度 計 是一種測量加速度的裝置。典型的加速度計就像安裝在彈簧上的阻尼質量。當受到加速度時，該質量會(hui) 移動。測量該位移並將其轉換為(wei) 有用的單位。 

      加速度計可用於測量：

        • 振動： 當物體(ti) 圍繞平衡位置執行振蕩運動時，稱其振動。振動存在於(yu) 運輸和航空航天環境中或通過振動台係統模擬。

        • 衝(chong) 擊： 結構的突然瞬態激勵，通常會(hui) 激發結構的共振。

        • 運動： 運動是緩慢移動的事件，例如機械臂的運動或汽車懸架測量。

        • 地震： 這更多的是一種運動或低頻振動。這種測量通常需要專(zhuan) 門的低噪聲高分辨率加速度計。

        • 力量

        • 傾(qing) 角

      我們(men) 可以從(cong) 加速度中得出幾個(ge) 重要的值。例如，如果我們(men) 知道物體(ti) 的質量 (m)，我們(men) 可以將其乘以它的加速度 (a)，從(cong) 而得出力 (F)：

      加速度計的類型

      盡管加速度計的類型很多 ，采用的技術不同，規格和應用等因素也大不相同，但我們(men) 可以根據是否可以測量靜態加速度將這些傳(chuan) 感器分為(wei) 兩(liang) 大類： 

        • 交流加速度計：充電和 IEPE 加速度計，

        • 直流加速度計：電容式、壓阻式和 MEMS 加速度計。

      交流加速度計

      根據定義(yi) ，這些傳(chuan) 感器用於(yu) 測量動態事件。換句話說，它們(men) 不能測量 直流或靜態加速度，而隻能測量加速度的變化。 

      振動通常是高頻信號，需要高速數據采集。這就是為(wei) 什麽(me) 相對低速的數據記錄器不用於(yu) 這些測量。這些傳(chuan) 感器使用了不同的技術，每種技術都適合特定的應用和環境。

      壓電加速度計 利用了 皮埃爾·居裏和雅克·居裏於(yu) 1880 年發現的壓電效應 。他們(men) 觀察到某些材料，尤其是晶體(ti) 和陶瓷，會(hui) 在受到壓力時產(chan) 生電荷或電壓。他們(men) 進一步發現，這種響應與(yu) 施加的應力呈線性關(guan) 係。 “piezo”一詞源自希臘語“piezein”，意思是“擠壓”。

      目前有兩(liang) 種 流行的交流加速度 傳(chuan) 感器：

        • 電荷加速度計傳(chuan) 感器

        • IEPE 加速度計傳(chuan) 感器

      直流（和交流）加速度計

      重要的是直流加速度計可以精確測量靜態（DC）加速度。還需要注意的是，直流加速度計 還可以測量 動態 (AC) 振動，但通常不具有交流加速度計的高帶寬。交流加速度計 專(zhuan) 為(wei) 動態測量應用而設計。

      在大多數情況下，動態 (AC) 加速度計根本無法測量 DC 加速度。但其中一些具有可設置的時間常數，允許在短時間內(nei) 測量直流加速度。 

      目前有幾種流行的 直流加速度計類型：

        • 電容式加速度計

        • 壓阻式加速度計

        • MEMS 加速度計

      請注意，MEMS 可以指內(nei) 部的電容式或壓阻式傳(chuan) 感器技術。但將它們(men) 列在這裏很重要，因為(wei) 它們(men) 在市場上被稱為(wei) 傳(chuan) 感器類型。

      讓我們(men) 詳細了解一下每種類型的交流和直流加速度計。

      充電加速度傳感器

      在經典的電荷傳(chuan) 感器中，位移軸上的加速度引起的應力會(hui) 產(chan) 生帶電離子流，其強度根據加速度的大小而變化。在傳(chuan) 感器內(nei) 部，一塊壓電材料（通常是石英或壓電陶瓷）位於(yu) 固定質量旁邊。當傳(chuan) 感器外殼沿測量軸受到加速度時，質量塊對壓電材料的應力或“擠壓”效應會(hui) 引起材料的電荷輸出。該電荷可以使用 DAQ 係統進行測量。

典型充電模式加速度計

      電荷傳(chuan) 感器具有高阻抗輸出，需要特殊的充電模式信號調節器，例如 Dewesoft 的 SIRIUS CHG 電荷放大器。 

      電荷型加速度計具有極高的帶寬、動態範圍和非常寬的溫度工作範圍。 

      電荷傳(chuan) 感器需要特殊的低噪聲布線，因為(wei) 高阻抗電荷信號非常容易受到 RF（射頻）和 EM（電磁）幹擾。移動電纜會(hui) 對信號產(chan) 生噪聲，因此在布線時必須非常小心（即使紮帶的微小壓力也會(hui) 產(chan) 生噪聲）。

      電荷傳感器的優缺點

      常見的電荷加速度計應用

        • 汽車測試

        • 航空航天和國防測試

        • 高帶寬應用

        • 跌落測試

        • 自由落體(ti) 測試

        • 基於(yu) 狀態的監測

        • 高溫應用

      IEPE 加速度計傳感器

      為(wei) 了解決(jue) 這個(ge) 布線和噪聲問題，工程師們(men) 想出了如何將微型放大器集成到傳(chuan) 感器外殼本身中。該放大器將高阻抗輸出轉換為(wei) 低阻抗輸出，這樣更容易通過成本更低、長度更長的電纜進行發送。

      它還大大降低了其對射頻和電磁幹擾的敏感性。這些傳(chuan) 感器被稱為(wei) IEPE 傳(chuan) 感器，因為(wei) 它們(men) 具有集成電子元件。該縮寫(xie) 詞的意思是“集成電子、壓電”。

      在傳(chuan) 感器內(nei) 部，一塊 壓電材料 （通常是石英或壓電陶瓷）位於(yu) 固定質量旁邊。當傳(chuan) 感器外殼沿測量軸受到加速度時，質量塊對壓電材料的應力或“擠壓”效應會(hui) 從(cong) 材料中感應出電荷輸出，從(cong) 而可以測量該電荷。該部分與(yu) 電荷傳(chuan) 感器完全相同 - 不同之處在於(yu) IEPE 傳(chuan) 感器額外包括一個(ge) 信號放大器。

質量塊對壓電元件施加壓縮力的壓縮式壓電加速度計

      值得注意的是，PCB Piezotronics 公司也使用其專(zhuan) 有的縮寫(xie) ICP®來指代這些傳(chuan) 感器，他們(men) 將其定義(yi) 為(wei) “集成電路，壓電”。 ICP 是 PCB Group, Inc. 的注冊(ce) 商標）。

質量塊對壓電元件施加剪切力的剪切型壓電加速度計

      與(yu) 不需要外部電源的電荷傳(chuan) 感器不同，這些 IEPE 傳(chuan) 感器內(nei) 的微型集成放大器必須供電。此外，放大器僅(jin) 存在於(yu) 傳(chuan) 感器內(nei) 確實會(hui) 增加少量質量，但更重要的是，它會(hui) 大大降低傳(chuan) 感器的工作溫度範圍。傳(chuan) 感器電源必須由外部 IEPE 信號調節器提供，該  信號調節器在信號線上創建恒定電流源。

      由於(yu) IEPE 傳(chuan) 感器用於(yu) 測量動態而非靜態加速度，因此直流電源電壓對讀數沒有影響。用於(yu) IEPE 傳(chuan) 感器的信號調節器通常比用於(yu) CHARGE 傳(chuan) 感器的信號調節器便宜。它基本上隻是一個(ge) 電壓調節器，可以提供可選的恒定電流激勵來為(wei) 傳(chuan) 感器供電。

      IEPE加速度計的優缺點

      常見的 IEPE 加速度計應用

        • 汽車測試

        • 航空航天和國防測試

        • 高帶寬應用

        • 跌落測試

        • 自由落體(ti) 測試

        • 基於(yu) 狀態的監測

      電容式加速度計

      電容式加速度計通常在低頻範圍內(nei) 提供卓越的性能。在傳(chuan) 感器外殼內(nei) 部，兩(liang) 個(ge) 平行板電容器以差動模式運行。連接了兩(liang) 個(ge) 額外的固定值電容器，所有四個(ge) 電容器都連接為(wei) 全橋。 

      這些結構緊密排列在傳(chuan) 感器外殼內(nei) ，當受到加速度時，它們(men) 之間的間隙會(hui) 產(chan) 生小電容。電橋電路的輸出隨著電容的變化而線性變化。 

典型的電容式（和 MEMS）加速度計由可移動的檢測質量塊和連接到參考係的機械懸掛係統上的板組成，如下圖所示

      通過使用散布的“梳”齒結構來檢測電容，提高了該傳(chuan) 感器的精度。這些可以通過多種方式安排。因此，這些傳(chuan) 感器可以測量動態（AC）和靜態（DC）加速度。

      電容式加速度計的優缺點

      常見的電容式加速度計應用

      電容式加速度計可以做得非常小且成本低廉，因此可用於(yu) 許多商業(ye) 和消費應用。其中一些包括：

        • 手機，用於(yu) 為(wei) 用戶“向上”定位屏幕、突然減速或加速（碰撞檢測）

        • 用於(yu) 展開安全氣囊的汽車， 

        • 視頻遊戲控製器的姿態檢測， 

        • 無人機 

        • 還有更多應用

      壓阻式加速度計

      直流加速度計的另一種流行技術是基於(yu) 壓阻技術。壓阻式加速度計不像壓電傳(chuan) 感器那樣使用晶體(ti) 或陶瓷元件，而是使用應變計來檢測加速度。這使得傳(chuan) 感器能夠 測量 高達約 6 至 8 kHz 的靜態 (DC) 和動態 (AC) 加速度。質量的內(nei) 部阻尼可以通過流體(ti) 或氣體(ti) 來實現。

典型壓阻式加速度計

      典型的壓阻式加速度計的輸出是差分的，在噪聲性能方麵良好。 通常需要高質量的 應變儀(yi) 信號調節器，例如 SIRIUS STG 型。其中一些傳(chuan) 感器設計用於(yu) 在高衝(chong) 擊應用中表現良好，並且可以測量高於(yu) 10.000 g 的重量。

      壓阻式加速度計的優缺點

      常見壓阻式加速度計應用

        • 汽車測試

        • 航空航天和國防測試

        • 高衝(chong) 擊測量

        • 各種非動態衝(chong) 擊和振動測量

      MEMS 加速度計

      除了上麵提到的機械加速度計之外，還有機電傳(chuan) 感器（又名 MEMS）可用。由於(yu) CHARGE 和 IEPE 傳(chuan) 感器通常以 0.3 Hz 至 10 Hz 開始測量，因此它們(men) 無法進行靜態或極低頻測量。微機電係統傳(chuan) 感器 (MEMS) 是一個(ge) 很好的解決(jue) 方案。

      MEMS 加速度計有單軸和三軸版本。

      MEMS 加速度計的優缺點

      常見 MEMS 加速度計應用

        • 抗震工作

        • 結構監測

        • 陀螺儀(yi) 定位係統

        • 汽車測試

        • 安全氣囊測試

      加速度計類型對照表

      與加速度計傳感器選擇相關的關鍵考慮因素

      有多種傳(chuan) 感器設計用於(yu) 測量振動和衝(chong) 擊。選擇傳(chuan) 感器時您應該問自己的最重要的問題是：

        • 接地隔離

        • 靈敏度

        • 低頻範圍

        • 帶寬

        • 幅度範圍

        • 殘餘(yu) 噪音水平

        • 溫度範圍

        • 重量

        • 接地環路

        • 電纜噪音

        • TEDS 兼容性

      接地隔離

      當被測物體(ti) 導電且處於(yu) 接地電位時非常重要。儀(yi) 器和加速度計之間的接地電壓電平差異可能會(hui) 導致接地環路，從(cong) 而導致錯誤的數據讀數。

      靈敏度

      理想情況下，我們(men) 希望有高輸出電平，但高靈敏度通常需要相對較大、較重的傳(chuan) 感器。幸運的是，這不是一個(ge) 關(guan) 鍵問題，因為(wei) 現代 Dewesoft 前置放大器是為(wei) 處理低電平信號而設計的。

      低頻範圍

      傳(chuan) 感器的高通截止頻率必須低於(yu) 您要測量的頻率。例如，在造紙廠中以 1 至 5 Hz 的頻率進行測試意味著您需要帶寬為(wei) 0.3 Hz（或更低）的傳(chuan) 感器。對於(yu) 這些應用，充電或 IEPE 是最合適的。如果您需要測量靜態加速度，則需要不同的傳(chuan) 感器技術，例如電容式或 MEMS。

      帶寬（頻率範圍）

      這是傳(chuan) 感器的（上）帶寬。小質量加速度計可提供高達 180 kHz 的諧振頻率，但對於(yu) 較大、輸出較高的通用加速度計，典型諧振頻率為(wei) 20 至 30 kHz。

      幅度範圍

      電荷傳(chuan) 感器提供大振幅範圍（專(zhuan) 門設計的震動傳(chuan) 感器可以具有超過 100,000 g 的振幅範圍！），但 IEPE 傳(chuan) 感器也相當高（高達 1000 g）。 MEMS 傳(chuan) 感器的範圍通常非常有限（最多幾百克）。對於(yu) 大多數應用，IEPE 傳(chuan) 感器都很好，而對於(yu) 高振幅水平，電荷傳(chuan) 感器更好。

      殘餘噪音水平

      這定義(yi) 了傳(chuan) 感器可以測量的最低幅度水平。我們(men) 應該采用具有最佳測量範圍的傳(chuan) 感器，因為(wei) 具有較高範圍的傳(chuan) 感器也會(hui) 具有較高的噪聲水平。

      IEPE 傳(chuan) 感器具有非常高的動態範圍。電荷傳(chuan) 感器類似，但我們(men) 需要考慮到電纜中很容易產(chan) 生噪聲。電容式和 MEMS 傳(chuan) 感器的動態範圍較小。

      溫度範圍

      所有傳(chuan) 感器（包括電子器件）的 高溫範圍有限，最高可達 130°C。電荷傳(chuan) 感器的溫度範圍要高得多 - 甚至高達 500°C。但請注意，這也需要高溫電纜。

      所有壓電材料都與(yu) 溫度相關(guan) ，因此環境溫度的任何變化都會(hui) 導致加速度計靈敏度的變化。當測量環境中出現微小的溫度波動（稱為(wei) 溫度瞬變）時，壓電加速度計也會(hui) 表現出不同的輸出。這通常僅(jin) 在測量非常低水平或低頻振動時才會(hui) 出現問題。

      現代 剪切式加速度計 對溫度瞬變的敏感性非常低。當加速度計固定在溫度高於(yu) 250°C的表麵時，可以在底座和測量表麵之間插入散熱器和雲(yun) 母墊圈。當表麵溫度為(wei) 350 至 400°C 時，通過這種方法可以將加速度計底座保持在 250°C 以下。冷卻空氣流可以提供額外的幫助。

      MEMS 傳(chuan) 感器溫度範圍受內(nei) 部電子器件限製（-40°C 至 125°C）。

      重量

      在模態測試中，由於(yu) 質量載荷效應，重量可能是一個(ge) 重要因素。我們(men) 添加到結構中的任何質量都會(hui) 改變其動態行為(wei) 。作為(wei) 一般規則，傳(chuan) 感器質量不應超過其所安裝的振動部件動態質量的十分之一。

      還有其他考慮因素。例如電纜噪聲、溫度範圍、橫向振動等。整本教科書(shu) 都討論了這個(ge) 主題，包括這些傳(chuan) 感器的安裝，這對於(yu) 獲得良好的結果至關(guan) 重要。需要了解的重要一點是，Dewesoft 硬件和軟件經過徹底設計，可幫助您從(cong) 振動/加速測試中獲得最佳結果。

      傳(chuan) 感器類型有很多種，每種類型的製造商也有很多型號。但在本節中，我們(men) 將重點關(guan) 注世界各地絕大多數應用程序中使用的主要類型。

      接地環路

      由於(yu) 加速度計和測量設備分別接地，因此接地環路電流可以在加速度計電纜的屏蔽層中流動。通過使用隔離傳(chuan) 感器、隔離放大器或通過隔離螺柱將加速度計基座與(yu) 安裝表麵電隔離來斷開接地環路。

      電纜噪音

      由於(yu) 輸出阻抗較高，電纜噪聲主要是壓電加速度計的問題。這些幹擾可能是由摩擦電噪聲或電磁噪聲引起的。摩擦電噪聲通常是由電纜本身的機械運動引入加速度計電纜中的。它源於(yu) 由於(yu) 構成電纜的各層的動態彎曲、壓縮和張力而導致的局部容量和電荷變化。通過使用適當的石墨化加速度計電纜並將其盡可能靠近加速度計粘貼或粘合，可以避免此問題。

      當加速度計電纜放置在運行機械附近時，通常會(hui) 在加速度計電纜中感應出電磁噪聲。

      TEDS 兼容性

      有些傳(chuan) 感器內(nei) 部有 TEDS 芯片，可以通過兼容的數據采集儀(yi) 器以電子方式識別它們(men) 。 TEDS（傳(chuan) 感器電子數據表）是符合 IEEE 1451 和 IEEE 1588 的標準接口。它存儲(chu) 有關(guan) 設備的重要信息。

      借助兼容的 Dewesoft 信號調節器和 Dewesoft X 軟件，TEDS 傳(chuan) 感器以“即插即用”方式運行。信號調節器讀取有關(guan) 傳(chuan) 感器的信息，並自動設置適當的增益、縮放比例、工程單位和其他傳(chuan) 感器設置。

      使用大量傳(chuan) 感器的工程師發現 TEDS 技術在設置大規模測試時可以節省大量時間。 TEDS 自動化還可以防止人為(wei) 錯誤。

      如何安裝加速度計

      傳(chuan) 感器可以以不同的方式安裝。傳(chuan) 感器的帶寬對其安裝方式特別敏感。將加速度計安裝到測量點的方法是從(cong) 實際振動測量中獲得準確結果的最關(guan) 鍵因素之一。安裝不當會(hui) 導致安裝諧振頻率降低，從(cong) 而嚴(yan) 重限製加速度計的有用頻率範圍。

        • 螺柱： 最好在測試樣本上鑽一個(ge) 孔，然後用螺釘將傳(chuan) 感器固定到表麵。這不應影響任何傳(chuan) 感器屬性。顯然，在某些情況下，客戶可能不會(hui) 特別高興(xing) 這樣做，例如，對於(yu) 他全新的飛機機翼原型。

        • 粘合劑： 另一種安裝方式，對帶寬影響不大，是薄雙麵膠帶或蜂蠟（這受到其溫度範圍的限製）。

        • 磁鐵： 一種廣泛使用的機器診斷安裝技術是將傳(chuan) 感器安裝在磁鐵上。這仍然會(hui) 產(chan) 生良好的帶寬，但當然，表麵必須是鐵磁的（不是鋁或塑料）。在可以使用安裝夾的傳(chuan) 感器上，我們(men) 可以將安裝夾粘在前麵，然後直接連接傳(chuan) 感器本身。

      一種快速但肮髒的解決(jue) 方案也是用手按住傳(chuan) 感器。這對於(yu) 一些難以到達的地方很有用，但帶寬會(hui) 被削減到 1 - 2 kHz。

      加速度計的安裝方式應使所需的測量方向與(yu) 其主靈敏度軸一致。加速度計對橫向振動也稍微敏感，但這通常可以忽略，因為(wei) 橫向靈敏度通常小於(yu) 主軸靈敏度的 1%。

      下圖顯示了不同安裝方法的帶寬減少：

不同安裝方法導致的帶寬減少

      加速度計和振動分析應用

       前麵幾節提到了加速度計的一些關(guan) 鍵 振動測量應用。這是一個(ge) 簡短的摘要，以及一些附加信息。

      * 在他們(men) 的帶寬範圍內(nei)

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