1. 傳感器分類

 

在這主要介紹兩種分類，一類是有源與無源
，另一類是隔離與非隔離。

 

有you源yuan傳chuan感gan器qi是shi指zhi將jiang傳chuan感gan器qi將jiang非fei電dian能neng量liang轉zhuan化hua為wei電dian能neng量liang輸shu出chu
，隻zhi轉zhuan化hua能neng量liang本ben身shen，並bing不bu轉zhuan化hua能neng量liang信xin號hao的de傳chuan感gan器qi

，也ye稱cheng為wei能neng量liang轉zhuan換huan性xing傳chuan感gan器qi或huo換huan能neng器qi。因yin而er，這zhe類lei傳chuan感gan器qi工gong作zuo時shi需xu要yao外wai部bu能neng量liang源yuan激ji勵li，如ru激ji勵li電dian壓ya，才cai能neng正zheng常chang工gong作zuo。由you於yu需xu要yao進jin行xing能neng量liang轉zhuan化hua，因yin而er，傳chuan感gan器qi內nei部bu封feng裝zhuang了le電dian子zi元yuan器qi件jian，測ce量liang過guo程cheng中zhong會hui帶dai來lai噪zao聲sheng。這zhe類lei傳chuan感gan器qi如ruICP型（也稱為IEPE型）加速度度傳感器
，零頻加速度傳感器等。

 

無wu源yuan傳chuan感gan器qi是shi指zhi不bu需xu要yao使shi用yong外wai接jie電dian源yuan就jiu能neng正zheng常chang工gong作zuo的de傳chuan感gan器qi，且qie可ke以yi通tong過guo外wai部bu獲huo取qu到dao無wu限xian製zhi的de能neng源yuan。這zhe類lei傳chuan感gan器qi對dui測ce量liang係xi統tong無wu噪zao聲sheng影ying響xiang
，或huo者zhe影ying響xiang很hen小xiao，如ru應ying變bian片pian（花）
、壓電式傳感器等。

 

隔離傳感器是指傳感器與待測結構之間相隔離，電流不能在二者之間流通。隔離傳感器從電氣角度與被測結構相分離，如應變片（花）通常與被測結構是相隔離的。傳感器實現隔離的通常做法是在傳感器底部安裝了隔離器件
，使電流不能流通
，如圖1所示紅色器件即是隔離器件。

 

 

feigelichuanganqishizhichuanganqiyubeicejiegouzhijianwugeli，dianliukeyizaierzhezhijianjinxingliutong。zheleichuanganqixiangredianou

，mouxiejiasuduchuanganqideng。zheleifeigelidechuanganqitongchangyaoqiucaiyongfudihuogelidixian，yibimianjiedixunhuan，guanyujiedixunhuan，qingyuedu《采樣過程中存在的誤差，您肯定不全知道！》。如果傳感器自身不隔離，用戶可以自行使用電氣隔離器件實現隔離，這類器件如雲母片、玻璃片和環氧樹脂等。當對處於工作狀態下的待測結構進行測量時

，推薦使用“隔離”傳感器。

 

2. 常見加速度計類型

 

振動測量一般使用加速度計，是因為加速度計具有以下優點：生產工藝成熟
、動態範圍大、頻率範圍寬、線性度好
、穩定性高、安裝方便等特點。常用於中小結構的模態試驗、汽車試驗

、旋轉機械故障診斷試驗和振動控製試驗等。在這主要介紹兩種類型的加速度傳感器：壓電式和ICP型加速度傳感器。

 

壓電式加速度傳感器：是一種無源傳感器，屬於慣性式傳感器。利用壓電晶體，如石英晶體

、壓電陶瓷等的“壓電效應”：在(zai)加(jia)速(su)度(du)計(ji)感(gan)受(shou)到(dao)振(zhen)動(dong)時(shi)，質(zhi)量(liang)塊(kuai)加(jia)在(zai)壓(ya)電(dian)元(yuan)件(jian)上(shang)的(de)力(li)也(ye)隨(sui)之(zhi)變(bian)化(hua)。壓(ya)電(dian)晶(jing)體(ti)受(shou)力(li)變(bian)形(xing)後(hou)
，其(qi)內(nei)部(bu)會(hui)產(chan)生(sheng)極(ji)化(hua)現(xian)象(xiang)，同(tong)時(shi)在(zai)它(ta)的(de)兩(liang)個(ge)表(biao)麵(mian)產(chan)生(sheng)符(fu)號(hao)相(xiang)反(fan)的(de)電(dian)荷(he)
，當(dang)被(bei)測(ce)振(zhen)動(dong)頻(pin)率(lv)遠(yuan)低(di)於(yu)加(jia)速(su)度(du)計(ji)的(de)固(gu)有(you)頻(pin)率(lv)（諧振頻率）時，則力的變化與被測加速度成正比。當外力去除後，又重新恢複到不帶電狀態，這種現象稱為“壓電效應”，具有“壓電效應”的晶體稱為壓電晶體。

 

壓(ya)電(dian)加(jia)速(su)度(du)計(ji)輸(shu)出(chu)為(wei)電(dian)荷(he)類(lei)型(xing)
，故(gu)需(xu)要(yao)與(yu)電(dian)荷(he)放(fang)大(da)器(qi)配(pei)合(he)使(shi)用(yong)
，然(ran)後(hou)信(xin)號(hao)再(zai)傳(chuan)輸(shu)到(dao)采(cai)集(ji)儀(yi)或(huo)者(zhe)與(yu)內(nei)置(zhi)電(dian)荷(he)調(tiao)理(li)的(de)采(cai)集(ji)儀(yi)直(zhi)接(jie)連(lian)接(jie)。電(dian)荷(he)放(fang)大(da)器(qi)以(yi)電(dian)容(rong)作(zuo)負(fu)反(fan)饋(kui)

，使(shi)用(yong)中(zhong)基(ji)本(ben)不(bu)受(shou)電(dian)纜(lan)電(dian)容(rong)的(de)影(ying)響(xiang)，但(dan)會(hui)受(shou)到(dao)靜(jing)電(dian)場(chang)的(de)影(ying)響(xiang)。在(zai)電(dian)荷(he)放(fang)大(da)器(qi)中(zhong)，通(tong)常(chang)用(yong)高(gao)質(zhi)量(liang)的(de)元(yuan)器(qi)件(jian)，輸(shu)入(ru)阻(zu)抗(kang)高(gao)
，因(yin)而(er)價(jia)格(ge)也(ye)比(bi)較(jiao)貴(gui)，一(yi)般(ban)用(yong)的(de)比(bi)較(jiao)少(shao)。

 

ICP型加速度傳感器：由(you)於(yu)壓(ya)電(dian)式(shi)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)輸(shu)出(chu)電(dian)信(xin)號(hao)是(shi)微(wei)弱(ruo)的(de)電(dian)荷(he)，而(er)且(qie)傳(chuan)感(gan)器(qi)本(ben)身(shen)有(you)很(hen)大(da)內(nei)阻(zu)，故(gu)輸(shu)出(chu)能(neng)量(liang)甚(shen)微(wei)
，這(zhe)給(gei)後(hou)接(jie)電(dian)路(lu)帶(dai)來(lai)一(yi)定(ding)困(kun)難(nan)。為(wei)此(ci)，通(tong)常(chang)把(ba)傳(chuan)感(gan)器(qi)信(xin)號(hao)先(xian)輸(shu)到(dao)高(gao)輸(shu)入(ru)阻(zu)抗(kang)的(de)前(qian)置(zhi)放(fang)大(da)器(qi)。經(jing)過(guo)阻(zu)抗(kang)變(bian)換(huan)以(yi)後(hou)
，電(dian)荷(he)量(liang)轉(zhuan)換(huan)成(cheng)電(dian)壓(ya)量(liang)
，然(ran)後(hou)再(zai)輸(shu)出(chu)給(gei)後(hou)續(xu)的(de)紀(ji)錄(lu)儀(yi)器(qi)。目(mu)前(qian)，製(zhi)造(zao)廠(chang)家(jia)已(yi)有(you)把(ba)壓(ya)電(dian)式(shi)加(jia)速(su)度(du)傳(chuan)感(gan)器(qi)與(yu)前(qian)置(zhi)放(fang)大(da)器(qi)集(ji)成(cheng)在(zai)一(yi)起(qi)的(de)加(jia)速(su)度(du)傳(chuan)感(gan)器(qi)

，即(ji)：ICP型加速度傳感器，也稱IEPE加速度傳感器，不僅方便了使用，而且也大大降低了成本。

 

ICP型加速度傳感器由於內置了專門的集成調理電路
，因此，屬於有源傳感器。而該電路要正常工作需要恒流源供電。當今普遍使用的24位采集儀一般都自帶恒流功能，因而可直接與ICP型傳感器連接使用。

 

內置集成電路的ICP型優勢是低價位，抗幹擾好，可長導線使用
，但它的耐高溫、可靠性不如電荷輸出的壓電加速度傳感器
，且動態範圍也因輸出電壓和偏置電壓的影響而受到限製。ICP型傳感器的低頻頻響主要受傳感器的放電時間常數影響，因此大多數信號適調器都采用交流耦合。

 

3. 選型指標

 

每mei一yi種zhong型xing號hao的de加jia速su度du傳chuan感gan器qi都dou有you特te別bie合he適shi的de應ying用yong場chang景jing，因yin此ci，測ce試shi時shi必bi須xu根gen據ju測ce試shi使shi用yong要yao求qiu，選xuan擇ze最zui合he適shi的de加jia速su度du傳chuan感gan器qi。在zai選xuan擇ze加jia速su度du計ji時shi，主zhu要yao從cong傳chuan感gan器qi性xing能neng、環境因素、電氣特性和物理特性四個方麵去考慮。

 

性能包括靈敏度、量程、頻響特性、諧振頻率、橫向效應和線性度等指標。環境因素包括工作溫度、溫度響應和衝擊極限等。電氣特性包括激勵電壓與電流、穩定時間等。物理特征包括敏感材料，結構設計
、尺寸、重量和出線方式等。

 

性能指標：

 

量程/靈敏度：每個傳感器都有測量範圍，通常量程大的傳感器，靈敏度低，量程小的傳感器
，靈敏度高。通常傳感器輸出電壓的上限為5V，因此，傳感器靈敏度乘以量程得到的為傳感器的量大輸出電壓5V。如某型號傳感器的靈敏度為50mV/g
，則該傳感器的量程為100g。通常ICP型(xing)加(jia)速(su)度(du)傳(chuan)感(gan)器(qi)滿(man)足(zu)這(zhe)個(ge)規(gui)律(lv)，而(er)其(qi)他(ta)類(lei)型(xing)，如(ru)零(ling)頻(pin)加(jia)速(su)度(du)傳(chuan)感(gan)器(qi)，則(ze)不(bu)滿(man)足(zu)此(ci)規(gui)律(lv)。另(ling)一(yi)方(fang)麵(mian)，傳(chuan)感(gan)器(qi)靈(ling)敏(min)度(du)越(yue)高(gao)，則(ze)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)質(zhi)量(liang)越(yue)大(da)
，傳(chuan)感(gan)器(qi)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)越(yue)大(da)，信(xin)噪(zao)比(bi)越(yue)高(gao)
，分(fen)辨(bian)能(neng)力(li)越(yue)強(qiang)。對(dui)於(yu)測(ce)試(shi)不(bu)同(tong)的(de)結(jie)構(gou)

，應(ying)選(xuan)擇(ze)相(xiang)匹(pi)配(pei)的(de)傳(chuan)感(gan)器(qi)量(liang)程(cheng)，通(tong)常(chang)，土(tu)木(mu)橋(qiao)梁(liang)和(he)超(chao)大(da)型(xing)機(ji)械(xie)結(jie)構(gou)加(jia)速(su)度(du)振(zhen)動(dong)量(liang)級(ji)在(zai)0.1g～10g 左右
，機械設備的振動在 10g～100g 左右。

 

諧振頻率：chuanganqibenshenyeshiyigejiegou
，yiner
，yecunzaiguyoupinlv，tongchang
，bachuanganqidediyijieguyoupinlvchengweixiezhenpinlv。chuanganqichicunyuexiao，xiezhenpinlvyuegao。jiasudujideshiyongshangxianpinlvqujueyufupinquxianzhongdexiezhenpinlv。yibanchuanganqidegongzuopinlvfanweiweiqizishenxiezhenpinlvde1/3以下。

 

頻響特性：一般加速度傳感器的工作頻率上限為自身諧振頻率的1/3左右。另一方麵，通常加速度傳感器低頻特性較差，信號衰減嚴重，而在高頻段線性度差，非線性影響嚴重。如圖2為某型號加速度計的頻響曲線，從曲線圖中可以看出，在2Hz以下信號衰減嚴重，頻響性能差，在12KHz以上線性度差
，其諧振頻率約為38KHz。因此，該傳感器的工作頻率為12KHz以下。在選擇加速度計時，加速度計的頻率上限稍高於被測結構的振動頻率即可。一般
，土木工程結構的頻率範圍在0.2~1KHz左右，機械設備是中頻段
，頻率範圍在0.5~5KHz左右。

 

 

線性度：由(you)於(yu)傳(chuan)感(gan)器(qi)測(ce)量(liang)時(shi)隻(zhi)能(neng)輸(shu)入(ru)單(dan)一(yi)靈(ling)敏(min)度(du)，因(yin)此(ci)
，用(yong)於(yu)描(miao)述(shu)在(zai)一(yi)定(ding)的(de)頻(pin)響(xiang)範(fan)圍(wei)內(nei)
，傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)靈(ling)敏(min)度(du)是(shi)否(fou)滿(man)足(zu)實(shi)際(ji)的(de)靈(ling)敏(min)度(du)的(de)指(zhi)標(biao)，即(ji)為(wei)線(xian)性(xing)度(du)。相(xiang)對(dui)而(er)言(yan)
，在(zai)低(di)頻(pin)段(duan)（如5Hz以下），傳感器的靈敏度會少於實際的靈敏度，而在高頻段（如大於工作頻率上限），則靈敏度會大於實際的靈敏度。隻有在中間頻段，靈敏度滿足線性關係，如圖2所示。如果傳感器不在線性區間進行測量
，則測量得到的幅值誤差較大，一般要求傳感器非線性<1%。

 

橫向效應：當(dang)測(ce)量(liang)某(mou)個(ge)方(fang)向(xiang)的(de)振(zhen)動(dong)時(shi)，信(xin)號(hao)輸(shu)出(chu)應(ying)該(gai)全(quan)為(wei)振(zhen)動(dong)感(gan)知(zhi)方(fang)向(xiang)，但(dan)實(shi)際(ji)上(shang)在(zai)與(yu)該(gai)方(fang)向(xiang)垂(chui)直(zhi)的(de)方(fang)向(xiang)也(ye)有(you)信(xin)號(hao)輸(shu)出(chu)，這(zhe)種(zhong)效(xiao)應(ying)稱(cheng)為(wei)橫(heng)向(xiang)效(xiao)應(ying)。橫(heng)向(xiang)效(xiao)應(ying)靈(ling)敏(min)度(du)越(yue)低(di)，性(xing)能(neng)越(yue)好(hao)

，但(dan)是(shi)相(xiang)對(dui)而(er)言(yan)

，傳(chuan)感(gan)器(qi)都(dou)存(cun)在(zai)一(yi)定(ding)的(de)橫(heng)向(xiang)效(xiao)應(ying)
，通(tong)常(chang)標(biao)稱(cheng)橫(heng)向(xiang)效(xiao)應(ying)<5%。

 

環境因素：

 

使用環境：傳感器使用時受溫度

、濕度、塵(chen)土(tu)等(deng)環(huan)境(jing)因(yin)素(su)的(de)影(ying)響(xiang)。任(ren)何(he)一(yi)種(zhong)傳(chuan)感(gan)器(qi)都(dou)有(you)自(zi)身(shen)的(de)工(gong)作(zuo)溫(wen)度(du)範(fan)圍(wei)，因(yin)此(ci)必(bi)須(xu)根(gen)據(ju)實(shi)際(ji)測(ce)點(dian)位(wei)置(zhi)的(de)溫(wen)度(du)，以(yi)及(ji)環(huan)境(jing)溫(wen)度(du)來(lai)選(xuan)擇(ze)合(he)適(shi)的(de)傳(chuan)感(gan)器(qi)。另(ling)外(wai)，對(dui)於(yu)測(ce)試(shi)環(huan)境(jing)存(cun)在(zai)潮(chao)濕(shi)、腐蝕和電磁場等影響因素時，選擇傳感器也應該考慮這些因素。

 

溫度響應：傳感器的靈敏度會受到溫度的影響
，當溫度發生了改變，如果我們還使用常溫下的靈敏度，則會給測量帶來誤差。如圖3為(wei)某(mou)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)溫(wen)度(du)響(xiang)應(ying)曲(qu)線(xian)，從(cong)圖(tu)中(zhong)可(ke)以(yi)看(kan)出(chu)，當(dang)室(shi)溫(wen)時(shi)，傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)靈(ling)敏(min)度(du)沒(mei)有(you)偏(pian)差(cha)，但(dan)當(dang)溫(wen)度(du)遠(yuan)離(li)室(shi)溫(wen)時(shi)，靈(ling)敏(min)度(du)偏(pian)差(cha)則(ze)越(yue)來(lai)越(yue)大(da)。因(yin)此(ci)

，傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)工(gong)作(zuo)溫(wen)度(du)應(ying)與(yu)溫(wen)度(du)響(xiang)應(ying)曲(qu)線(xian)中(zhong)靈(ling)敏(min)度(du)無(wu)偏(pian)差(cha)的(de)溫(wen)度(du)一(yi)致(zhi)。

 

圖3 某加速度計的溫度響應曲線

 

衝擊極限：表示傳感器能經受的瞬時衝擊限製，通常用峰值表示，如某傳感器的衝擊極限為±7000g pk。

 

電氣特性：

 

激勵電壓/電流：有源傳感器都需要提供激勵電壓/電流才能正常工作

，像ICP型傳感器需要提供20-30VDC激勵電壓和2-20mA的恒流激勵。當今的數據采集儀普遍內置了這樣的供電裝置，因此，可直接給ICP傳感器供電。但還有很多其他類型的加速度傳感器
，如MEMS加速度傳感器，力平衡式加速度傳感器等，如果采集儀不能提供相應的激勵電壓/電流
，則需要選擇外部供電方式。

 

穩定時間：對於ICPxingchuanganqi，youyucunzaifangdianchangshu，danggeichuanganqigongdianshi，chuanganqishuchudexinhaohuicongwuqiongyuanchumanmandiwendingdaojixianfujin，zhegeshijianchengweiwendingshijian。erwomenzaijinxingceliangshi，yingdaichuanganqishuchudexinhaowendingzhihouzaijinxingceliang。tongchangzhegeshijianzhixuyaojimiaozhong。

 

物理特性：

 

敏感材料：對於壓電式和ICP型xing傳chuan感gan器qi多duo半ban采cai用yong石shi英ying晶jing體ti和he壓ya電dian陶tao瓷ci作zuo為wei敏min感gan材cai料liao。石shi英ying晶jing體ti的de介jie電dian和he壓ya電dian常chang數shu的de溫wen度du穩wen定ding性xing好hao
，適shi於yu做zuo工gong作zuo溫wen度du很hen寬kuan的de傳chuan感gan器qi。具ju有you壓ya電dian效xiao應ying的de壓ya電dian陶tao瓷ci是shi人ren工gong合he成cheng的de
，原yuan始shi的de壓ya電dian陶tao瓷ci不bu具ju有you壓ya電dian效xiao應ying。由you於yu壓ya電dian陶tao瓷ci製zhi作zuo工gong藝yi更geng方fang便bian、耐濕、耐高溫等優點
，當今的壓電傳感器多半采用壓電陶瓷作為敏感材料。

 

尺寸和質量：加jia速su度du傳chuan感gan器qi外wai形xing以yi圓yuan柱zhu體ti和he六liu麵mian體ti居ju多duo
，而er圓yuan柱zhu形xing的de加jia速su度du計ji又you分fen頂ding部bu出chu線xian和he側ce麵mian出chu線xian兩liang種zhong方fang式shi。選xuan擇ze加jia速su度du計ji的de外wai形xing尺chi寸cun時shi，主zhu要yao受shou安an裝zhuang位wei置zhi空kong間jian的de影ying響xiang，對dui於yu安an裝zhuang位wei置zhi空kong間jian有you限xian的de測ce點dian，則ze必bi須xu選xuan擇ze合he適shi的de傳chuan感gan器qi外wai形xing尺chi寸cun。另ling一yi方fang麵mian，在zai選xuan擇ze傳chuan感gan器qi類lei型xing時shi，還hai必bi須xu考kao慮lv傳chuan感gan器qi本ben身shen的de重zhong量liang帶dai來lai的de附fu加jia質zhi量liang的de影ying響xiang
，特te別bie是shi測ce試shi輕qing質zhi結jie構gou時shi，傳chuan感gan器qi本ben身shen重zhong量liang影ying響xiang顯xian著zhu。可ke能neng對dui待dai測ce結jie構gou總zong質zhi量liang來lai說shuo
，傳chuan感gan器qi的de總zong質zhi量liang很hen少shao

，但dan是shi，參can與yu振zhen動dong的de不bu是shi結jie構gou的de全quan部bu質zhi量liang，而er是shi參can與yu振zhen動dong的de那na部bu分fen質zhi量liang
，稱cheng為wei有you效xiao質zhi量liang，此ci時shi
，傳chuan感gan器qi的de總zong質zhi量liang可ke能neng相xiang對dui於yu結jie構gou的de有you效xiao質zhi量liang會hui很hen大da，此ci時shi傳chuan感gan器qi附fu加jia質zhi量liang的de影ying響xiang會hui很hen明ming顯xian。另ling外wai，傳chuan感gan器qi安an裝zhuang時shi
，可ke能neng還hai會hui使shi用yong工gong裝zhuang，此ci時shi工gong裝zhuang的de質zhi量liang對dui結jie構gou振zhen動dong幅fu值zhi會hui存cun在zai影ying響xiang。對dui於yu一yi些xie小xiao巧qiao輕qing型xing的de結jie構gou振zhen動dong或huo在zai薄bo板ban上shang測ce量liang振zhen動dong參can數shu時shi
，傳chuan感gan器qi和he固gu定ding件jian質zhi量liang引yin起qi的de“額外”荷載可能會改變結構的原始振動，從而使測得結果無效。因此，在這種情況下應該使用小而輕的傳感器

，估算加速度計質量—荷載的影響。

 

4. 選型原則

 

振動加速度傳感器選型原則：

 

1.根據與後續設備的匹配性來選擇傳感器類型，如ICP型調理設備宜用ICP型傳感器，電荷調理設備宜選用壓電式傳感器。

 

2.當對處於工作狀態下的待測結構進行測量時
，宜使用“隔離”傳感器。若傳感器自身不隔離，可在傳感器底部添加絕緣材料作為隔離器件。

 

3.測點位置的振動量級宜為選擇的傳感器量程的60-80%，這樣能保證信噪比高，又不會過載。

 

4.選擇的傳感器的工作頻率範圍略高於實際測量的帶寬即可。

 

5.根據環境因素來選擇合適的傳感器，如測量處的溫度
、濕度應保證選用的傳感器正常工作，且測量幅值不受影響。

 

6.根據測量位置的空間來選擇傳感器尺寸和出線方式。

 

7.對於輕質結構則必須考慮傳感器重量對測量的影響。

 

8.genjuxingyeyingyongxuanzechuanganqi
，rujixiexingyeyixuanyongzhendongliangjida，pinlvpinlvguangdechuanganqi，ertumuxingyeyixuanyongliangchengxiao


，lingmindugao，dipinxingnenghaodechuanganqi。

 

因此，在選擇傳感器時，必須充分考慮以上因素，選擇最合適的傳感器進行測量，盡量減少因傳感器本身給測試帶來的影響。

 

 

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