使用加速度計(jì)作為振動(dòng)傳感器的微妙之處是什么

加速度計(jì) 是看起來(lái)簡(jiǎn)單的設(shè)備,但是復(fù)雜的機(jī)電系統(tǒng)。但是當(dāng)使用加速度計(jì)時(shí),有許多機(jī)械、環(huán)境、電子和應(yīng)用相關(guān)的因素需要考慮。

頻率范圍和共振誤差

加速度計(jì)的振動(dòng)能通常在10赫茲至1千赫茲的頻率范圍內(nèi)較高。有兩個(gè)主要因素可以限制加速度計(jì)在較低頻率的操作。一個(gè)可以是低頻截止放大器,但這只是一個(gè)問(wèn)題,在極端情況下測(cè)量振動(dòng)遠(yuǎn)低于1赫茲。另一種是環(huán)境溫度波動(dòng)的影響,在低頻率時(shí),這種影響尤其成問(wèn)題。使用剪切式加速度計(jì)可以最大限度地減小低頻率溫度變化的影響。

有些應(yīng)用可能需要10千赫或更高的測(cè)量,并可能需要特殊處理。上限由加速度計(jì)的共振頻率決定。一般的規(guī)則是,將加速器的共振頻率設(shè)置在大約三分之一的上射頻限制將消除與共振引起的測(cè)量誤差有關(guān)的擔(dān)憂(yōu)。對(duì)于能夠產(chǎn)生高達(dá)175千兆赫的共振頻率的小型加速度計(jì)來(lái)說(shuō),這就不那么重要了。

對(duì)于輸出量較高的大型通用加速計(jì),共振頻率可低至20千赫。由于加速度計(jì)固有的共振,這些加速度計(jì)可能會(huì)在高頻發(fā)生共振誤差。當(dāng)進(jìn)行寬帶讀取時(shí),這可能會(huì)導(dǎo)致測(cè)量錯(cuò)誤。選擇一個(gè)頻率范圍較寬的設(shè)備,加上一個(gè)低通濾波器,通常包括在振動(dòng)傳感器和預(yù)放大器中,可以減少加速度計(jì)共振引起的問(wèn)題。另一個(gè)選擇是,當(dāng)測(cè)量在低頻率時(shí),高頻共振效應(yīng)可以通過(guò)機(jī)械濾波器來(lái)減輕,比如加速度計(jì)和安裝表面之間的橡膠層。

敏感性

靈敏度是加速計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵規(guī)格。它在參考頻率下量化振動(dòng)和電壓之間的轉(zhuǎn)換,并在mv/g中指定,通常是頻率相關(guān)的。例如,如果一個(gè)加速度計(jì)的靈敏度為100mv/g,它在測(cè)量10g加速度時(shí)產(chǎn)生1V的輸出。在校準(zhǔn)過(guò)程中測(cè)量單個(gè)加速度計(jì)的靈敏度。由于它可能與頻率有關(guān),因此需要在可用頻率范圍內(nèi)進(jìn)行全面的靈敏度校準(zhǔn)。低靈敏度加速度計(jì)一般用于測(cè)量高亮度振動(dòng),而高靈敏度單元用于低亮度應(yīng)用 .

殘余噪音

殘余噪聲水平?jīng)Q定了傳感器能夠測(cè)量的最低幅值.使用具有最佳測(cè)量范圍的加速度計(jì)是很重要的。測(cè)量范圍更廣的加速度計(jì)也會(huì)受到更大的殘余噪聲水平的影響。集成電子壓電加速度計(jì)中的內(nèi)部電子可提供非常高的動(dòng)態(tài)范圍。電荷傳感器可以提供類(lèi)似的動(dòng)態(tài)范圍,但它們可以敏感地處理與布線(xiàn)和其他因素有關(guān)的噪音問(wèn)題。電容和MEMS加速度計(jì)的動(dòng)態(tài)范圍通常較窄。

重量

由于質(zhì)量負(fù)荷效應(yīng),加速度計(jì)重量是一個(gè)重要的考慮因素.任何添加到結(jié)構(gòu)中的質(zhì)量都會(huì)增加組合結(jié)構(gòu)的整體質(zhì)量,并改變其動(dòng)態(tài)(振動(dòng))行為。一般而言,加速度計(jì)的重量不應(yīng)超過(guò)所安裝的振動(dòng)元件重量的10%。

安裝

如何安裝加速度計(jì)會(huì)影響它的運(yùn)行,特別是它的頻率限制。有許多正在增加的選擇,其中最常見(jiàn)的四個(gè)是:

· 手持或探測(cè)器提示

· 磁的

· 粘著的

· 支柱

手持式、磁性和粘合劑通常只用于短期或現(xiàn)場(chǎng)加速度測(cè)量。附件安全性越低,可測(cè)量頻率限制就越低。此外,添加質(zhì)量,如粘合劑或磁性安裝底座降低共振頻率,限制可用頻率范圍,并可降低準(zhǔn)確性的加速度計(jì)。大多數(shù)為各種安裝風(fēng)格設(shè)計(jì)的加速計(jì)包括數(shù)據(jù)表中關(guān)于安裝如何影響性能的信息。錨桿安裝是最堅(jiān)固和生產(chǎn)最佳的整體性能,但需要一個(gè)孔被鉆到安裝表面,一般用于永久安裝。

環(huán)境限制

操作溫度范圍、濕度和接觸化學(xué)品等環(huán)境因素會(huì)影響加速度計(jì)的性能。在具有挑戰(zhàn)性的工業(yè)環(huán)境中,用不銹鋼包裝的加速度計(jì)可以處理腐蝕和化學(xué)物質(zhì)。

許多加速度計(jì)中使用的壓電材料都與溫度有關(guān),環(huán)境溫度的變化將引起設(shè)備靈敏度的變化。當(dāng)受溫度波動(dòng)時(shí),壓電加速度計(jì)的輸出量會(huì)有所不同。這些溫度瞬態(tài)對(duì)于低頻振動(dòng)或低級(jí)別傳感器輸出來(lái)說(shuō)特別麻煩。將傳感元件連接在中心柱和地震質(zhì)量之間的剪切式加速度計(jì)通常對(duì)溫度瞬態(tài)的敏感性較低。

沒(méi)有集成電子的充電模式加速度計(jì)最適合高溫操作。其工作溫度范圍僅受傳感技術(shù)和包裝材料的限制.但由于缺乏集成電子設(shè)備,這些設(shè)備可能需要外部放大器或電荷轉(zhuǎn)換器,需要低噪聲布線(xiàn),以最大限度地降低對(duì)噪聲的敏感性。iepe加速度計(jì)可以消除對(duì)低噪音電纜的需求,但由于集成放大器,它們的最大工作溫度較低。

當(dāng)加速度計(jì)連接到高溫表面時(shí),熱管理是很重要的。例如,在基座和加速度計(jì)之間可以安裝帶有熱潤(rùn)滑脂的散熱器和云母清洗機(jī),使傳感器保持在250℃左右,即使測(cè)量表面超過(guò)350℃。強(qiáng)制氣流可以提供額外的冷卻。MEMS和Eepe的工作溫度受內(nèi)部電子設(shè)備的限制,通常從-40℃到125℃。

電纜的

電纜可能是一個(gè)問(wèn)題,加速度計(jì),特別是具有高輸出阻抗的壓電加速度計(jì)。例如,當(dāng)同軸電纜彎曲、扭曲或壓縮時(shí),電容中的局部機(jī)會(huì)會(huì)由于摩擦電效應(yīng)而產(chǎn)生電荷傳輸。感應(yīng)電荷傳輸干擾了用電荷傳感器測(cè)量低振動(dòng)。低噪聲電纜,如玻璃化加速度計(jì)電纜,可以用來(lái)緩解這個(gè)問(wèn)題。此外,電纜應(yīng)該用夾子、膠帶或膠水固定,以降低移動(dòng)的可能性。

強(qiáng)電磁場(chǎng)也會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤信號(hào),特別是電荷傳感器。電纜應(yīng)遠(yuǎn)離電磁干擾源,如發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)和開(kāi)關(guān)式電源轉(zhuǎn)換器。

iepe加速度計(jì)通常不需要特別的低噪音電纜,可以與標(biāo)準(zhǔn)的同軸布線(xiàn)一起使用。第三種選擇是使用鄰近探測(cè)器。與傳統(tǒng)的加速度計(jì)相比,這些探針是非接觸設(shè)備。它們測(cè)量到目標(biāo)的距離,可以用來(lái)監(jiān)測(cè)振動(dòng)。近距離探測(cè)器通常被用來(lái)測(cè)量像旋轉(zhuǎn)軸這樣的結(jié)構(gòu)中的振動(dòng),在那里不可能附加傳統(tǒng)的加速度計(jì)。

TEDS兼容性

智能傳感器可以采用ISO/IC/IEEE214-51-4:2010"信息技術(shù)-傳感器和執(zhí)行器的智能傳感器接口-第4部分:混合模式通信協(xié)議和傳感器電子數(shù)據(jù)表格式"中概述的技術(shù)。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)是基于IEEE1451開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)系列智能傳感器通信。

TEDS使諸如加速度計(jì)之類(lèi)的傳感器能夠以一種插裝和使用的方式使用,從而無(wú)需手動(dòng)安裝和安裝。一個(gè)典型的TEDS芯片是一個(gè)小型的EPROM,包括如下數(shù)據(jù):

· 傳感器類(lèi)型

· 序列號(hào)

· 型號(hào)名稱(chēng)

· 校正數(shù)據(jù)

· 制造商名稱(chēng)

該標(biāo)準(zhǔn)定義了兩類(lèi)TEDS設(shè)備:

第一類(lèi) 設(shè)備對(duì)模擬信號(hào)和TEDS數(shù)字通信都使用相同的電線(xiàn)。在讀取TEDS數(shù)據(jù)時(shí),傳感器輸出會(huì)被逆轉(zhuǎn),以防止任何干擾。

第2類(lèi) 設(shè)備使用單獨(dú)的電線(xiàn)進(jìn)行模擬信號(hào)和TEDS數(shù)字通信.這是常見(jiàn)的在翻新情況下,當(dāng)一個(gè)TEDS芯片添加后,傳感器已經(jīng)生產(chǎn)。

總結(jié)

使用加速度計(jì)作為振動(dòng)傳感器,需要仔細(xì)注意與環(huán)境、機(jī)械裝配、電纜、信號(hào)調(diào)節(jié)電子和其他因素有關(guān)的許多細(xì)節(jié),以確?？煽亢蜏?zhǔn)確的操作。加入TEDS技術(shù)可以加速這些傳感器的部署。