加速度传感器的正确使用方法

1. 加速度传感器的构造和用途

压电型加速度传感器在灵敏度方面与其他形式的传感器相比，具有较高的共振频率，因此在各个领域被广泛应用。其构造大致分为以下三类。

（a）压缩型

即在基座与质量块中间用螺丝固定压电体的构造。由于机械强度极高，可以对应高强度冲击力的测量。但缺点在于压电体的极化方向与电流输出的方向一致，因此容易受到电热气的影响。但是电热气造成的噪声频率成分是低频（数Hz以下），因此可以通过低通滤波器消除。

图1 压缩型

压缩型传感器的共振频率高，因此不仅适用于一般振动测量，也适用于高速旋转机器、管道泄漏等高频振动测量。

（b）剪切型

因为压电体的极化方向与电流输出方向成 90°垂直，因此几乎没有电热气的输出。（电热气对于极化方向表现在垂直面上）构造如图2中压电体的双面电极上产生错位。

图2 剪切型

（c）挠曲型

与双压电晶片的原理相同，利用了压电体的横向效果。压电体薄板粘接在金属板上，使其弯曲后对压电体施加横向的应力，并根据弯曲程度按比例输出。

图3 挠曲型

根据用途、规格，构造可以分为中心固定、两端固定、一端固定三种方式。挠曲型的共振频率并不是很高，但在低频域中具有高灵敏度，因此适用于地震地基振动、水坝发电站等大型建筑物的微型振动测量。 下面列举出各个类型的优势，请根据应用需求来进行选择。

（压缩型）

机械强度高。（最大使用加速度大）

对于共振频率灵敏度高。（可以对应高频域）

（剪切型）

热噪音小。

基座张力灵敏度小。

与主机重量相比可以制作出灵敏度高的传感器

（挠曲型）

在低频范围内具有极高的灵敏度

可制作出小巧轻便的传感器

1. 加速度传感器的安装方法

固定加速度传感器时最关键的是保证基座底面与振动体表面完全紧密贴合。因此加速度传感器基座的底面是精加工的,而且中心位置有固定传感器用的螺丝孔。理想状态是将振动体表面尽可能的打磨平滑，并在接触面涂抹上硅油或润滑油，用螺丝钳固定牢固。固定状态的好坏直接影响测量效果，特别是在高频特性中影响比较大。

接触面混有铁粉、砂砾等

螺栓倾斜

理想固定状态

螺栓浅

(螺丝长)

图4 加速度传感器的安装方法

但是在实际测量中有很多情况是不能完全满足以上条件的，比如锉刀表面即使研磨也很难达到平滑的程度。这种情况下，涂抹硅油、润滑剂于凹凸表面，提高接触面的刚性、紧密性。

公称直径

标准安装扭矩

M 3

6[kg-cm]

M 4

16

M 5

30

M 6

50

M 8

120

材质：S45C 普通钢

图5 参考安装扭矩

下面对使用各种选配件安装进行说明。

[绝缘螺栓]

绝缘螺栓可将传感器基座与 GND 绝缘开，为了防止接地回路造成的噪声混入。安装时应注意采用与安装传感器同样的步骤，首先将绝缘螺栓安装在传感器上，然后利用绝缘螺栓的六角部分固定在振动体上。此时在接触面涂抹上硅油比较好。另外，安装扭矩请参考图5。

图6绝缘螺栓的安装方法

[磁吸夹具]

振动体属于金属材质的话，可以使用磁吸夹具来固定。根据与振动体的接触状况磁吸夹具的高频特性会有明显不同，因此需要尽量将振动体表面研磨平滑。涂抹硅油后紧密性提高，可以基本达到螺丝固定的高频特性效果。另外，根据传感器质量高频特性会相应变化。

[常规螺帽]

螺栓无法在振动体上直立或无法吸附磁铁时，可以使用粘结剂、双面胶。但是在加速度传感器基座底面直接涂抹粘结剂的话，在拆除时可能会损坏基座底面或粘结剂残留在固定螺丝里面，对今后的测量带来很大影响，因此不推荐此方法。此时可以使用常规螺帽。这种常规螺帽只有一边可固定螺丝，另一边则是平滑的表面，因此适用于使用粘结剂固定的情况。另外，这种常规螺帽安装便利可以再加工。

1. 低噪音电缆

由于压电型加速度传感器的输出电阻非常高，因此电缆在受到机械弯曲变形时产生的静电噪声会对其产生影响。

同轴电缆在受到机械弯曲变形时，如图 10.3.1 所示屏蔽覆盖导体与绝缘体分离，形成局部电容器。再通过摩擦存储电荷，电荷通过导体由电荷放大器放电后就形成了噪音。我们称之为摩擦效应。

图7同轴电缆的摩擦效应

为了降低其影响，不形成局部电容器一般使用低噪声电缆，此类电缆在绝缘体表面进行包膜处理，即使出现导体与绝缘体分离的情况也不会产生电容器，也就不会产生摩擦效应。但是在实际测量中，使用低噪声电缆还是需要固定好尽量不产生机械运动。

1. 低频低速振动测量

在测量低频低速振动时，特别是测量系统整体需要确保高 S/N 比。那就需要选择极高灵敏度的加速度传感器。（P52S 或 P13S 等）根据测量目的选择低频截止频率。如果响应范围超出必要范围扩展到低频，在急剧的温度变化下就会混入电热气噪声，成为S/N比恶化的原因。在温度急剧变化的情况下，如果需要测量数 Hz 以下的话，请选用剪切型加速度传感器。

1. 冲击以及过载振动测量

测量冲击振动时，包括加速度传感器在内的测量系统的过度应答特性十分重要。冲击频率低时，即脉冲幅度变大时零点漂移造成的误差会非常明显。这由系统的低频特性来决定。另外，冲击频率变高时，振铃造成的误差会变大。这由系统的高频特性来决定。零点漂移虽然对波形的实效值没有影响，但在测量峰值时需要考虑进去。特别是通过积分器求得速度、位移时需要注意。 在实际进行冲击测量时，所需要的系统时间常数或固有共振频率的数值，请参考下表(1)、(2) 、(3)中的记录。

<零点漂移造成的误差>

半正弦波

表(1)

单个矩形波

表(2)

<振铃造成的误差>

半正弦波以及半三角波

但将加速度传感器的衰减比定为

。

表(3)

1. 振动物体质量轻的情况

压电型加速度传感器从原理上属于接触型振动传感器。因此进行振动测量时通常会把传感器的动态质量计算进去。传感器的质量最多数10gr，因此对于一般测量没有任何影响。但是在测量质量比较轻的振动体时，加上传感器重量的话就会影响振动体的振动模式。特别是测量轻薄的振动板的共振特性时，加了传感器就会造成共振频率下降。这种情况下，就需要使用小型轻量的传感器了。作为一般的解决方案传感器的自重要保证在被测振动物体质量的 1/10 以下。

但是，

ap：安装加速度传感器时样品的加速度

fp：安装加速度传感器时样品的共振频率

a0：不安装加速度传感器时样品的加速度

f0：不安装加速度传感器时样品的共振频率

m0：样品的有效质量（mg）

mp：传感器的有效质量（mg）

1. 振动物体质量轻的情况

在测量系统有 2 个以上接地点时就会产生接地回路中的交流声。这是由于各个接地点之间有若干的电位差，在测量系统内部产生了接地电流循环。

图8 多点接地的接地回路

为了防止交流声的产生系统整体采用单点接地。因此需要使用绝缘型的加速度传感器，使用绝缘螺栓或绝缘磁吸夹具比较好。系统整体的接地最理想的是从在最后一段的测量仪的输入端接地中获取。因此不仅是传感器，放大器以及测量仪都需要采用浮地技术。