發布日期：2022-10-09 點擊率：84
加速度傳感器為滿足使用中的工況環境和量程、精度等需求，要做正確的選型，我們來了解一下加速度傳感器有哪些技術要求。
加速度傳感器的選型要求
靈敏度
傳感器的靈敏度是傳感器的最基本指標之一。傳感器的靈敏度應根據被測振動量（加速度值）大小而定，但由于壓電加速度傳感器是測量振動的加速度值，而在相同的位移幅值條件下加速度值與信號的頻率平方成正比，所以不同頻段的加速度信號大小相差甚大。
大型結構的低頻振動其振動量的加速度值可能會相當小，例如當振動位移為 1mm, 頻率為1 Hz 的信號其加速度值僅為0.04m/s2(0.004g)；然而對高頻振動當位移為0.1mm，頻率為10 kHz的信號其加速度值可達4 x 10 5m/s2(g)。因此盡管壓電式加速度傳感器具有較大的測量量程范圍，但對用于測量高低兩端頻率的振動信號，選擇加速度傳感器靈敏度時應對信號有充分的估計。
最常用的振動測量壓電式加速度計靈敏度，電壓輸出型（IEPE 型）為50~100 mV/g，電荷輸出型為10 ~ 50 pC/g。
量程范圍
加速度值傳感器的測量量程范圍是指傳感器在一定的非線性誤差范圍內所能測量的最大測量值。通用型壓電加速度傳感器的非線性誤差大多為1%。作為一般原則，靈敏度越高其測量范圍越小，反之靈敏度越小則測量范圍越大。
IEPE電壓輸出型壓電加速度傳感器的測量范圍是由在線性誤差范圍內所允許的最大輸出信號電壓所決定。而電荷輸出型測量范圍則受傳感器機械剛度的制約，在同樣的條件下傳感敏感芯體受機械彈性區間非線性制約的最大信號輸出要比IEPE型傳感器的量程大得多，其值大多需通過實驗來確定。
一般情況下當傳感器靈敏度高，其敏感芯體的質量塊也就較大，傳感器的量程就相對較小。同時因質量塊較大其諧振頻率就偏低這樣就較容易激發傳感器敏感芯體的諧振信號，結果使諧振波疊加在被測信號上造成信號失真輸出。因此在最大測量范圍選擇時，也要考慮被測信號頻率組成以及傳感器本身的自振諧振頻率，避免傳感器的諧振分量產生。同時在量程上應有足夠的安全空間以保證信號不產生失真。
測量頻率范圍
傳感器的頻率測量范圍是指傳感器在規定的頻率響應幅值誤差內（±5%, ±10%, ±3dB）傳感器所能測量的頻率范圍。頻率范圍的高，低限分別稱為高，低頻截至頻率。截至頻率與誤差直接相關，所允許的誤差范圍大則其頻率范圍也就寬。作為一般原則，傳感器的高頻響應取決于傳感器的機械特性，而低頻響應則由傳感器和后繼電路的綜合電參數所決定。高頻截止頻率高的傳感器必然是體積小，重量輕，反之用于低頻測量的高靈敏度傳感器相對來說則一定體積大和重量重。
選擇加速度計的頻率應高于被測物的振動頻率，有倍頻分析要求的加速度計頻響應更高。土木工程是低頻，加速度計可選擇0.2Hz～1kHz左右，機械設備一般是中頻段，可根據設備轉速、設備剛度等因素綜合估計頻率，選擇0.5Hz～5kHz的加速度計。沖擊測量高頻居多。
內部結構
內部結構是指敏感材料晶體片感受振動的方式及安裝形式，有壓縮和剪切兩大類，常見的有中心壓縮、平面剪切、三角剪切、環型剪切。中心壓縮頻響高于剪切型，剪切型的環境適應性好于中心壓縮型。如配用積分型電荷放大器測量速度、位移時，最好選用剪切型產品，這樣所得信號波動小，穩定性好。
輸出型式
取決于系統和加速度傳感器之間的接口。一般模擬輸出的電壓和加速度是成比例的，比如2.5V對應0g的加速度，2.6V對應于0.5g的加速度。數字輸出一般使用脈寬調制（PWM）信號。
如果使用的微控制器只有數字輸入，比如BASIC Stamp，那就只能選擇數字輸出的加速度傳感器了，但是必須占用額外的一個時鐘單元用來處理PWM信號，同時對處理器也是一個不小的負擔。
如果使用的微控制器有模擬輸入口，比如PIC/AVR/OOPIC，可以非常簡單的使用模擬接口的加速度傳感器，所需要的就是在程序里加入一句類似"acceleration=read_adc()"的指令，而且處理此指令的速度只要幾微秒。
內置電路
內置的概念是將電荷/電壓轉換放大電路置于加速度計內，成為具有電壓輸出功能的傳感元件。它可分雙電源(四線)及單電源(二線并帶偏置的稱ICP)兩種，下面所指內裝電路專指ICP型。
目前，內置電路傳感器在國內使用較多的方面是用于機械故障、樁基檢測，不少在線監測項目上也在使用該類產品。
ICP傳感器的芯線作供電并又是信號輸出通道。內置電路傳感器靈敏度的選型計算：
如選用目前最為通用的100mV/g,可測50g以內振動，因為該傳感器動態范圍±5Vp，如測量100g，則用50mV/g的加速度計，其余以此類推。
內置電路的優勢是低價位，抗干擾好，可長線使用，但它的耐高溫、可靠性不如電荷輸出產品，且動態范圍也因輸出電壓和偏置電壓的作用而受到限制。
測量軸數量
對于多數項目來說，兩軸的加速度傳感器已經能滿足多數應用了。對于某些特殊的應用，比如UAV，ROV控制，三軸的加速度傳感器可能會適合一點。
三軸加速度傳感器可以實現雙軸正負90度或雙軸0-360度的傾角，通過校正后期精度要高于雙軸加速度傳感器大于測量角度為60度的情況。
三軸加速度傳感器具有體積小和重量(gm)輕特點，可以測量空間加速度，能夠全面準確反映物體的運動性質，在航空航天、機器人、汽車和醫學、消費電子等領域得到廣泛的應用。
外部環境的影響
某些測試現場的環境較為惡劣，考慮的因素較多，如防水、高溫、安裝位置、強磁電場及地回路等，均會給測量帶來極大的影響。
防水：
防水有兩個概念，淺層防水和深層防水，尤以深層防水為難，如三峽工程永久船閘閘門的振動監測，水深近百米，它涉及地回路干擾、高壓滲水、導線防護、長期可靠性等諸多問題。
溫度影響：
溫度改變而引起傳感器輸出變化是由壓電材料（敏感芯體）特性所造成的。傳感器輸出與溫度間并不呈線性變化，一般說低溫時的輸出變化比高溫時的要大。另因為各傳感器的溫度響應很難保持一致，所以實際使用中傳感器的輸出一般很少用溫度系數進行修正。
需要特別指出溫度變化有穩態和瞬態兩種，傳感器輸出靈敏度隨溫度變化通常是指穩態高低溫度狀態對信號輸出的影響。瞬態溫度變化對傳感器輸出的影響主要表現在低頻測量中。
多數廠商給出的溫度范圍為可用值，而不是高溫狀況的靈敏度，實際上，高溫時靈敏度偏差較大，特殊用戶應向廠商索取專用的高溫時的靈敏度指標，靈敏度指標是保證測試準確的關鍵。
位置限制：
加速度計永久安裝在現場會受到人為碰撞，應選擇工業型產品，在加速度計外加裝防護罩，這可同時起絕緣、防塵的作用，對出線方向有要求也應向廠商提出，對于不能觸及的部位，可用手持式加速度計(帶長探針)。
絕緣、地回路及磁電場輻射：
為了克服多點接地產生地回路電流影響測試，可以選用浮地或絕緣傳感器。沒有特殊要求且干擾不大的工況，可用絕緣型加速度計。而永久型監測或干擾大的工況則應采用浮地型。這二種命名的區別在于絕緣型傳感器的外殼為信號地，底座采取絕緣方法，而浮地型產品的外殼為屏蔽層，要采取三線方式。
聲波和磁場對傳感器的作用而引起的信號輸出的大小與傳感器靈敏度的比值被稱作為壓電傳感器的聲靈敏度和磁靈敏度。最直接減小傳感器聲靈敏度的方法是增加傳感器外殼的厚度，絕大多數傳感器的這一指標都能滿足通常的測量條件。為降低傳感器磁靈敏度最直接的措施是金屬零部件盡量采用無磁或弱磁的材料，另外雙層屏蔽殼結構形式也能較好地減小傳感器的磁靈敏度。
附加質量：
在振動結構上安裝的加速度計的質量只要小于結構自身質量的1/10即可，認為對被測信號無大影響。
配套儀器
壓電類加速度計如是電荷輸出，可與任何一種高阻輸入的電荷放大器或具有電荷前置功能的采集器相配，電荷放大器種類較多，有單臺、多路、積分、準靜態，這都要根據測量要求進行選擇。
也有特例，如直接將壓電傳感器的輸出信號接入具有一定高阻性能的三次儀表(如示波器)，同樣可測得信號，但因阻抗匹配不夠，只能是定性了解動態狀況。
ICP型內置式加速度計專門有恒流適配器，一臺儀器可供多只加速度計的恒流供電及信號輸出。部分數據采集儀器也自帶恒流功能，可直接與ICP傳感器配用。
普通電荷輸出型傳感器如與具有恒流輸出的數據采集器配套，可采用JM3861恒流適調器。
雙電源加速度計可由采集器提供雙電源或用雙路直流穩壓電源供電。
加速度傳感器的安裝
用加速度計進行測量，為使數據準確和使用方便，可使用多種方法安裝，這有幾種，供大家選擇應用。
1. 螺釘安裝
使用螺釘安裝，它的使用頻率響應可近似原標定的頻率響應，且稱剛性安裝。螺釘安裝是在允許打孔的被測物上沿振源軸線方向打孔攻絲。
2. 粘接安裝
在被測物體不允許鉆孔時，可使用各種粘接劑，如“502”、環氧樹脂膠、雙面粘膠帶、橡皮泥。應注意，前二種方法的使用頻率接近剛性安裝方法，后兩種一般用于低頻現場，且會使被測頻率大大降低。粘接方法不適合沖擊測量。
3. 磁座
磁座的優點是不破壞被測物體，移動方便。但是應考慮用磁座測試會使加速度計的使用頻率響應有所下降(磁座在使用時要將短于路片拆卸掉！)，可能低于三分之一。使用時應先在被測物上安裝磁座，再擰上傳感器，或者將二者輕輕吸附于被測物上。沖擊狀態會使傳感器產生電荷積累，影響測試精度。
4. 云母片/四氟膜
云母片安裝有兩個作用，隔熱、絕緣。對高溫狀態試件，可用厚度<0.1毫米的云母片墊置，其加速度計頻率響應會略有降低。對試件與加速度計間的絕緣，云母與四氟是最佳材料。
5. 三向傳感器安裝
為螺絲穿過通孔安裝，側端螺紋供檢測或測試用。
加速度傳感器排障處理
加速度傳感器在運行過程中的常見故障和排除的方法，我們用下面這張表羅列：
故障類別
故障的具體表現
可能造成故障的原因
可能解決故障的方法
測量偏置電壓結果
偏置電壓不正確
偏置電壓等于供電電壓
因電纜連接或加速度傳感器內部連線斷開而造成，更換電纜或傳感器。
偏置電壓接近零
因電纜連接或加速度傳感器內部連線短路而造成，更換電纜或傳感器。
偏置電壓偏大或偏小，實際偏置電壓超出正常偏置電壓±2V的范圍
加速度傳感器內置電路工作不正常，更換傳感器。
由環境溫度不穩定地變化，造成偏置電壓漂移。加裝隔熱護套或更換傳感器。
偏置電壓不穩定
偏置電壓來回漂動，不能穩定
由傳感器內部電路不穩定而造成，更換傳感器。
偏置電壓正確
傳感器內部敏感芯體損壞
更換傳感器。
靈敏度問題
靈敏度低
加速度傳感器敏感芯體的絕緣阻抗下降
將加速度傳感器在其使用溫度范圍內烘焙，靈敏度可以再回升，但一般會再下降。
傳感器敏感芯體的壓電系數衰減
重新對傳感器進行標定。
靈敏度偏差大
在非室溫的環境下，由于壓電材料溫度響應系數過大而造成的靈敏度偏差
選用溫度響應系數偏差小的傳感器
大測量信號失真
信號輸出變小
由于供電電壓降低而造成測量量程范圍減小
更換電池或更正供電電壓
因環境溫度與室溫不同而導致的偏置電壓超出規定的范圍
采用偏置電壓穩定的傳感器
由加速度傳感器的非線性造成
采用量程大的傳感器
在長距離信號輸送時，恒流電壓源的恒電流不夠大
根據信號頻率幅值選擇正確的電壓源恒電流
偏置電壓不穩定
輸出信號與高頻諧次波疊加
一般由傳感器的諧振頻率造成，選擇諧振頻率較高的傳感器
小測量信號失真
信號忽大忽小不穩定
由瞬態溫度變化以至偏置電壓忽大忽小而造成輸出信號不穩定
采用偏置電壓穩定的傳感器
外界環境噪聲對測量信號的影響
接地回路造成的噪聲
避免多點接地，傳感器采用對地絕緣。
電磁波的影響
采用雙層屏蔽殼的傳感器。
強聲場的影響
采用雙層屏蔽殼的傳感器將有助于降低強聲場對加速度傳感器的影響。
瞬態環境溫度變化
對用于超低頻測量的高靈敏度傳感器必須采用隔熱護套。
被測點的基座應變影響
選用基座應變小的剪切型加速度傳感器，盡量減小傳感器與被測物體間的接觸面積。
測量系統噪聲對測量信號的影響
加速度傳感器自身的電噪聲
檢定傳感器噪聲，選擇信噪比合適的傳感器。
電纜引起的電噪聲
往往發生在與電荷輸出型傳感器配用的低噪聲電纜，換用好的低噪聲屏蔽電纜。
傳感器供電電源噪聲
選用低噪聲供電電源或采用電池供電。
數采系統的量程設置
選擇合適的量程
低頻測量信號失真
系統低頻響應差
加速度傳感器低頻響應的截至頻率不夠低
檢查傳感器的低頻響應（可通過測量時間常數來判斷）, 選用低頻好的傳感器。
與傳感器配套使用的恒流電壓源或電荷放大器的截至頻率不夠低
正確選用恒流電壓源和電荷放大器的低頻截至頻率。
系統低頻信噪比差
加速度傳感器的低頻噪聲大
低頻時傳感器的信噪比會顯著下降，選用滿足低頻信噪比指標的傳感器。
外界對測量信號的影響
瞬態環境溫度影響
對傳感器采用隔熱護套，選用溫度響應系數小的傳感器。
高頻測量信號失真
高頻信號增大
由加速度傳感器安裝方式引起的高頻信號失真 （增大）
調整安裝方式，增加安裝接觸剛度，提高傳感器的高頻測量范圍。
加速度傳感器內部敏感芯體諧振頻率低
選用諧振頻率高，高頻響應好的傳感器。
加速度傳感器安裝絕緣底座連接剛度差
重新選擇高剛度絕緣安裝底座
高頻信號減小
在長距離信號輸送時，恒流電壓源的恒電流不夠大
根據信號頻率幅值選擇正確的電壓源恒電流
隨著智能手機等消費類電子的普及，要求設備具備更高的功能和可設計性，在這種情況下，對組件的高度集成化和小型化低功耗的需求強勁。小型封裝的3軸加速度傳感器和3軸陀螺儀的復合傳感器的漸漸出現，不但具有以上小型封裝陀螺儀的各種特點和功能，同時還擁有業界領先的低耗電量，僅為4mA。他們適應了智能手機、平板電腦、游戲機、遙控器及其他小型智能設備，以及迎接人工智能時代的到來。
加速度傳感器的基本原理
線性加速度傳感器屬于不需要參照靜止坐標系的慣性傳感器類。它們被連接到移動平臺。 名稱中的“慣性”是指在運動中需具有足夠大的慣性。在導航設備中，加速度傳感器與陀螺儀配合使用，通常包含3個正交的速率陀螺儀和3個正交的加速度傳感器，分別測量角速度和線加速度。通過處理來自這些裝置的信號，就可以跟蹤運動物體的位置和方向。
加速度傳感器被用于測量物體受到包括重力在內的外力所產生的加速度。雖然重力通常是一個指向質量塊重心的恒力，但其他力可以在一個寬的幅度和頻率范圍內變化大小和方向。 因此，典型的加速度傳感器應可以響應于各種形式的加速度———從勻速到緩慢移動再到強沖擊和振動。
從牛頓第二定律可知，定義加速度矢量為a=F/m,式中，F為力矢量；m為受引起加速度的力作用的物體質量（標量值)。
因此，質量、加速度和力都互相聯系。 加速度的方向與力的方向相同。上式表明，為了測量加速度，我們需要提供已知質量 m并測量由該質量施加在力傳感器上力的大小 F。 力傳感器是加速度傳感器的關鍵部件， 其包括兩個零部 件: 一個在力的作用下變形的彈簧和一個用于確定變形量的變形傳感器。
轉換理論與特性
單軸加速度傳感器可定義為一個由質量物體（有時稱為質量塊或激振質量塊）、彈簧狀支撐系統、具有阻尼特性的框架結構（見下圖），以及位移傳感器組成的單自由度裝置。 為了制造一個功能加速度傳感器，其外殼需連接到運動平臺。
質量塊 m由壓縮彈簧支撐，該彈簧允許質量塊上下運動。接下來，質量塊連接到另外兩個部件:阻尼器和位移傳感器。阻尼器減慢質量塊運動速度，而位移傳感器確定質量塊相對于空檔（無加速度）時的位置。
將加速度傳感器用于特殊應用時， 必須回答下列問題:
1） 振動或線性加速度的期望幅值是多少？
2） 工作溫度是多少？ 環境溫度的變化有多快？
3） 期望的頻率范圍是多少？
4） 所需線性度和精度是多少？
5） 最大容許尺寸是多少？
6） 可以提供何種類型的電源？
7） 是否應用于腐蝕性強或高濕度環境？
8） 預期過載有多大？
9） 是否應用于強聲場、 電磁場或靜電場環境？
10） 是否機械接地？
（
51
）
Int.CI?
權利要求說明書
說明書
幅圖
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54
）發明名稱
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提高加速度傳感器精度的裝置
（
57
）摘要
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本實用新型提供了一種提高加速度傳
感器精度的裝置，包括：第一加速度傳感器
和第二加速度傳感器，其中，第一加速度傳
感器和第二加速度傳感器用于同時測量同一
物體移動時的加速度，第一加速度傳感器和
第二加速度傳感器反向、平行的安裝在同一
物體的移動方向的兩側。由于本實用新型中
利用兩個加速度傳感器反向、平行的安裝方
式，實現了快速簡單的對加速度傳感器進行
“標零偏”的工作，可以及時的校正加速度
傳感器的“零偏”。
RS9000是Colibrys
新型的開環MEMS電容式加速度傳感器。RS9000實現了在嚴酷環境下高等級慣性和高穩定性等測量方面的重大突破，新型的RS9010.B是基于新MEMS單元，采用Colibrys
新技術實現的加速度傳感器，此款RS9000是專門為實現高穩定的零偏和比例因子而設計的，同時改善了振動整流性能，并增強了溫度特性。
RS9000外接開環電子線路，適用于長期穩定性，該集成電路提供與加速度成比例的輸出電壓，同時提供與溫度成比例的輸出，以進一步實現系統級的溫度補償。新型的RS9000外型與之前的MS9000兼容，但要求外加高精密匹配電阻，以確保外部參考電壓（VAGND）的精確和穩定。
RS9010.B 單電源電壓供電（+2.5V至+5.5V），低功耗（< 0.5mA @
5V），在+5V電源電壓條件下，對全量程的加速度范圍，比率輸出的模擬電壓介于+0.5 V至+4.5
V之間，該傳感器采用完全自備式LCC 20陶瓷封裝，因此保證了產品的全密閉性。
西安測控自主研發并生產陀螺、加速度計、傾角傳感器、磁羅盤等慣性產品，與此同時提供慣性導航系統及組合導航系統，小型化、低成本的組合導航系統廣泛應用于無人機、車載動中通、智能駕駛、水面裝配、無人水下航行器，公司為各類火箭彈、智能炮彈等提供姿態控制解決方案，并為無人駕駛系統提供導航、飛控一體化平臺，測控在產品技術及產品在國內處于位置，廣泛應用于工業及軍等行業，并廣泛替代同類進口產品。
西安測控是瑞士Colibrys
RS9000授權代理商，提供測試MS8000/MS9000系列,震動測試VS1000/VS9000系列,高精度RS9000系列,高過載測試HS8000系列,傾斜測試MS9001/RS9002系列,高溫測試TS1000系列等Colibrys加計。
相關產品：高精度加速度傳感器 , 高精度mems傳感器
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