對于大多數工程應用來說，選擇合適的測試工具對測試結果有很大的影響。本文將幫助讀者正確選擇加速度傳感器。先說傳感器的分類和原理。

加速度傳感器的基本類型

一般來說，加速度傳感器有兩種:交流響應加速度傳感器和DC響應加速度傳感器。

作為具有交流響應的加速度傳感器，顧名思義，其輸出是交流耦合的。這種傳感器不能用于測試靜態加速度，如重力加速度和離心加速度。它們只適用于測量動態事件。具有DC響應的加速度傳感器具有DC耦合輸出，可以響應低至0 Hz的加速度信號。因此，具有DC響應的加速度傳感器適用于測試靜態和動態加速度。選擇具有DC響應的加速度傳感器不僅需要測試靜態加速度。

加速度、速度、位移

許多振動研究需要獲得加速度、速度和位移信息，這些信息是工程師設計和驗證結構的重要信息。一般來說，加速度提供了一個很好的參考，而速度和位移是計算中需要的變量。為了從加速度計算速度和位移，從傳感器輸出的加速度信號將以數字或模擬形式分別被積分一次和兩次。這可能會導致交流耦合傳感器出現問題。

為了演示這個問題，假設使用交流傳感器來測量寬脈沖半正弦波信號。由于固有AC RC時間常數的限制，傳感器的輸出不能很好地匹配輸入脈沖。出于同樣的原因，在脈沖結束時，傳感器輸出將產生負零偏置。

這種看似很小的幅度差異在積分后會產生很大的誤差。而具有DC響應的加速度傳感器則沒有這樣的問題，因為它的輸出可以精確地跟隨緩慢變化的輸入。在實際的日常應用中，輸入信號可能不是簡單的半正弦脈沖，但在用交流耦合傳感器測試任何緩慢變化的信號時，這樣的問題總是會存在?，F在我們來看看各種常用的加速度傳感器技術。

交流響應加速度傳感器

* * *常用的交流響應加速度傳感器采用壓電元件作為其敏感單元。當有加速度輸入時，傳感器中的檢測質量“運動”使壓電元件產生與輸入加速度成正比的電荷信號。從電學角度看，壓電元件就像一個有源電容，其內阻為10？歐姆級。RC時間常數由內部電阻和電容決定，這也決定了傳感器的高頻通過特性。因此，壓電加速度傳感器不能用于測量靜態事件。壓電元件可以來自自然，也可以是人造的。它們具有不同的信號轉換效率和線性度。市場上有兩種類型的壓電加速度傳感器——電荷輸出型和電壓輸出型。

電荷輸出加速度傳感器

主壓電加速度傳感器采用鋯鈦酸鹽陶瓷，工作溫度范圍寬，動態范圍寬，頻率范圍寬(可用頻率為10kHz)。電荷輸出加速度傳感器將壓電陶瓷封裝在氣密金屬外殼中。由于其抗惡劣環境的能力，具有非常好的耐久性。由于其高阻抗，傳感器需要使用電荷放大器和低噪聲屏蔽電纜，尤其是同軸電纜。

低噪聲電纜意味著它具有低摩擦電噪聲，這是由電纜本身的運動產生的噪聲。許多傳感器制造商也提供這種低噪聲電纜。電荷放大器連接電荷輸出加速度傳感器，可以消除電纜電容和傳感器電容并聯帶來的影響。借助先進的電荷放大器，電荷輸出加速度傳感器可以輕松實現寬動態響應(120dB)。由于壓電陶瓷的工作溫度范圍很寬，一些傳感器可以在-200°C到+400°C甚至更寬的溫度環境中使用。它們特別適用于極端溫度下的振動測試，例如渦輪發動機的監控。

電壓輸出加速度傳感器

另一種壓電加速度傳感器輸出電壓信號而不是電荷信號。傳感器內部包含一個電荷放大器。有3線(信號、接地和電源)和2線(信號/電源和接地)電壓模式傳感器。2線壓電傳感器也稱為集成電路壓電傳感器(IEPE)。IEPE非常受歡迎，因為它可以方便地通過同軸線(2線，芯線和屏蔽線)連接。在這種模式下，交流信號疊加在DC電源上。在輸出端串聯一個耦合電容可以去除傳感器的DC偏置電壓，從而只獲得傳感器信號輸出。

許多現代儀器都提供IEPE/ICP3輸入接口，可以直接與IEPE傳感器連接。如果IEPE電源接口不可用，第一階段需要一個帶恒流源的信號放大器和IEPE傳感器。3線傳感器需要單獨的DC電源線。

與電荷輸出加速度傳感器不同的是，電壓輸出加速度傳感器除了壓電陶瓷元件外還包括一個微電路，電路的工作溫度范圍限制了傳感器的整體工作溫度范圍，通常不超過125°C，也有一些設計改進到了175°C，但在其他方面會有所退化。

可用動態范圍——由于壓電陶瓷元件具有極寬的動態范圍，電荷輸出加速度傳感器的范圍定義非常靈活，因為其滿量程可以由用戶通過遠程電荷放大器自由調節。然而，電壓輸出加速度傳感器有一個設定的滿量程，由內部電荷放大器決定。一旦被工廠生產出來，就再也無法改變了。

壓電式加速度傳感器可以做成很小的封裝，因此適用于輕型結構的動態測試。

DC響應加速度傳感器

兩種技術常用于制造DC響應加速度傳感器:電容式和壓阻式。

電容型

電容式加速度傳感器(隨著加速度的變化，電容因檢測質量而變化)是當今通用的。在某些領域是不可替代的，比如安全氣囊，手機，移動設備。高輸出使得這種傳感器成本低。然而，這種低成本傳感器受到低信噪比和有限動態范圍的限制。所有電容式加速度傳感器都有一個內部時鐘(~500kHz)，它是檢測電路中必不可少的一部分，泄漏往往會干擾輸出信號。這種噪聲的頻率遠高于測量信號的頻率，一般不會影響測量結果，但它總是與測試信號疊加在一起。由于內置放大器芯片，一般有三線(或四線差分輸出)接口。只要有DC電源，它就能工作。

電容式加速度傳感器的工作帶寬一般限于幾百Hz，部分原因是其內部結構較大，空氣阻尼較大。電容式加速度傳感器適用于測量低量程加速度，其上限一般在100g g以內，除了這些限制外，現代電容式加速度傳感器，尤其是儀器級器件，線性度好，穩定性高。

電容式加速度傳感器通常適合車載測試，成本低是一個原因。對于低頻運動測試，加速度一般較低，因此它們是理想的選擇。例如土木工程中的振動測試。

壓阻式

壓阻式加速度傳感器是另一種廣泛使用的DC響應加速度傳感器。與電容式加速度傳感器通過電容的變化來測量加速度不同，壓阻式加速度傳感器通過應變電阻的變化來輸出加速度信號，是傳感器慣性感應系統的一部分。許多工程師熟悉應變儀，知道如何測量其輸出。大多數壓阻式傳感器對溫度變化很敏感，因此需要在傳感器內部或外部對其輸出信號進行溫度補償?，F代壓阻式加速度傳感器包括一個用于板載信號處理和溫度補償的專用集成電路。

壓阻式加速度傳感器的工作頻率可達5000Hz。許多壓阻式加速度傳感器使用空氣阻尼(MEMS型)或液體阻尼(附著應變計型)。阻尼特性是選擇傳感器的一個重要因素。在某些應用中，輸入的機械振動包含高頻成分(或激發高頻響應)，阻尼傳感器可以防止自身振鈴(共振)，從而保持或增加可用的動態范圍。由于壓阻式加速度傳感器輸出的是差分純電阻信息，信噪比通常很好；它的動態范圍只受后面的直流放大器的質量限制。對于高加速度沖擊測試，一些壓阻式加速度傳感器可以測量超過10000g g的加速度。

因為它有很寬的頻率響應能力。壓阻式加速度傳感器適用于頻率和加速度通常很高的脈沖和碰撞測試。作為一種具有DC響應能力的傳感器，用戶可以通過其加速度輸出獲得無積分誤差的速度和位移信息。壓阻式加速度傳感器通常用于汽車安全測試、武器測試、地震測試等。

總結

每種加速度傳感器技術都有其優缺點。在做出選擇之前，了解它們的區別和測試要求是非常重要的。首先，對于需要測量靜態加速度或低頻加速度(1Hz)的應用，或者需要通過加速度計算速度和位移的應用，選擇具有DC響應的加速度傳感器非常重要。

DC和交流響應加速度傳感器都可以測量動態信號。當只需要測量動態信號時，用戶可以隨心所欲。有些用戶不喜歡處理DC響應加速度傳感器的零偏，而更喜歡交流耦合、單端輸出的壓電加速度傳感器。而其他用戶不在乎處理零偏，習慣3線或4線接口，喜歡負載電阻自測(分流)和重力加速度自測(2g翻轉)的功能。他們將選擇DC響應加速度傳感器。

總的來說，電荷輸出模式的壓電式加速度傳感器是一種經久耐用的設計，這主要是由于其結構簡單，材料堅固可靠。對于高溫(125°C)動態測試，電荷輸出模式的壓電式加速度傳感器無疑是首選。對于電荷輸出模式的壓電式加速度傳感器，需要配備低噪聲同軸電纜和電荷放大器(或在線電荷轉換器)。

電壓輸出壓電加速度傳感器常用于動態測試。它體積小，帶寬寬，內置電荷放大器，可直接與現有儀器或數據采集器連接(帶IEPE/ICP接口)。電壓輸出壓電式加速度傳感器一般用于125°C以下的應用，但由于其輸出阻抗較低，沒有必要使用低噪聲同軸電纜。

電容式加速度傳感器通常設計在零界阻尼或過阻尼狀態，適用于低頻測試。其低成本、SMD封裝器件適合汽車和消費品等大規模應用，而這些應用通常不需要高精度。價格較貴的MEMS結構的儀器級電容加速度計，零點穩定性好，噪聲低。電容式加速度傳感器一般輸出阻抗低，輸出擺幅2 ~ 5V，需要穩定的DC電壓供電。

壓阻式加速度傳感器種類繁多，具有不同的頻率響應范圍和動態范圍。作為具有DC響應的傳感器，它們可以測試靜態加速度，然后精確計算速度和位移。壓阻式加速度傳感器的頻率響應帶寬足以滿足大多數動態測試。它們的阻尼可以設計成不同的值(ξ = 0.1 ~ 0.8)，使它們適應不同的試驗條件，包括沖擊試驗。純壓阻式加速度傳感器(不包括信號調理電路)可以做得很小很輕，輸出阻抗中等(5000歐姆)，滿量程輸出100 ~ 200 mv。帶放大功能的壓阻式加速度傳感器(內置信號調理芯片)具有低輸出阻抗(100歐姆)，滿量程輸出為2 ~ 5V。

注釋和參考文獻

A.g .皮爾索爾，T.L .帕埃斯人，哈里斯的沖擊和振動手冊第6版。，第10.9頁，麥格勞-希爾公司，2010年

A.g .皮爾索爾，T.L .帕埃斯人，哈里斯的沖擊和振動手冊第6版。，第15.19頁，麥格勞-希爾，2010年

ICP是PCB公司的注冊商標。市場上有許多不同公司關于這種傳感器的商標。