压电
加速度传感器因其频响宽、动态范围大、可靠性高、使用方便, 受到广泛应用。在一般通用振动测量时,用户主要关心的技术指标为: 灵敏度、频率范围,内部结构、内置电路型与纯压电型的区别,现场环境与后续仪器配置等。
一、灵敏度的选择
制造商在产品介绍或说明书中一般都给出传感器的灵敏度和参考量 程范围,目的是让用户在选择不同灵敏度的
加速度传感器时能方便地选 出合适的产品,最小加速度测量值也称最小分辨率,考虑到后级放大电 路噪声问题,应尽量远离最小可用值,以确保最佳信噪比。最大测量极限要考虑
加速度传感器自身的非线性影响和后续仪器的最大输出电压。
估算方法:最大被测加速度×传感器电荷(电压)灵敏度,其数值是否 超过配套仪器的最大输入电荷(电压)值。建议如已知被测加速度范围 可在传感器指标中的“参考量程范围”中选择(兼顾频响、重量),同 时,在频响、质量允许的情况下,尽量选择高灵敏度的传感器,以提高后续仪器输入信号,提高信噪比。在兼顾频响、质量的同时,可参照以下范围选择传感器灵敏度:以电荷输出型压电
加速度传感器为例:
1、土木工程和超大型机械结构的振动在0.1g-10g (1g=9.81m/s2)左右,可选电荷灵敏度在300pC/ms-2 ~ 30pC/ms-2 的压电
加速度传感器,属于电荷输出型压电
加速度传感器
2、特殊的土木结构(如桩基)和机械设备的振 动在100ms-2 ~1000ms-2,可选择20pC/ms-2 ~2pC/ms-2 的
加速度传感器。
3、冲击,碰撞测量量程一般 10000ms-2 ~1000000ms-2,可选则传感器灵敏度是0.2pC/ms-2 ~ 0.002pC/ms-2的
加速度传感器。
二、频率选择
一般将曲线分成二段:谐振频率和使用频率。使用频率是按灵敏度偏差 给出的,有±10%、±5%、±3dB。谐振频率一般是避开不用的,但也有 特例,如轴承故障检测。选择
加速度传感器的频率范围应高于被测试件的振动频率。有倍频 分析要求的
加速度传感器频率响应应更高。土木工程一般是低频振动,
加速度传感器频率响应范围可选择0.2Hz~1kHz,机械设备一般是中频 段,可根据设备转速、设备刚度等因素综合估算振动频率,选择 0.5Hz~ 5kHz 的
加速度传感器。如发电机转速在3000rms 时,除以60s 此时它的 主频率为 50Hz。碰撞、冲击测量高频居多。
加速度传感器的安装方式不同也会改变使用频响(对振动值影响不 大)。
安装面要平整、光洁,安装选择应根据方便、安全的原则。我们给 出同一只 RC6500S
加速度传感器不同安装方式的使用频率:螺钉刚性连接 (±10%误差)10kHz;环氧胶或“502”粘接安装 6kHz;磁力吸座安装 2kHz;双面胶安装 1kHz。由此可见,安装方式的不同对测试频率的响应 影响很大,应注意选择。
加速度传感器的质量、灵敏度与使用频率成反比,灵敏度高,质量 大,使用频率低,这也是选择的技巧。
三、内部结构
内部结构是指敏感材料晶体片感受振动的方式及安装形式。
有压缩和剪切两大类,常见的有中心压缩、平面剪切、三角剪切、环型剪切。
中心压缩型频响高于剪切型,剪切型对环境适应性好于中心压缩型。如 配用积分型电荷放大器测量速度、位移时,最好选用剪切型产品,这样 所获得的信号波动小,稳定性好。
四、内置电路
内置的概念是将放大电路置于
加速度传感器内,成为具有电压输出 功能的传感元件。它可分双电源(四线)和单电源(二线、带偏置,又称ICP) 两种,下面所指内装电路专指ICP 型。目前,内置电路传感器一般是与 数据采集仪配套,在国内使用较多的方面是用于机械故障、桩基检测, 不少在线监测项目上也在使用该类产品。 ICP 型
加速度传感器的供电和信号输出共用一根线。其特点是:低阻 抗输出,抗干扰,噪声小,性能价格比高,安装方便,尤其适于多点测量, 稳定可靠、抗潮湿、抗粉尘、抗有害气体。 内置电路传感器灵敏度的选型计算:
被测加速度值(g)=最大输出电压(mV)/传感器灵敏度(mV/g)如 选用目前最为通用的100mV/g, 可测50g 以内振动,如测量100g,则用 50mV/g 的加速度计,其余以此类推。
五、环境影响
某些测试现场的环境较为恶劣,考虑的因素较多,如防水、高温、 安装位置、强磁电场及地电回路等,均会给测量带来很大的影响。
防水:防水有两个概念,浅层防水和深层防水,尤以深层防水为难, 如三峡工程永久船闸闸门的振动监测,水深近百米,它涉及地回路干扰、 高压渗水、导线防护、长期可靠性等诸多问题。
高温:多数厂商给出的传感器温度范围为可用值,而不是高温状况 的灵敏度,实际上,高温时灵敏度偏差较大,特殊用户应向厂商索取专用的高温时的灵敏度指标,灵敏度指标是保证测试准确的关键。
位置限制:
加速度传感器永久安装在现场会受到人为碰撞,应选择 工业型长期监测
加速度传感器,它采用外加防护罩,三角法兰安装,具 有对地绝缘、防尘的作用。对出线方向有要求的可向制造商提出。对于不能触及的部位,可用手持式
加速度传感器(带长探针)。
绝缘、地电回路及磁电场:对磁电场较强的测试现场,应选择特殊 外壳材料的
加速度传感器和专用导线,此类研究国内还比较少见。对于两点接 地、潮湿等现场,要解决好测试干扰则可采用浮地或绝缘型
加速度传感器,同时要考虑导线接头的防护。 为了克服两点或多点接地产生地电回路电流对测试的影响,可以选 用浮地或绝缘传感器。没有特殊要求且干扰不大的工况,可用绝缘型
加速度传感器,而永久型监测或干扰大的工况则应采用浮地型。这二种命 名的区别在于绝缘型产品的外壳为信号地,而浮地型产品的外壳为屏蔽 层。
附加质量:在振动结构上安装的
加速度传感器的质量要小于被测点 的自身动态质量的 1/10 即可,认为对被测信号的影响可以忽略。
六、配套仪器
压电类
加速度传感器如是电荷输出的,可与任何一种高阻输入的电 荷放大器或具有电荷前置功能的采集器相配,电荷放大器种类较多,有 单台、多路、积分、准静态,这都要根据测量要求来确定。 也有特例,如直接将压电传感器的输出信号接入具有一定高阻性能 的三次仪表(如示波器),同样可测得信号,但因阻抗匹配不够,只能 是定性了解动态状况。 内装IC 放大器
加速度传感器(ICP 型)专门有恒流适配器,一台恒 流适配器可供多只
加速度传感器的恒流供电及信号输出。对于提供恒流 源供电的数据采集仪器,可以将该类型传感器直接接入数据采集仪器。 双电源供电的
加速度传感器可由采集器提供双电源或用双路直流稳压电 源供电。目前ICP
加速度传感器的典型供电方式为:24V 4mA恒流。
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