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振动传感器如何选型?(二)

2020.10.26
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王辉

致力于为分析测试行业奉献终身

性能指标:

量程/灵敏度:每个传感器都有测量范围,通常量程大的传感器,灵敏度低,量程小的传感器,灵敏度高。通常传感器输出电压的上限为5V,因此,传感器灵敏度乘以量程得到的为传感器的量大输出电压5V。如某型号传感器的灵敏度为50mV/g,则该传感器的量程为100g。通常ICP型加速度传感器满足这个规律,而其他类型,如零频加速度传感器,则不满足此规律。另一方面,传感器灵敏度越高,则传感器的质量越大,传感器输出电压越大,信噪比越高,分辨能力越强。对于测试不同的结构,应选择相匹配的传感器量程,通常,土木桥梁和超大型机械结构加速度振动量级在0.1g~10g 左右,机械设备的振动在 10g~100g 左右。

谐振频率:传感器本身也是一个结构,因而,也存在固有频率,通常,把传感器的第一阶固有频率称为谐振频率。传感器尺寸越小,谐振频率越高。加速度计的使用上限频率取决于幅频曲线中的谐振频率。一般传感器的工作频率范围为其自身谐振频率的1/3以下。

频响特性:一般加速度传感器的工作频率上限为自身谐振频率的1/3左右。另一方面,通常加速度传感器低频特性较差,信号衰减严重,而在高频段线性度差,非线性影响严重。如图2为某型号加速度计的频响曲线,从曲线图中可以看出,在2Hz以下信号衰减严重,频响性能差,在12KHz以上线性度差,其谐振频率约为38KHz。因此,该传感器的工作频率为12KHz以下。在选择加速度计时,加速度计的频率上限稍高于被测结构的振动频率即可。一般,土木工程结构的频率范围在0.2~1KHz左右,机械设备是中频段,频率范围在0.5~5KHz左右。另外,传感器的安装刚度对传感器能测的频率范围也有影响,关于这一点,请参考《传感器怎样安装才能满足测试要求,误差最小?》。

图2 某加速度计的频响曲线

线性度:由于传感器测量时只能输入单一灵敏度,因此,用于描述在一定的频响范围内,传感器的灵敏度是否满足实际的灵敏度的指标,即为线性度。相对而言,在低频段(如5Hz以下),传感器的灵敏度会少于实际的灵敏度,而在高频段(如大于工作频率上限),则灵敏度会大于实际的灵敏度。只有在中间频段,灵敏度满足线性关系,如图2所示。如果传感器不在线性区间进行测量,则测量得到的幅值误差较大,一般要求传感器非线性

横向效应:当测量某个方向的振动时,信号输出应该全为振动感知方向,但实际上在与该方向垂直的方向也有信号输出,这种效应称为横向效应。横向效应灵敏度越低,性能越好,但是相对而言,传感器都存在一定的横向效应,通常标称横向效应

环境因素:

使用环境:传感器使用时受温度、湿度、尘土等环境因素的影响。任何一种传感器都有自身的工作温度范围,因此必须根据实际测点位置的温度,以及环境温度来选择合适的传感器。另外,对于测试环境存在潮湿、腐蚀和电磁场等影响因素时,选择传感器也应该考虑这些因素。

温度响应:传感器的灵敏度会受到温度的影响,当温度发生了改变,如果我们还使用常温下的灵敏度,则会给测量带来误差。如图3为某传感器的温度响应曲线,从图中可以看出,当室温时,传感器的灵敏度没有偏差,但当温度远离室温时,灵敏度偏差则越来越大。因此,传感器的工作温度应与温度响应曲线中灵敏度无偏差的温度一致。

图3 某加速度计的温度响应曲线

冲击极限:表示传感器能经受的瞬时冲击限制,通常用峰值表示,如某传感器的冲击极限为±7000g pk。

电气特性:

激励电压/电流:有源传感器都需要提供激励电压/电流才能正常工作,像ICP型传感器需要提供20-30VDC激励电压和2-20mA的恒流激励。当今的数据采集仪普遍内置了这样的供电装置,因此,可直接给ICP传感器供电。但还有很多其他类型的加速度传感器,如MEMS加速度传感器,力平衡式加速度传感器等,如果采集仪不能提供相应的激励电压/电流,则需要选择外部供电方式。

稳定时间:对于ICP型传感器,由于存在放电常数,当给传感器供电时,传感器输出的信号会从无穷远处慢慢地稳定到基线附近,这个时间称为稳定时间。而我们在进行测量时,应待传感器输出的信号稳定之后再进行测量。通常这个时间只需要几秒钟。

物理特性:

敏感材料:对于压电式和ICP型传感器多半采用石英晶体和压电陶瓷作为敏感材料。石英晶体的介电和压电常数的温度稳定性好,适于做工作温度很宽的传感器。具有压电效应的压电陶瓷是人工合成的,原始的压电陶瓷不具有压电效应。由于压电陶瓷制作工艺更方便、耐湿、耐高温等优点,当今的压电传感器多半采用压电陶瓷作为敏感材料。

尺寸和质量:加速度传感器外形以圆柱体和六面体居多,而圆柱形的加速度计又分顶部出线和侧面出线两种方式。选择加速度计的外形尺寸时,主要受安装位置空间的影响,对于安装位置空间有限的测点,则必须选择合适的传感器外形尺寸。另一方面,在选择传感器类型时,还必须考虑传感器本身的重量带来的附加质量的影响,特别是测试轻质结构时,传感器本身重量影响显著。可能对待测结构总质量来说,传感器的总质量很少,但是,参与振动的不是结构的全部质量,而是参与振动的那部分质量,称为有效质量,此时,传感器的总质量可能相对于结构的有效质量会很大,此时传感器附加质量的影响会很明显。另外,传感器安装时,可能还会使用工装,此时工装的质量对结构振动幅值会存在影响。对于一些小巧轻型的结构振动或在薄板上测量振动参数时,传感器和固定件质量引起的“额外”荷载可能会改变结构的原始振动,从而使测得结果无效。因此,在这种情况下应该使用小而轻的传感器,估算加速度计质量—荷载的影响。

ar =as*ms/(ms+ma)

式中,ar——带有加速度计的结构加速度响应;

as——不带有加速度计的结构加速度响应;

ms——待装加速度计的结构“部件”的等效质量;

ma——加速度计的质量。

因此,应注意因附加质量而改变结构振动的幅值和频率,这在大型的工程结构测试中,并不突出,而对小型的机械零部件影响较大,测试分析中要考虑。关于对测量频率的影响请参阅《怎样评价传感器附加质量对模态频率的影响?》一文。

4. 选型原则

振动加速度传感器选型原则:

1. 根据与后续设备的匹配性来选择传感器类型,如ICP型调理设备宜用ICP型传感器,电荷调理设备宜选用压电式传感器。

2. 当对处于工作状态下的待测结构进行测量时,宜使用“隔离”传感器。若传感器自身不隔离,可在传感器底部添加绝缘材料作为隔离器件。

3. 测点位置的振动量级宜为选择的传感器量程的60-80%,这样能保证信噪比高,又不会过载。

4. 选择的传感器的工作频率范围略高于实际测量的带宽即可。

5. 根据环境因素来选择合适的传感器,如测量处的温度、湿度应保证选用的传感器正常工作,且测量幅值不受影响。

6. 根据测量位置的空间来选择传感器尺寸和出线方式。

7. 对于轻质结构则必须考虑传感器重量对测量的影响。

8. 根据行业应用选择传感


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