如何选择正确的加速度计?八大注意事项来了!

面对加速度计的技术、形状、大小和感应范围的选择,我们该注意哪些问题?

  如何选择正确的加速度计?面对技术、形状、大小和感应范围的选择,在检查加速度计制造商的目录或网站时,可能会吓到新手和经验丰富的用户。本文介绍的路径将帮助你通过各种选择来找到适合自己应用的最佳加速度计。

  技术选择

  选择过程的第一步是确定要进行的测量的类型。有三种流行的技术用于加速度测量。

  压电(PE)加速度计是用于测试和测量应用的最广泛使用的加速度计。这些设备提供了非常宽的测量频率范围(几赫兹到30 kHz),并且具有各种灵敏度,重量,尺寸和形状。PE加速度计具有电荷或电压(IEPE)输出,本文稍后将进行讨论。它们适用于冲击和振动测量。

  压阻(PR)加速度计通常具有较低的灵敏度,这使其成为冲击测量的理想选择,而对振动测量的有用性却较低。它们还广泛用于运输碰撞测试中。PR加速度计通常具有较宽的带宽(从几百Hz到> 130 kHz),并且频率响应降至0 Hz(通常称为“ DC响应”)或稳态,因此它们可以测量长时间的瞬态。

  可变电容(VC)是最新的加速度计技术之一。像压阻式加速度计一样,VC加速度计也具有直流响应能力。它们具有高灵敏度,窄带宽(从15 Hz到3000 Hz)和出色的温度稳定性。在180°C的温度范围内,热零和灵敏度漂移可低至1.5%。这些设备适用于测量低频振动,运动和稳态加速度。

  测量类型

  首先,我们将描述基本的测量类型,稍后提供更多详细信息。出于本文的目的,我们将加速度测量分为以下几类:

  振动-当物体围绕平衡位置执行振荡运动时,就会振动。在运输,航空航天和工业环境中以及通过振动筛系统进行模拟时,都会发现振动。

  冲击-结构的突然瞬态激发,通常会激发结构的共振。爆炸,锤击物体或车辆碰撞可能会产生冲击脉冲。

  运动-运动是持续时间少于1 s到几分钟的缓慢运动,例如机械臂或汽车悬架的运动。

  地震-更像是慢动作或低频振动。这种测量通常需要专门的,低噪声,高分辨率的加速度计。地震加速度计用于测量桥梁,地板和地震的运动。

  一般注意事项

  在我们更详细地讨论技术和应用之前,这里有一些一般性考虑。

  频率响应是加速度计的电输出与在固定幅度的频率范围内的机械激励的关系,它是考虑任何加速度计时的重要参数。频率范围通常由测试规格或用户决定。通常将其指定为参考频率(通常为100 Hz)的±5%之内。许多设备的规格会扩展到±1 dB,在某些情况下甚至会扩展到±3dB。前述限制表示在给定频率范围内可以预期的精度。大多数数据手册都会有一条典型的频率响应曲线来为用户提供帮助。曲线说明了加速度计的精度在指定频率范围内如何变化。

  另一个考虑因素是要测量的轴数。加速度计有单轴和三轴(3轴)版本(图1)。进行三轴测量的另一种方法是将三个加速度计安装在三轴安装块上。两种方法都允许同时测量三个正交轴。

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  图1:微型三轴加速度计在一个封装中包含三个加速度计,可同时测量三个正交轴上的加速度。

  一、振动

  压电加速度计是大多数振动测量的首选,因为它们具有宽的频率响应,良好的灵敏度和分辨率,并且易于安装。压电加速度计有两种类型:基本电荷模式加速度计和电压模式内部电子压电(IEPE)加速度计。

  近年来,由于其易用性,IEPE类型已成为最常用的加速度计类型。IEPE传感器通常以不同的商标名称出售,但大多数符合伪工业标准,并且可以在品牌名称之间互换。基本上,IEPE加速度计内置有电荷放大器。结果,该传感器不需要外部电荷放大器,并使用普通的低成本电缆。加速度计确实需要恒定电流电源,并且许多DA系统都具有内置电源。对于已知的振动范围和在–55C°C至125°C范围内的工作温度,请考虑使用IEPE设备。请注意,某些型号的高温版本的最高工作温度为175°C。

  电荷模式压电加速度计的优点包括高温工作和极宽的幅度范围,这在很大程度上取决于电荷放大器的设置。IEPE加速度计具有固定的幅度范围。典型的充电模式加速度计的工作温度范围为–55°C至288°C。特殊用途的加速度计可用于从–269°C到高达760°C的极端环境。特殊的辐射硬化电荷模式加速计可用于核环境。

  与IEPE加速度计不同,充电模式加速度计需要使用特殊的低噪声电缆,与标准的商用同轴电缆相比,该电缆价格昂贵。操作还需要一个电荷放大器或一个在线电荷转换器。对于高温操作(高于175°C)或最大加速度未知的情况,首选充电模式加速度计。

  如果需要在非常低的频率下进行振动测量,请考虑选择一个VC加速度计(图2)。VC加速度计的频率响应范围为0 Hz至1 kHz,具体取决于所需的灵敏度。当进行非常低的频率测量时,频率范围为0–15 Hz的VC加速度计将提供1 V / g的灵敏度。VC加速度计可用于电动液压振动台,以进行颤振测量,并用于许多运输应用,例如测试汽车和悬架系统以及进行铁路行驶和摇摆测量。

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  图2:所示的可变电容加速度计具有常用的安装配置。

  二、休克

  可以使用两种技术进行震动测量,并且根据震动水平和所需的最终数据,您可以从各种加速度计中进行选择。重要的是要知道预期的冲击水平,因为这将确定要使用的加速度计的类型。这是一个粗略的指南,可以帮助读者选择合适的加速度计。

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  表格1

  对于低水平的冲击测量,通常会使用通用加速度计。加速度计将需要至少500 g的线性范围和500 g的冲击承受能力。通常首选IEPE类型,因为它们不太容易因电缆运动而产生错误的结果。使用带有低通滤波器的放大器来衰减加速度计的谐振。

  对于汽车碰撞测试,通常使用相当专业的冲击测试领域,即压阻式加速度计(图3)。

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  图3:以行业标准包装形式显示的汽车碰撞测试加速度计。

  对于远场冲击测量,带有内置电子滤波器的特殊剪切模式加速度计通常就足够了。这些通常是带有焊接连接的轻质IEPE类型。电子滤波器会衰减加速度计的共振频率,以防止DA设备过载。

  近场测量通常超过20,000 g。在这里,加速度计的选择取决于所进行测试的类型。压电(电荷模式和IEPE)或压阻式专用加速度计可能是合适的(图4)。通常,具有远场加速度计等特性的IEPE是合适的,但要增加一个内部机械滤波器。机械滤波器将确保加速度计的使用寿命,并且通常会消除零位移。

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  图4:具有内置机械滤波器和坚固的1 / 4-28安装螺柱的近场冲击加速度计的示例。

  零偏移的详细讨论超出了本文的范围,但是,总的来说,零偏移现象是在冲击事件发生后时间历史未回到零加速水平时出现的。在执行集成时,这种偏移会导致数据失真。当使用压阻式加速度计时,零位移很少见。

  与振动一样,频率响应是冲击的重要参数。通常,震动加速度计应具有较宽的频率响应范围(典型值为10 kHz),具体取决于所测试的内容。

  三、运动、恒定加速度和低频振动

  对于此类应用,应考虑使用VC加速度计。该技术可以测量高输出电平的低频,低频振动。它们还可以在较宽的温度范围内提供高度的稳定性。

  当将VC加速度计放置在敏感轴与地球重力平行的位置时,将产生等于1g的输出。这种现象通常称为“ DC响应”。由于这种特性,VC加速度计对于测量离心力或测量电梯等设备的加速度和减速度非常有用。

  在振动测试领域,VC加速度计用于需要研究低频事件且相位数据的保存很重要的应用中。VC加速度计已在飞机颤振测试中占据一席之地。它们的低频特性使VC加速度计非常适用于汽车,卡车和铁路设备的行驶质量测量。宽带频率响应不是VC设备的特征。

  四、环境

  选择技术并确定测试类型后,还需要考虑其他几个因素。首先,请考虑传感器的运行环境。环境特征包括温度,最大加速度和湿度。

  图5中的表显示了有助于温度选择的典型值:

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  图5:基于工作温度范围的加速度计技术。

  指定的g范围通常会使新的加速度计用户感到困惑,因为此参数在规格中出现了两次。加速度计的实际可用范围在动态规格中找到。例如,IEPE加速度计的范围可能为500 g,在环境特征下,该设备的冲击极限为1000g,冲击极限为2000g。500g是加速度计线性工作的最大范围。环境部分中指定的参数表示最大可承受冲击和/或正弦加速度。

  在电荷模式压电器件的情况下,动态特性没有规定范围,因为该范围主要由电荷放大器决定。用户应参考数据手册动态特性部分中的幅度线性度规格。如上所述,在环境特性部分中指定的最大范围是最大可生存性数字。

  湿度规范通常以“ Hermetic”,“ Epoxy Seal”或“ Environmental Seal”给出。这些密封中的大多数将承受高水平的湿气。如果加速度计用于太空环境,水下或长时间暴露在过度潮湿的环境中,则建议使用密封。应该注意的是,连续的温度循环可能会使环氧树脂密封失效。

  如果将加速度计设计为在核辐射环境中运行,则数据手册将对此进行说明。磁化率很少被指定,因为新的加速度计通常不会出现磁化率问题。在现代的加速度计中使用了非磁性材料,从而减少了这个问题。

  如果将加速度计安装在高度柔性的表面上,则基本应变规格就变得很重要。柔软的表面容易弯曲,从而在加速度计的基座上产生应变。所产生的应变会显示为加速度计信号中的振动,从而使输出失真。作为一般指南,请避免在柔性表面上使用压缩型加速度计。

  五、加速度计重量

  当加速度计连接到测试物品时,测得的加速度将改变。通过注意加速度计的重量,可以将这些影响减小到微不足道的程度(图6)。根据经验法则,加速度计的重量应不大于测试物品重量的10%。

  六、安装

  有几种将加速度计安装到被测单元(UUT)的方法,方法包括从永久安装到临时方法的所有方法。以下是一些最常见的安装方法。

  最好的安装方法是使用双头螺栓或螺钉。螺柱/螺钉安装可在高频下提供最佳的透射率,因为加速度计实际上已融合到安装表面。通过在加速计和被测装置之间使用轻油可以增强高频响应。如果需要这种安装方法,则应购买设计用于双头螺栓和/或螺钉安装的加速度计。

  通常需要粘合剂安装,尤其是在小表面和PC板上。优选的安装粘合剂是氰基丙烯酸酯,因为它很容易去除(使用适当的去除技术)。许多加速度计是专门为粘合剂安装而设计的,这一事实将在数据表中注明。可以使用胶粘剂来安装螺柱安装式加速度计,但应使用胶合螺柱以防止胶粘剂损坏加速度计的螺纹。

  七、接地隔离

  当测试物品的表面导电且处于接地电位时,接地隔离非常重要。电子仪器和加速度计之间的接地电压电平差异可能会导致接地环路,从而导致数据错误。

  加速度计可采用接地隔离或将接地连接到加速度计外壳的方法。具有接地隔离的加速度计通常具有隔离的安装基座,并且在适用时具有隔离的安装螺钉。在某些情况下,整个加速度计外壳都接地隔离。

  八、灵敏度和分辨率

  当需要低电平信号和/或宽动态范围时,加速度计的分辨率和灵敏度就变得很重要。加速度计将机械能转换为电信号(输出)。输出以毫伏/克(mV / g)表示,或者在电荷模式加速计的情况下,输出以微克/库仑/克(pC / g)表示。加速度计的灵敏度范围很广,最佳灵敏度取决于待测信号的电平,例如,在高g冲击测试的情况下,希望灵敏度较低。

  对于低电平信号,最好的方法是使用高灵敏度的加速度计来提供远高于放大器噪声水平的输出信号。例如,如果预期振动水平为0.1g,并且加速度计的灵敏度为10 mV / g,则信号的电压水平将为1 mV,因此可能需要更高灵敏度的加速度计。

  分辨率与加速度计的最小可识别信号有关。此参数基于加速度计的本底噪声(对于IEPE类型,为内部电子设备),以grms表示。

  其他注意事项

  以上信息将帮助潜在用户做出初步决定,以决定哪些加速度计可以潜在地执行测量任务。但是,还有其他同等重要的参数应与潜在供应商讨论。这些重要的项目可能包括:信号调理和供电、横向灵敏度、温度响应、电缆类型等。

作者:Bruce Lent,Meggitt PLC的高级应用工程师

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