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加速度傳感器的原理
基本的加速度傳感器類型
總的來說有兩類加速度傳感器:交流響應(yīng)加速度傳感器直流響應(yīng)加速度傳感器
作為交流響應(yīng)的加速度傳感器，正如它的名稱，它的輸出是交流耦合的。此類傳感器不能用來測試靜態(tài)的加速度，比如重力加速度和離心加速度。他們僅適合測量動態(tài)事件。而直流響應(yīng)的加速度傳感器，具有直流耦合輸出，能夠響應(yīng)低至0赫茲的加速度信號。因此直流響應(yīng)的加速度傳感器適合同時測試靜態(tài)和動態(tài)的加速度。并不是只有需要測試靜態(tài)加速度時才選擇直流響應(yīng)的加速度傳感器。
加速度，速度，位移
許多對于振動的研究需要獲取加速度，速度和位移的信息，這些是工程師們設(shè)計和驗證結(jié)構(gòu)時所需要的重要信息。一般說來，加速度提供了很好的參考，而速度和位移卻是計算時所需的變量。為了從加速度計算出速度和位移，從傳感器輸出的加速度信號會通過數(shù)字或模擬的形式分別做一次和二次積分。這就可能導(dǎo)致了交流耦合的傳感器會產(chǎn)生問題。為了演示這個問題，設(shè)想采用交流傳感器測量一個寬脈沖半正弦波信號。由于固有的交流RC時間常數(shù)的限制，傳感器的輸出不能很好跟輸入脈沖吻合。同樣的原因，在脈沖的結(jié)束點，傳感器輸出將產(chǎn)生一個負(fù)向零點偏移。下圖展示了傳感器的輸出（紅色的曲線）和寬脈沖半正弦加速度輸入（藍(lán)色曲線）的關(guān)系。
這個看似微小的幅度上的差異在積分之后將產(chǎn)生重大的誤差1。直流響應(yīng)的加速度傳感器卻沒有這樣的問題，因為其輸出能夠準(zhǔn)確的跟隨緩慢變化的輸入。在實際的日常應(yīng)用中，輸入信號可能不是單純的半正弦脈沖，但是用交流耦合的傳感器測試任何緩慢變化的信號時這樣的問題始終會存在。
現(xiàn)在我們看看各種常用的加速度傳感器技術(shù)。
交流響應(yīng)加速度傳感器
常用的交流響應(yīng)加速度傳感器是采用壓電元件作為其敏感單元的。當(dāng)有加速度輸入時，傳感器中的檢測質(zhì)量塊“移動”使壓電元件產(chǎn)生正比于輸入加速度的電荷信號。從電學(xué)角看，壓電元件如同一個有源的電容器，其內(nèi)阻在10x9歐姆級別。由內(nèi)阻和電容決定了RC時間常數(shù)，這也決定了傳感器的高頻通過特性。由于這個原因，壓電加速度傳感器不能用于測量靜態(tài)事件。壓電元件可來自于自然界或人造。它們有不同的信號轉(zhuǎn)換效率和線性。市場上有兩類壓電加速度傳感器－電荷輸出型，電壓輸出型。
電荷輸出型加速度傳感器
主要的壓電加速度傳感器采用鋯鈦酸鹽陶瓷，具有很寬的工作溫度范圍，寬的動態(tài)量程，寬的頻率范圍（可用頻率>10kHz）。電荷輸出型加速度傳感器把壓電陶瓷封裝在具有氣密性的金屬外殼中。由于具有抵抗嚴(yán)酷環(huán)境的能力，其具有非常好的耐久性。由于其具有很高的阻抗，該傳感器需要配合電荷放大器和低噪聲屏蔽電纜使用，有條件可以用同軸電纜。低噪聲電纜是指其具有低的摩擦電噪聲2，這是一種運動產(chǎn)生的來自電纜本身的噪聲。很多傳感器廠家同時提供這種低噪聲電纜。電荷放大器和電荷輸出型加速度傳感器連接，從而可以消除電纜電容和傳感器電容并聯(lián)帶來的影響。配合*的電荷放大器，電荷輸出型加速度傳感器很容易實現(xiàn)寬的動態(tài)響應(yīng)（>0dB）。由于壓電陶瓷的工作溫度范圍很寬，有些傳感器可以用于-200°C到+400°C，甚至更寬溫度的環(huán)境。它們特別適合極限溫度下的振動測試，如渦輪引擎的監(jiān)測。