本文内容转载自《中国检验检测》2019年第4期，版权归《中国检验检测》编辑部所有。
徐文骏
上海航天电子有限公司/上海科学仪器厂
0 引言
加速度传感器是工程振动测量中的最重要因素。在测试系统中，传感器是数据采集分析的第一环节，因此，能否正确选择和使用传感器将直接影响到测量信号的质量和精度。虽然从事工程振动的人员都知道这个概念，但在实际应用中却往往因为各方面的原因而无法正确判断传感器是否真实反映了被测信号。另一方面在科技不断发展的趋势下，环境模拟的试验条件要求越来越高，与之对应传感器的技术指标也不断提高，从而使之前广泛应用的单一标准传感器发展到如今类别的多样化，也对工程人员在应对不同试验要求的传感器选择上增加了相应的难度。
1 传感器的种类
目前市场中常见的加速度传感器分为三大类别，分别为压电式、压阻式和电容式。
1.1 压电式
压电式加速度传感器的构造是利用了弹簧质量系统的原理。敏感芯体质量受振动加速度作用后产生一个与加速度成正比的力，压电材料受此力作用后沿其表面形成与此力成正比的电荷信号，从而能采集到数据。
压电式加速度传感器具有动态范围大、频率范围宽、坚固耐用、受外界干扰小以及不需要外界电源等特点，是目前被工程人员使用最为广泛的振动测量传感器。虽然压电式加速度传感器相对来说结构比较简单，诞生时间也较长，但因其性能指标与材料特性、设计和加工工艺密切相关，因此，在市场上销售的同类传感器性能的实际参数以及其稳定性和一致性差别非常大。与压阻和电容式相比，其最大的缺点是压电式加速度传感器不能测量零频率的信号。
1.2 压阻式
压阻式加速度传感器的敏感芯体为半导体材料制成的电阻测量电桥，其结构动态模型仍然是弹簧质量系统。现代微加工制造技术的发展使压阻式敏感芯体的设计具有很大的灵活性以适合各种不同的测量要求。在灵敏度和量程方面，从低灵敏度高量程的冲击测量，到直流高灵敏度的低频测量都有压阻形式的加速度传感器。同时压阻式加速度传感器测量频率范围也可从直流信号到几十千赫兹的高频测量。压阻式传感器的最大亮点就是超小型化的设计，可以在很多狭小的空间内使用。需要指出的是尽管压阻敏感芯体的设计和应用具有很大灵活性，但对某个特定设计的压阻式芯体而言其使用范围一般要小于压电型传感器。压阻式加速度传感器的另一缺点是受温度的影响较大，使用的传感器都需要进行温度补偿。在价格方面，使用特殊敏感芯体制造的压阻式传感器成本将远高于压电型加速度传感器，通常要达到好几倍以上。
1.3 电容式
电容式加速度传感器的结构形式也采用了弹簧质量系统。当质量受加速度作用运动而改变质量块与固定电极之间的间隙进而使电容值产生变化。电容式加速度计于其他类型的加速度传感器相比具有灵敏度高、零频响应、环境适用性好等特点，尤其是受温度的影响比较小，能够运用于很多现场环境苛刻的数据采集；但不足之处表现在信号的输入与输出为非线性，量程有限，并且受电缆的电容影响，因为电容传感器本身是高阻抗信号源，因此，输出信号往往需要通过后继电路给予改善，对屏蔽电缆线有着很高的使用要求。在实际应用中电容式加速度传感器大多用于低频测量，其通用性远不及压电式加速度传感器，且成本也要比压电式加速度传感器高出许多倍。
2 压电式加速度传感器的敏感芯体材料和结构形式
2.1 压电材料
压电材料一般可以分为两大类，即压电晶体和压电陶瓷。压电型加速度计最常用的压电晶体材质为石英，因为石英的材料特性是工作温度范围宽，性能稳定，所以在实际应用中经常被用作标准传感器的压电材料。
由于石英的压电系数比其他压电材料低很多，所以通用型的压电传感器都采用压电陶瓷作为主材料。陶瓷中的锆钛酸铅是目前压电加速度计中最经常使用的压电材料。其特点为具有较高的压电系数和居里点，各项机电参数随温度时间外界条件的变化相对较小。如图1所示。
图1 石英压电传感器内部结构
但是就同一种的压电陶瓷而言，虽然都具有相同的基本特性，但由于制作工艺不同可以使两个相同材料的压电陶瓷的具体性能指标相差甚大。这种现象在国产传感器和进口传感器的互相比较上尤为明显。两者虽然材料不同，但是在构造上却是近似一致。如图2所示。
图2 陶瓷压电传感器内部结构
2.2 传感器敏感芯体的结构形式
压电加速度传感器的敏感芯体一般由压电材料和附加质量块组成，当质量块受到加速度作用后便转换成一个与加速度成正比并加载到压电材料上的力，而压电材料受力后在其表面产生一个与加速度成正比的电荷信号。压电材料的特性决定了作用力可以是受正应力也可以是剪应力，压电材料产生的电荷大小随作用力的方向以及电荷引出表面的位置而变。根据压电材料不同的受力方法，常用传感器敏感芯体的结构一般有以下三种形式：
a) 压缩形式：压电材料受到压缩或拉伸力而产生电荷的结构形式。压缩式敏感芯体是加速度传感器中最为传统的结构形式。其特点是制造简单方便，能产生较高的自振谐振频率和较宽的频率测量范围。而最大的缺点是不能有效地排除各种干扰对测量信号的影响。
b) 剪切形式：通过对压电材料施加剪切力而产生电荷的结构形式。从理论上来说在剪切力作用下的压电材料所产生的电荷信号受外界干扰的影响甚小，因此，剪切结构形式是最适合广泛使用的加速度传感器敏感芯体。然而在实际制造过程中，要确保剪切敏感芯体的加速度计具有较高和稳定的频率测量范围却是传感器制造工艺中最为困难的一个环节。要得到高参数指标只能采用进口记忆金属材料的紧固件从而保证传感器具有稳定可靠的谐振频率和频率测量范围。
c) 弯曲变形粱形式：压电材料受到弯曲变形而产生电荷的结构形式。弯曲变形粱结构可产生比较大的电荷输出信号，也较容易实现控制阻尼；但因为其测量频率范围低，更由于此结构不能排除因温度变化而极易产生的信号漂移，所以此结构在压电型加速度计的设计中很少被采用。
3 压电式加速度传感器的信号输出形式
3.1 电荷输出型
传统的压电加速度计通过内部敏感芯体输出一个与加速度成正比的电荷信号。实际使用中传感器输出的高阻抗电荷信号必须通过二次仪表将其转换成低阻抗电压信号才能读取。由于高阻抗电荷信号非常容易受到干扰，所以传感器到二次仪表之间的信号传输必须使用低噪声屏蔽电缆。由于电子器件的使用温度范围有限，所以高温环境下的测量一般还是使用电荷输出型。
3.2 IEPE输出型
IEPE型压电加速度计既工程人员称之的ICP型压电加速度计，也称为低阻抗电压输出型加速度计。
压电传感器换能器输出的电荷通过装在传感器内部的前置放大器转换成低阻抗的电压输出，而IEPE型传感器则为二线输出形式，采用恒电流电压源供电，直流供电和信号使用同一根线的方式，因为直流电部分在恒电流电源的输出端需要通过高通滤波器滤去杂波信号。
IEPE型传感器的最大优点是测量信号质量好、噪声小、抗外界干扰能力强和测量 距离远，特别是随着科技的发展，现在已经有很多新型的数采系统很多都已配备恒流电压源，因此，IEPE传感器能与数采系统直接相连而不需要任何其他二次仪表，在振动测试中IEPE传感器已逐渐取代传统的电荷输出型压电加速度计。
4 小结
加速度传感器随着科技的发展，种类不断的增多，从最早的进口制造商B&K，到现在国产的制造商B&W，光是力学传感器的种类以及超过了3位数，并且随着科技的发展，越来越多的苛刻试验的顺势而生，传感器的原理、分类以及适用性事工程人员所要了解的必修课，只有了解透彻，才能更好的完成试验工作。
