對於(yu) 多數工程應用來說，選擇合適的測試工具將對測試結果產(chan) 生很大的影響。本文將幫助讀者正確的選擇加速度傳(chuan) 感器。讓我們(men) 從(cong) 傳(chuan) 感器的分類和原理開始。

基本的加速度傳(chuan) 感器類型

總的來說有兩(liang) 類加速度傳(chuan) 感器：交流響應加速度傳(chuan) 感器直流響應加速度傳(chuan) 感器

作為(wei) 交流響應的加速度傳(chuan) 感器，正如它的名稱，它的輸出是交流耦合的。此類傳(chuan) 感器不能用來測試靜態的加速度，比如重力加速度和離心加速度。他們(men) 僅(jin) 適合測量動態事件。而直流響應的加速度傳(chuan) 感器，具有直流耦合輸出，能夠響應低至0赫茲(zi) 的加速度信號。因此直流響應的加速度傳(chuan) 感器適合同時測試靜態和動態的加速度。並不是隻有需要測試靜態加速度時才選擇直流響應的加速度傳(chuan) 感器。

加速度，速度，位移

許多對於(yu) 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(men) 設計和驗證結構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(wei) 了從(cong) 加速度計算出速度和位移，從(cong) 傳(chuan) 感器輸出的加速度信號會(hui) 通過數字或模擬的形式分別做一次和二次積分。這就可能導致了交流耦合的傳(chuan) 感器會(hui) 產(chan) 生問題。為(wei) 了演示這個(ge) 問題，設想采用交流傳(chuan) 感器測量一個(ge) 寬脈衝(chong) 半正弦波信號。由於(yu) 固有的交流RC時間常數的限製，傳(chuan) 感器的輸出不能很好跟輸入脈衝(chong) 吻合。同樣的原因，在脈衝(chong) 的結束點，傳(chuan) 感器輸出將產(chan) 生一個(ge) 負向零點偏移。

這個(ge) 看似微小的幅度上的差異在積分之後將產(chan) 生重大的誤差1。直流響應的加速度傳(chuan) 感器卻沒有這樣的問題，因為(wei) 其輸出能夠準確的跟隨緩慢變化的輸入。在實際的日常應用中，輸入信號可能不是單純的半正弦脈衝(chong) ，但是用交流耦合的傳(chuan) 感器測試任何緩慢變化的信號時這樣的問題始終會(hui) 存在。

現在我們(men) 看看各種常用的加速度傳(chuan) 感器技術。

交流響應加速度傳(chuan) 感器

最常用的交流響應加速度傳(chuan) 感器是采用壓電元件作為(wei) 其敏感單元的。當有加速度輸入時，傳(chuan) 感器中的檢測質量塊“移動”使壓電元件產(chan) 生正比於(yu) 輸入加速度的電荷信號。從(cong) 電學角看，壓電元件如同一個(ge) 有源的電容器，其內(nei) 阻在10x9歐姆級別。由內(nei) 阻和電容決(jue) 定了RC時間常數，這也決(jue) 定了傳(chuan) 感器的高頻通過特性。由於(yu) 這個(ge) 原因，壓電加速度傳(chuan) 感器不能用於(yu) 測量靜態事件。壓電元件可來自於(yu) 自然界或人造。它們(men) 有不同的信號轉換效率和線性。市場上有兩(liang) 類壓電加速度傳(chuan) 感器－電荷輸出型，電壓輸出型。

電荷輸出型加速度傳(chuan) 感器

主要的壓電加速度傳(chuan) 感器采用鋯鈦酸鹽陶瓷，具有很寬的工作溫度範圍，寬的動態量程，寬的頻率範圍（可用頻率》10kHz）。電荷輸出型加速度傳(chuan) 感器把壓電陶瓷封裝在具有氣密性的金屬外殼中。由於(yu) 具有抵抗嚴(yan) 酷環境的能力，其具有非常好的耐久性。由於(yu) 其具有很高的阻抗，該傳(chuan) 感器需要配合電荷放大器和低噪聲屏蔽電纜使用，最好是同軸電纜。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(chan) 生的來自電纜本身的噪聲。很多傳(chuan) 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(chuan) 感器連接，從(cong) 而可以消除電纜電容和傳(chuan) 感器電容並聯帶來的影響。配合先進的電荷放大器，電荷輸出型加速度傳(chuan) 感器很容易實現寬的動態響應（》0dB）。由於(yu) 壓電陶瓷的工作溫度範圍很寬，有些傳(chuan) 感器可以用於(yu) -200°C到+400°C，甚至更寬溫度的環境。它們(men) 特別適合極限溫度下的振動測試，如渦輪引擎的監測。

電壓輸出型加速度傳(chuan) 感器

另一種壓電加速度傳(chuan) 感器輸出電壓信號而不是電荷信號。這種傳(chuan) 感器的內(nei) 部包含了電荷放大器。電壓模式的傳(chuan) 感器有3線式（信號，地，電源）和2線式（信號/電源，地）。2線式又被稱為(wei) 集成電路式壓電傳(chuan) 感器（IEPE）。由於(yu) 可以方便的采用同軸線（2線，芯線和屏蔽線）連接，IEPE非常流行。該模式下，交流信號疊加在直流電源上。在輸出端串聯一個(ge) 耦合電容能夠去掉傳(chuan) 感器的直流偏置電壓，從(cong) 而僅(jin) 獲得傳(chuan) 感器信號輸出。許多現代儀(yi) 器提供IEPE/ICP3輸入接口，從(cong) 而可以和IEPE傳(chuan) 感器直接連接。如果IEPE供電接口不可用，需要一個(ge) 帶有恒流源的信號放大器和IEPE傳(chuan) 感器一期使用。3線式傳(chuan) 感器則需要一根單獨的直流電源線供電。

與(yu) 電荷輸出型加速度傳(chuan) 感器不同的是，除了壓電陶瓷元件，電壓輸出型加速度傳(chuan) 感器包含一個(ge) 微型電路，電路的工作溫度範圍限製了傳(chuan) 感器的整體(ti) 工作溫度範圍，通常不超過5°C。也有一些設計提高到了175°C，但其在其它性能方麵會(hui) 有所下降。

可用動態範圍－由於(yu) 壓電陶瓷元件具有極寬的動態範圍，電荷輸出型加速度傳(chuan) 感器在量程定義(yi) 上顯得十分靈活，因為(wei) 其滿量程可以通過遠程的電荷放大器由用戶自由調節。而電壓輸出型加速度傳(chuan) 感器具有既定的滿量程，其決(jue) 定於(yu) 內(nei) 部的電荷放大器，一旦由工廠生產(chan) 出來，將不再能改變。

壓電加速度傳(chuan) 感器可以製成很小的封裝，因此適合做輕結構的動態測試。

直流響應加速度傳(chuan) 感器

兩(liang) 種技術經常被用來製作直流響應加速度傳(chuan) 感器：電容型壓阻型

電容型

電容型（隨加速度變化，由檢測質量塊引起電容變化）加速度傳(chuan) 感器在當今是最通用的。在某些領域無可替代，如安全氣囊，手機移動設備等。高的產(chan) 量使得該類傳(chuan) 感器成本低廉。但是這種低成本的傳(chuan) 感器受製於(yu) 較低的信噪比，有限的動態範圍。所有的電容型加速度傳(chuan) 感器都具有內(nei) 部時鍾，該時鍾（~500kHz）是檢測電路必不可少的部分，由於(yu) 泄漏經常會(hui) 對輸出信號產(chan) 生幹擾。這種噪聲的頻率遠高於(yu) 測量信號的頻率，一般不會(hui) 對測量結果造成影響，但是它始終和測試信號疊加在一起。由於(yu) 內(nei) 置了放大器芯片，其一般具有3線（或4線差分輸出）接口。隻要有直流供電便能工作。

電容型加速度傳(chuan) 感器的工作帶寬一般限製在幾百Hz，部分原因是其具有大的內(nei) 部結構和重的空氣阻尼。電容型加速度傳(chuan) 感器適合測量低量程的加速度，其上限一般在100g以內(nei) 。除了這些限製，現代的電容型加速度傳(chuan) 感器，特別是儀(yi) 用級別的器件，具有很好的線性和高的穩定性。

電容型加速度傳(chuan) 感器通常適合板載測試，成本低是一個(ge) 原因。對於(yu) 低頻運動測試，加速度一般也低，它們(men) 是一個(ge) 理想的選擇。例如土木工程中的振動測試。

壓阻型

壓阻型加速度傳(chuan) 感器是另一種廣泛應用的直流響應加速度傳(chuan) 感器。不同於(yu) 電容型加速度傳(chuan) 感器通過電容的變化測量加速度，壓阻型加速度傳(chuan) 感器通過應變電阻值的變化輸出加速度信號，應變電阻是傳(chuan) 感器慣性感應係統的一部分。很多工程師熟悉應變片，並知道如何測量其輸出。大多數的壓阻型傳(chuan) 感器對溫度變化敏感，因而需要對其輸出信號在傳(chuan) 感器內(nei) 部或外部做溫度補償(chang) 。現代壓阻型加速度傳(chuan) 感器包含一個(ge) 專(zhuan) 用集成電路做在板信號處理，也包含溫度補償(chang) 。

壓阻型加速度傳(chuan) 感器的工作頻率可達5000Hz。許多壓阻型加速度傳(chuan) 感器要麽(me) 采用空氣阻尼（MEMS型），要麽(me) 采用液體(ti) 阻尼（粘貼應變片型）。阻尼特性是選擇傳(chuan) 感器的一個(ge) 重要因素。某些應用下，輸入的機械振動包含高頻成份（或激發高頻響應），帶阻尼的傳(chuan) 感器可以防止本身產(chan) 生振鈴（諧振），從(cong) 而保留或增大了可用動態範圍。由於(yu) 壓阻型加速度傳(chuan) 感器的輸出是差分的純電阻信息，信噪比通常很好；其動態範圍僅(jin) 受限於(yu) 後接直流放大器的品質。對於(yu) 高加速度衝(chong) 擊測試，某些壓阻型加速度傳(chuan) 感器能夠測量到超出10000g的加速度。

由於(yu) 具有寬的頻率響應能力。壓阻型加速度傳(chuan) 感器適合做脈衝(chong) 、碰撞測試，在這些測試中頻率和加速度通常都很高。作為(wei) 具有直流響應能力的傳(chuan) 感器，通過其加速度輸出，使用者可以得到無積分誤差的速度和位移信息。壓阻型加速度傳(chuan) 感器通常應用於(yu) 汽車安全測試，武器測試，地震測試等。

小結

每種加速度傳(chuan) 感器技術都有其優(you) 缺點。在作出選擇之前，明確它們(men) 的區別和測試需求是非常重要的。首先也是最重要的是，對於(yu) 需要測量靜態加速度或低頻加速度（《1hz）的應用，或者需要用加速度計算速度和位移的應用，需要選擇具有直流響應的加速度傳(chuan) 感器。直流和交流響應的加速度傳(chuan) 感器都可以測量動態信號。當僅(jin) 需要測量動態信號時，使用者可以各取所好。有些使用者不喜歡處理直流響應加速度傳(chuan) 感器的零點偏置，而更加喜歡交流耦合、單端輸出的壓電加速度傳(chuan) 感器。而另一些使用者不在乎處理零點偏置，習(xi) 慣3線或4線接口，喜歡負載電阻自檢測試（shunt），和重力加速度自檢測試（2g翻轉）功能。他們(men) 會(hui) 選擇直流響應加速度傳(chuan) 感器。