IEPE加速度傳感器,壓阻加速度傳感器原理和應(yīng)用

      一，IEPE壓電加速度傳感器
 
     目前最常用的交流響應(yīng)加速度傳感器是采用壓電元件作為其敏感單元的IEPE加速度傳感器。當(dāng)有加速度輸入時(shí)，
傳感器中的檢測(cè)質(zhì)量塊“移動(dòng)”使壓電元件產(chǎn)生正比于輸入加速度的電荷信號(hào)。從電學(xué)角看，壓電元件如同一個(gè)有源的
電容器，其內(nèi)阻在10x9歐姆級(jí)別。由內(nèi)阻和電容決定了RC時(shí)間常數(shù)，這也決定了傳感器的高頻通過(guò)特性。由于這個(gè)
原因，壓電加速度傳感器不能用于測(cè)量靜態(tài)事件。壓電元件可來(lái)自于自然界或人造。它們有不同的信號(hào)轉(zhuǎn)換效率和線性。
      市場(chǎng)上有兩類(lèi)壓電加速度傳感器－電荷輸出型，電壓輸出型。
   
     1. 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(dòng)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
，最好是同軸電纜。低噪音電纜是指指其具有低的摩擦電噪聲，這是一種運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的來(lái)自電纜本身的噪聲。很
多傳感器廠家同時(shí)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(lái)的影響。配合先進(jìn)的電荷放大器，電荷輸出型加速度傳感器很容易實(shí)現(xiàn)寬的動(dòng)態(tài)響應(yīng)
（>120dB）。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(dòng)測(cè)試，如渦輪引擎的監(jiān)測(cè)。


   2. 電壓輸出型加速度傳感器




        另一種壓電加速度傳感器輸出電壓信號(hào)而不是電荷信號(hào)。這種傳感器的內(nèi)部包含了電荷放大器。電壓模式的
傳感器有3線式（信號(hào)，地，電源）和2線式（信號(hào)/電源，地）。2線式又被稱為集成電路式壓電傳感器（IEPE）
。由于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(hào)疊加在直流電
源上。在輸出端串聯(lián)一個(gè)耦合電容能夠去掉傳感器的直流偏置電壓，從而僅獲得傳感器信號(hào)輸出。許多現(xiàn)代儀器
提供IEPE/ICP輸入接口，從而可以和IEPE傳感器直接連接。如果IEPE供電接口不可用，需要一個(gè)帶有恒流源的
信號(hào)放大器和IEPE傳感器一期使用。3線式傳感器則需要一根單獨(dú)的直流電源線供電。


           與電荷輸出型加速度傳感器不同的是，除了壓電陶瓷元件，電壓輸出型加速度傳感器包含一個(gè)微型電路，電
路的工作溫度范圍限制了傳感器的整體工作溫度范圍，通常不超過(guò)125°C。也有一些設(shè)計(jì)提高到了175°C，但其
在其它性能方面會(huì)有所下降。
           可用動(dòng)態(tài)范圍－由于壓電陶瓷元件具有極寬的動(dòng)態(tài)范圍，電荷輸出型加速度傳感器在量程定義上顯得十分靈
活，因?yàn)槠錆M量程可以通過(guò)遠(yuǎn)程的電荷放大器由用戶自由調(diào)節(jié)。而電壓輸出型加速度傳感器具有既定的滿量程，
其決定于內(nèi)部的電荷放大器，一旦由工廠生產(chǎn)出來(lái)，將不再能改變。


    二.直流響應(yīng)加速度傳感器
   
    兩種技術(shù)經(jīng)常被用來(lái)制作直流響應(yīng)加速度傳感器：電容型壓阻型
   1. 電容型
    電容型（隨加速度變化，由檢測(cè)質(zhì)量塊引起電容變化）加速度傳感器在當(dāng)今是最通用的。在某些領(lǐng)域無(wú)可替
代，如安全氣囊，手機(jī)移動(dòng)設(shè)備等。高的產(chǎn)量使得該類(lèi)傳感器成本低廉。但是這種低成本的傳感器受制于較低的
信噪比，有限的動(dòng)態(tài)范圍。所有的電容型加速度傳感器都具有內(nèi)部時(shí)鐘，該時(shí)鐘(~500kHz)是檢測(cè)電路必不可少
的部分，由于泄漏經(jīng)常會(huì)對(duì)輸出信號(hào)產(chǎn)生干擾。這種噪聲的頻率遠(yuǎn)高于測(cè)量信號(hào)的頻率，一般不會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果造
成影響，但是它始終和測(cè)試信號(hào)疊加在一起。由于內(nèi)置了放大器芯片，其一般具有3線（或4線差分輸出）接口。
只要有直流供電便能工作。
    電容型加速度傳感器的工作帶寬一般限制在幾百Hz，部分原因是其具有大的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和重的空氣阻尼。電容
型加速度傳感器適合測(cè)量低量程的加速度，其上限一般在100g以內(nèi)。除了這些限制，現(xiàn)代的電容型加速度傳感器
，特別是儀用級(jí)別的器件，具有很好的線性和高的穩(wěn)定性。
          電容型加速度傳感器通常適合板載測(cè)試，成本低是一個(gè)原因。對(duì)于低頻運(yùn)動(dòng)測(cè)試，加速度一般也低，它們是
一個(gè)理想的選擇。例如土木工程中的振動(dòng)測(cè)試。


    2.壓阻型
    壓阻型加速度傳感器是另一種廣泛應(yīng)用的直流響應(yīng)加速度傳感器。不同于電容型加速度傳感器通過(guò)電容的變
化測(cè)量加速度，壓阻型加速度傳感器通過(guò)應(yīng)變電阻值的變化輸出加速度信號(hào)，應(yīng)變電阻是傳感器慣性感應(yīng)系統(tǒng)的
一部分。很多工程師熟悉應(yīng)變片，并知道如何測(cè)量其輸出。大多數(shù)的壓阻型傳感器對(duì)溫度變化敏感，因而需要對(duì)
其輸出信號(hào)在傳感器內(nèi)部或外部做溫度補(bǔ)償?，F(xiàn)代壓阻型加速度傳感器包含一個(gè)專(zhuān)用集成電路做在板信號(hào)處理，
也包含溫度補(bǔ)償。
     壓阻型加速度傳感器的工作頻率可達(dá)5000Hz。許多壓阻型加速度傳感器要么采用空氣阻尼（MEMS型），要么
采用液體阻尼（粘貼應(yīng)變片型）。阻尼特性是選擇傳感器的一個(gè)重要因素。某些應(yīng)用下，輸入的機(jī)械振動(dòng)包含高
頻成份（或激發(fā)高頻響應(yīng)），帶阻尼的傳感器可以防止本身產(chǎn)生振鈴（諧振），從而保留或增大了可用動(dòng)態(tài)范圍
。由于壓阻型加速度傳感器的輸出是差分的純電阻信息，信噪比通常很好；其動(dòng)態(tài)范圍僅受限于后接直流放大器
的品質(zhì)。對(duì)于高加速度沖擊測(cè)試，某些壓阻型加速度傳感器能夠測(cè)量到超出10000g的加速度。
   
        由于具有寬的頻率響應(yīng)能力。壓阻型加速度傳感器適合做脈沖、碰撞測(cè)試，在這些測(cè)試中頻率和加速度通常
都很高。作為具有直流響應(yīng)能力的傳感器，通過(guò)其加速度輸出，使用者可以得到無(wú)積分誤差的速度和位移信息。
壓阻型加速度傳感器通常應(yīng)用于汽車(chē)安全測(cè)試，武器測(cè)試，地震測(cè)試等。


    -----小結(jié)-----
    每種加速度傳感器技術(shù)都有其優(yōu)缺點(diǎn)。在作出選擇之前，明確它們的區(qū)別和測(cè)試需求是非常重要的。首先也
是最重要的是，對(duì)于需要測(cè)量靜態(tài)加速度或低頻加速度（<1Hz）的應(yīng)用，或者需要用加速度計(jì)算速度和位移的應(yīng)
用，需要選擇具有直流響應(yīng)的加速度傳感器。直流和交流響應(yīng)的加速度傳感器都可以測(cè)量動(dòng)態(tài)信號(hào)。當(dāng)僅需要測(cè)
量動(dòng)態(tài)信號(hào)時(shí)，使用者可以各取所好。有些使用者不喜歡處理直流響應(yīng)加速度傳感器的零點(diǎn)偏置，而更加喜歡交
流耦合、單端輸出的壓電加速度傳感器。而另一些使用者不在乎處理零點(diǎn)偏置，習(xí)慣3線或4線接口，喜歡負(fù)載電
阻自檢測(cè)試（shunt），和重力加速度自檢測(cè)試（2g翻轉(zhuǎn)）功能。他們會(huì)選擇直流響應(yīng)加速度傳感器。