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根基的加快度傳感器范例
來歷:賽斯維傳感器網 頒發于 2021/5/17

加快度傳感器凡是分為兩種范例:交換呼應型和直流呼應型。


在交換呼應加快度傳感器中,望文生義,輸出是交換耦合的。交換耦合器件不能用于丈量重力、恒定離心加快度等靜態加快度。它只合用于丈量靜態事務。


另外一方面,直流呼應加快度傳感器是直流耦合的,可對零赫茲做出呼應。是以,它可用于丈量靜態和靜態加快度。但丈量靜態加快度并非挑選直流呼應加快度傳感器的獨一緣由。


設想請求

加快度、速率、位移

大大都振動研討須要曉得加快度、速率和位移 - 它們是工程師在設想或考證布局時必須領會的主要變量。通俗來講,g 值供給了杰出的參考,但速率和位移才是大大都設想計較所需的變量。為了從加快度輸出中導出速率和位移,在摹擬或數字范疇別離須要對加快度傳感器旌旗燈號停止積分和二重積分。若是在此處操縱交換呼應加快度傳感器,能夠或許或許或許或許會帶來費事。為了申明題目,請斟酌操縱交換呼應加快度傳感器丈量延續永劫間半正弦輸出脈沖的情況。因為其 RC 時候常量強加的固無限定,該器件的輸出不能完整跟蹤半正弦輸出的峰值。在半正弦脈沖竣事時,出于一樣的緣由,交換耦合加快度傳感器的輸出將發生負脈沖旌旗燈號(偏移)。下圖中的白色軌跡描畫了在履歷了長延續時候半正弦輸出以后交換耦合器件的輸出。

這些看似細小的振幅偏差能夠或許或許或許或許致使數值積分時代呈現明顯偏差1。直流呼應器件則不如許的題目,因為它能夠或許或許或許或許切確跟從遲緩挪動的輸出。在現實的平常操縱中,什物輸出固然差別于半正弦脈沖,但只需是須要操縱交換耦合器件跟蹤遲緩挪動的場所,就存在上述根基題目。上面,咱們來看看幾種操縱較為遍及的加快度傳感器手藝。


交換加快度傳感器

最罕見的交換呼應加快度傳感器操縱壓電元件作為其感測機構。在加快度下,加快度傳感器的慣性品質會致使壓電元件呈現位移電流,從而發生與加快度成反比的電力輸出。從電氣角度來看,壓電元件像是一個具備無限內阻(凡是為 109 歐姆數目級)的源電容器。這構成了限定器件高通特點的 RC 時候常量。是以,壓電式加快度傳感器不能用于靜態丈量。壓電元件有自然的,也有天然的。它們具備差別水平的轉導效力和線性特點。市道上有兩類壓電式加快度傳感器 - 電荷輸出式和電壓輸出式。

電荷輸出式壓電傳感器

大大都壓電傳感器基于鋯鈦酸鉛陶瓷 (PZT),可供給極寬的溫度規模、寬靜態規模和寬帶寬(可用于 >10kHz 的操縱)。加上密封、焊接的金屬外殼后,電荷輸出式加快度傳感器能夠或許或許或許或許耐受卑劣的情況前提,被以為是最堅忍耐用的傳感器之一。斟酌到其高阻抗特點,電荷輸出式器件必須共同低噪聲屏障電纜(最好是同軸布局)操縱。低噪聲指的是低磨擦電噪聲2(一種由電纜自身激起亂真輸出的活動)。此類顛末噪聲處置的電纜凡是由傳感器制作商出產。電荷輸出式加快度傳感器凡是會毗連電荷縮小器,以避免呈現與并聯電纜電容相干的題目。借助進步前輩的電荷縮小器,能夠或許或許或許使電荷輸出式傳感器輕松完成寬靜態規模 (>120 dB)。因為壓電陶瓷的任務溫度規模較寬,某些電荷輸出式器件可在 -200°C 到 +640°C 及以上的溫度規模操縱。它們出格合合用于極度溫度前提下的振動丈量,如渦輪策念頭監測操縱。


電壓輸出式壓電傳感器

另外一種范例的壓電加快度傳感器是供給電壓輸出而不是電荷。


這經由過程將電荷縮小器集成在加快度傳感器殼體內來完成。電壓輸出式器件有 3 線(旌旗燈號、接地、電源)情勢或 2 線(電源/旌旗燈號、接地)情勢。2 線情勢也稱作一體式電子壓電器件 (IEPE)。IEPE 接納了便利的同軸(雙線)布局(交換旌旗燈號疊加在直流電源線上),是以最受接待。它須要借助隔直流電容器來消弭傳感器旌旗燈號輸出中的直流偏壓。很多進步前輩的旌旗燈號闡發儀都供給了 IEPE/ICP3 輸出選項(許可與 IEPE 加快度傳感器間接毗連)。若是未供給 IEPE 電源選項,則須要具備恒定電流功率的旌旗燈號調理器/電源才能與該范例的器件相連。3 線情勢器件須要零丁的直流電源線才能一般任務。


與只包羅陶瓷感測元件的電荷輸出式器件差別,電壓輸出式器件包羅微電子電路,后者致使傳感器的最高任務溫度限定在 +125°C。有些設想會將極限值推高到 +175°C,但會就義局部機能。


總之,在可用靜態規模方面,因為壓電陶瓷元件的靜態規模很是普遍,電荷輸出式加快度傳感器在可擴大性方面最為矯捷 - 因為能夠或許或許或許借助用戶指令經由過程長途電荷縮小器調劑體系的滿量程規模。而電壓輸出式器件的滿量程規模已在工場由內部縮小器事后肯定,沒法變動。


壓電式加快度傳感器的尺寸極小。是以,它們很合合用于輕質布局中的靜態丈量。


直流加快度傳感器

用于制作直流加快度傳感器的風行感測手藝有兩種:電容式和壓阻式。

電容式

電容式(基于加快度下慣性品質的電容變更)是今朝制作加快度傳感器最經常操縱的手藝。寧靜氣囊、挪動裝備等大型貿易操縱普遍接納了這一手藝。他們操縱微電機體系 (MEMS) 制作手藝給多量量操縱帶來了規模效應,從而下降了制作本錢。可是,這類便宜的電容式加快度傳感器凡是存在信噪比擬差、靜態規模無限等錯誤謬誤。一切電容器件都有一個固有特點:內部裝有時鐘。時鐘頻次 (~500kHz) 是電流檢測電路的一個主要構成局部,但因為內部泄露緣由,它一直存在于輸出旌旗燈號中。高頻噪聲能夠或許或許或許或許與加快度的丈量規模相距甚遠,但它與旌旗燈號卻形影相隨。因為內置了縮小器/IC,其 3 線(或 4 線差分輸出)電氣接口是間接的,只須要一個不變的直流電壓源供電。


電容式加快度傳感器的帶寬大多限定在幾百赫茲(某些設想可供給高達 1500Hz 的帶寬),局部緣由在于其物理多少外形和重氣態阻尼。電容式傳感器的布局對較低的加快度丈量規模也較為有益。最大規模凡是限定在 200g 以下。除上述限定之外,進步前輩的電容式加快度傳感器(出格是儀表級器件)能夠或許或許或許或許供給杰出的線性度和高輸出不變性。


電容式加快度傳感器最合合用于比擬正視本錢的車載監控操縱。另外,它們還合用于丈量 g 值也很低的低頻活動,如土木匠程中的振動丈量。


壓阻式感測

壓阻式感測是直流呼應加快度傳感器經常操縱的另外一種丈量手藝。壓阻式加快度傳感器不是感到慣性品質中的電容變更(這是電容式器件所接納的手藝),而是在作為加快度傳感器慣性體系一局部的應變片中發生電阻變更。大大都工程師都很熟習應變片,并且曉得若何與其輸出相連。大大都壓阻式設想的輸出凡是對溫度變更較為敏感。是以,須要在內部或內部對其輸出操縱溫度彌補。古代的壓阻式加快度傳感器集成了用于一切情勢的板載旌旗燈號調理及原位溫度彌補的 ASIC。


壓阻式加快度傳感器的帶寬能夠或許或許或許到達 7,000 赫茲以上。很多壓阻式器件接納了氣態阻尼(MEMS 型)或液態阻尼(粘合應變片型)的設想。阻尼特點能夠或許或許或許或許是挑選加快度傳感器的主要身分。在機械輸出能夠或許或許或許或許包羅甚高頻輸出(或激起高頻呼應)的操縱中,阻尼加快度傳感器能夠或許或許或許避免傳感器振鈴(諧振)并保持或改良靜態規模。壓阻式傳感器的輸出是差分和純電阻性的,是以信噪比機能凡是較為凸起;其靜態規模只受直流橋式縮小器品質的限定。對 g 值極高的打擊丈量,某些壓阻式設想能夠或許或許或許或許處置遠高于 10,000g 的加快度。


因為具備更高的帶寬才能,壓阻式加快度傳感器最合合用于頻次規模和 g 值凡是較高的脈沖/打擊丈量。作為直流呼應型器件,您能夠或許或許或許從其加快度輸出中切確地導出所需的速率和位移信息,而不呈現積分偏差。壓阻式加快度傳感器凡是用于汽車寧靜測試、兵器測試和超出 VC 加快度傳感器可用規模的更高打擊規模的丈量。


總結

每種加快度傳感器感測手藝都有其各自的優錯誤謬誤。在做出挑選之前,領會各類范例的根基差別和測試請求非常主要。


起首,如需丈量靜態或甚低頻 (1Hz) 的加快度,或要從加快度數據中提取速率和位移信息,請只挑選直流呼應式加快度傳感器。直流和交換呼應加快度傳感器都可靜態丈量。若是只須要停止靜態丈量,您完整能夠或許或許或許按照本身的愛好挑選直流或交換呼應型器件。某些用戶不想處置直流呼應型傳感器的零點偏移,是以更喜好壓電式設想的交換耦合單端輸出。也有些用戶不介懷處置零點偏移和四根導線(若是為單端情勢,則為 3 線),并且喜好直流呼應加快度傳感器的分路校準和內置功效測試(2g 轉換)功效。綜上所述:


電荷輸出式壓電設想布局簡略、資料機能堅忍,是最耐用的加快度傳感器范例。


對低溫 (>150°C) 靜態丈量操縱,電荷輸出式壓電設想是不言而喻的最好挑選;而在大大都情況下,它也是獨一的挑選。操縱電荷輸出式器件時,斟酌到其高阻抗輸出,應操縱低噪聲同軸電纜,并操縱長途電荷縮小器(或直插式電荷轉換器)來調理其電荷輸出。


對靜態丈量來講,電壓輸出式壓電設想是最受接待的加快度傳感器范例。它尺寸小、帶寬高并且內置有電荷轉換器,可與很多古代化的旌旗燈號闡發儀和數據收羅體系(供給集成 IEPE/ICP 電源的體系)間接相連。電壓輸出式壓電設想凡是被限定在 <125°C 的操縱規模,但因為其輸出阻抗低,可為您免卻操縱低噪聲同軸電纜的費事。


電容式設想具備臨界阻尼到過阻尼呼應才能,是以合用于低頻丈量。低本錢的 SMD 級器件合用于切確度請求不高的多量量汽車和花費品操縱。更高貴一些的儀表級硅 MEMS 電容式加快度傳感器具備杰出的橫向不變性和極低的噪聲。電容式加快度傳感器具備低阻抗輸出和 ±2V 到 ±5V 的滿量程輸出。大大都設想須要操縱調理直流電壓來供電。


壓阻式加快度傳感器在頻次和靜態規模方面表現優良。作為直流呼應型器件,它能夠或許或許或許或許處置靜態加快度并發生切確的速率和位移數據。其較高的帶寬也能知足大大都靜態丈量操縱的需要。壓阻式設想可供給各類水平的減幅(從 ζ =0.1 到 0.8)呼應,這使其合合用于各類測試前提,包含打擊實驗。通俗的壓阻式加快度傳感器(無電子元件)體積玲瓏、分量輕,具備 ±100 到 ±200mV 的滿量程輸出。縮小型號(內置 ASIC)具備低輸出阻抗 (<100Ω) 和 ±2V 到 ±5V 的滿量程輸出。

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