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- 加速度計(jì)的工作特性簡(jiǎn)介
- 來(lái)源：賽斯維傳感器網(wǎng) 發(fā)表于 2015/7/17
為了得到高度真實(shí)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，使用者應(yīng)當(dāng)全面地了解所用儀器的工作特性，這些特性是怎樣互相影響的，整個(gè)環(huán)境對(duì)這些特性是如何影響的，以及加速度計(jì)對(duì)被測(cè)運(yùn)動(dòng)是如何影響的。
加速度計(jì)是關(guān)鍵的測(cè)量元件，有多種設(shè)計(jì)型式供選用。每種設(shè)計(jì)型式都為某些特定用處設(shè)計(jì)的，目的是為獲得高保真的測(cè)量數(shù)據(jù)。
工程師們應(yīng)認(rèn)真地分析測(cè)量的要求，選用最合適的加速度計(jì)，通常要在靈敏度，重量和頻響范圍三者之間比較，做出最合適的選擇。
傳感器主要工作特性分為有效響應(yīng)與亂真響應(yīng)兩類(lèi)。
有效響應(yīng) effective response
在傳感器靈敏軸方向上，由輸入的機(jī)械振動(dòng)或沖擊所引起的傳感器的響應(yīng)。這種響應(yīng)是正確使用傳感器進(jìn)行測(cè)量，取得可靠數(shù)據(jù)所期望的。
亂真響應(yīng) spurious response
在使用傳感器測(cè)量機(jī)械振動(dòng)或沖擊時(shí)，由同時(shí)存在的其他物理因素所引起的傳感器的響應(yīng)。這種響應(yīng)是干擾正確測(cè)量的，是不期望的。（見(jiàn)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GB/T 13823.1-93）
有效響應(yīng)主要有：
靈敏度；幅頻響應(yīng)和相頻響應(yīng)；非線性度。
亂真響應(yīng)主要有：
溫度響應(yīng)；瞬變溫度靈敏度；橫向靈敏度；旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)靈敏度；基座應(yīng)變靈敏度；磁靈敏度；安裝力矩靈敏度； 對(duì)特殊環(huán)境的響應(yīng)。（見(jiàn)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GB/T 13823.1-93）
靈敏度：（Sensitivity）指定的輸出量與指定的輸入量之比。
參考靈敏度：（Reference Sensitivity）在給定的參考頻率和參考幅值下傳感器的靈敏度值。
傳感器靈敏度越高，測(cè)量系統(tǒng)的信噪比就越大，系統(tǒng)就不易受靜電干擾或電磁場(chǎng)的影響。對(duì)某種具體的加速度計(jì)設(shè)計(jì)型式來(lái)說(shuō)，靈敏度越高，則傳感器越重，共振頻率也越低。因此選用多大靈敏度受其重量和頻率響應(yīng)的制約。
一般情況下，傳感器的靈敏度包括幅值與相位兩個(gè)信息，是隨頻率變化的復(fù)數(shù)量。
幅頻響應(yīng)和相頻響應(yīng)
在輸入的機(jī)械振動(dòng)量值不變的情況下，傳感器輸出電量的幅值隨振動(dòng)頻率的變化，稱為幅頻響應(yīng)。而輸出電量的相位隨振動(dòng)頻率的變化，稱為相頻響應(yīng)。
在工作頻段內(nèi)連續(xù)地改變振動(dòng)頻率，且維持輸入的機(jī)械振動(dòng)量幅值不變，同時(shí)觀測(cè)傳感器的輸出，便可測(cè)定幅頻響應(yīng)。若同時(shí)測(cè)量傳感器輸出電量與輸入機(jī)械振動(dòng)量間的相位差，則又可測(cè)定相頻響應(yīng)。
一般情況下，只要求知道幅頻響應(yīng)。在接近傳感器上、下限頻率處使用傳感器，或有要求時(shí)，則必須知道相頻響應(yīng)。
非線性度
在給定的頻率和幅值范圍內(nèi)，輸出量與輸入量成正比，稱為線性變化。實(shí)際傳感器的校準(zhǔn)結(jié)果與線性變化偏離的程度，稱為該傳感器的非線性度。
在由最小值到最大值的傳感器動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)，逐漸增大輸入的機(jī)械振動(dòng)量，同時(shí)測(cè)量傳感器輸出幅值的變化，便可測(cè)定傳感器的輸出值與線性輸出值的偏差量。在使用正弦振動(dòng)發(fā)生器進(jìn)行測(cè)定時(shí)，可在傳感器的工作頻率范圍內(nèi)選定幾個(gè)頻率進(jìn)行，以覆蓋傳感器整個(gè)動(dòng)態(tài)范圍。
一般在傳感器動(dòng)態(tài)范圍的上限附近傳感器的輸出值與線性值的偏差量最大。所允許的偏差量取決于具體測(cè)量的要求。
對(duì)壓電加速度計(jì)，一般用在一定的加速度范圍內(nèi)，其靈敏度增加的百分?jǐn)?shù)來(lái)表示非線性度。壓阻式，變電容式加速度計(jì)在其動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)線性度較好，它代表了非線性、滯后和非重復(fù)性的綜合值。
質(zhì)量負(fù)載的影響
如果加速度計(jì)的動(dòng)態(tài)質(zhì)量接近被測(cè)結(jié)構(gòu)物的動(dòng)態(tài)質(zhì)量，則會(huì)使振動(dòng)產(chǎn)生明顯的衰減。為此在諸如印刷電路板等又薄又輕的片狀構(gòu)件上測(cè)振時(shí)，為了得到準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)必須采用重量輕的加速度計(jì)。如果被測(cè)物件呈現(xiàn)單自由度的響應(yīng)，則加速度計(jì)將使其共振頻率下降。在所有的模態(tài)試驗(yàn)中必須使用微型加速度計(jì)。
低頻響應(yīng)
使用壓電加速度計(jì)時(shí)，所用放大器低頻截止頻率多為2－5Hz，目的是以此來(lái)剔除許多壓電傳感器的熱釋電輸出。像隔離剪切式設(shè)計(jì)等隔離性好的設(shè)計(jì)型式可用在較低的頻率。壓阻式和變電容式加速度計(jì)則具有零頻響應(yīng)。
高頻響應(yīng)
加速度計(jì)的高頻響應(yīng)隨加速度計(jì)的機(jī)械性能和安裝方法而變。在安裝牢固時(shí)，大多數(shù)加速度計(jì)呈現(xiàn)無(wú)阻尼單自由度系統(tǒng)的頻響特性。以±5％為要求的話，其頻率響應(yīng)約平整到安裝共振頻率的五分之一。如果加適當(dāng)?shù)男拚驍?shù)，則可在更高的頻率上得到有用的數(shù)據(jù)。
溫度響應(yīng)
傳感器靈敏度隨溫度的變化，稱為傳感器的溫度響應(yīng)。用測(cè)試溫度下的靈敏度與室溫下的靈敏度之差相對(duì)于室溫靈敏度的百分?jǐn)?shù)來(lái)表示。
常用壓電加速度計(jì)的溫度范圍為零度以下至＋177°C 或 ＋260°C。某些特定型號(hào)，低溫可達(dá)絕對(duì)零度，高溫可達(dá)760°C。很多種壓電加速度計(jì)設(shè)計(jì)型式在很寬的溫度范圍內(nèi)的溫度響應(yīng)很平。壓阻式、變電容式加速度計(jì)的典型溫度范圍為－18°C～＋93°C。
壓電傳感器的瞬變溫度靈敏度
具有熱釋電效應(yīng)的傳感器在瞬變溫度作用下將產(chǎn)生電輸出，該輸出的最大值與傳感器靈敏度和溫度改變量乘積的比值稱為瞬變溫度靈敏度。
在溫度產(chǎn)生變化時(shí)，壓電元件會(huì)產(chǎn)生輸出信號(hào)，這稱之為熱釋電效應(yīng)。試件或氣流溫度的突變會(huì)引起這種溫度變化。大多數(shù)情況下這種效應(yīng)是很低頻的，只有信號(hào)適調(diào)儀的響應(yīng)在1赫以下，才能檢測(cè)到。如果信號(hào)適調(diào)儀有級(jí)間高通濾波器，則應(yīng)特別注意，熱釋電信號(hào)可能會(huì)使放大器飽和，使它短時(shí)間不工作。
基座隔離式，剪切式，隔離剪切式設(shè)計(jì)的熱釋電效應(yīng)較小。壓阻式，變電容式的這種效應(yīng)是可以忽略的。
橫向靈敏度
對(duì)于單向測(cè)量來(lái)說(shuō)，要求加速度計(jì)不得對(duì)被測(cè)物體的橫向運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生任何響應(yīng)是十分必要的。但加速度計(jì)不可能是完美無(wú)缺的，總是有一定的橫向靈敏度，它與橫向振動(dòng)的方向有關(guān)，其橫向靈敏度一般為軸向靈敏度的1～5％。恩德福克對(duì)每個(gè)加速度計(jì)進(jìn)行橫向靈敏度校準(zhǔn)并給出其最大值。
橫向靈敏度比
在與傳感器靈敏軸垂直的方向上受到激勵(lì)時(shí)傳感器的靈敏度，稱為橫向靈敏度。橫向靈敏度與沿靈敏軸方向上的靈敏度之比，稱為橫向靈敏度比。
旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)靈敏度
某些直線振動(dòng)傳感器對(duì)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)是敏感的。在進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)必須小心。以免造成測(cè)量誤差。
基座應(yīng)變靈敏度
在傳感器基座產(chǎn)生應(yīng)變時(shí)會(huì)引起不應(yīng)有的信號(hào)輸出，該輸出值與傳感器靈敏度和應(yīng)變值乘積的比值，稱為基座應(yīng)變靈敏度。
在某些試驗(yàn)中，加速度計(jì)安裝處可能會(huì)存在動(dòng)態(tài)彎曲、扭轉(zhuǎn)、拉伸等。由于與應(yīng)變區(qū)緊密接觸，加速度計(jì)底座也會(huì)發(fā)生應(yīng)變。部分應(yīng)變會(huì)傳給敏感元件，從而產(chǎn)生與振動(dòng)運(yùn)動(dòng)
無(wú)關(guān)的輸出信號(hào)。
剪切式設(shè)計(jì)的加速度計(jì)要比壓縮式的對(duì)基座應(yīng)變的敏感程度小一個(gè)數(shù)量級(jí)。應(yīng)用絕緣安裝螺釘或粘貼式轉(zhuǎn)接件可以減小這種影響。
磁靈敏度
傳感器被置于磁場(chǎng)中會(huì)產(chǎn)生的不應(yīng)有的信號(hào)輸出，該輸出值與傳感器靈敏度和磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度乘積的比值，稱為傳感器的磁靈敏度。
安裝力矩靈敏度
采用螺紋安裝的傳感器，安裝力矩的變化會(huì)引起靈敏度發(fā)生變化。施加1/2倍規(guī)定安裝力矩或施加2倍規(guī)定安裝力矩時(shí)的靈敏度與施加規(guī)定安裝力矩時(shí)的靈敏度之最大差值，相對(duì)于施加規(guī)定安裝力矩時(shí)靈敏度的比值的百分?jǐn)?shù)，稱為安裝力矩靈敏度。
特殊環(huán)境的響應(yīng)
在強(qiáng)靜電場(chǎng)、交變磁場(chǎng)、射頻場(chǎng)、聲場(chǎng)、電纜影響、核輻射等的特殊環(huán)境下，某些傳感器會(huì)受到嚴(yán)重的影響，這些物理因素將引起傳感器產(chǎn)生亂真響應(yīng)。
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