如何选择加速度计的频率指标？

每一种型号的传感器都有特别适用的应用场景，因此，测试时必须根据测试使用要求，选择最合适的加速度传感器。在选择加速度传感器时，主要从传感器性能、环境因素、电气特性和物理特性四个方面去考虑。

传感器性能包括灵敏度、量程、谐振频率、频响特性、线性度和横向效应等指标。环境因素包括使用环境、温度响应和冲击极限等。电气特性包括激励电压与电流、稳定时间等。物理特征包括敏感材料、尺寸、重量、结构设计和出线方式等。

1.传感器性能

量程/灵敏度：每个传感器都有测量范围，通常量程大的传感器，灵敏度低，量程小的传感器，灵敏度高。通常传感器输出电压的上限为5V，因此，传感器灵敏度乘以量程得到的为传感器的最大输出电压5V。如某型号传感器的灵敏度为50mV/g，则该传感器的量程为100g。通常ICP型加速度传感器满足这个规律，而其他类型，如零频加速度传感器，则不满足此规律。另一方面，传感器灵敏度越高，则传感器的质量越大，传感器输出电压越大，信噪比越高，分辨能力越强。对于测试不同的结构，应选择相匹配的传感器量程。通常，土木桥梁和超大型机械结构加速度振动量级在0.1～10g范围内，机械设备的振动在10～100g范围内。

谐振频率：传感器本身也是一个结构，因而，也存在固有频率。通常，把传感器的第一阶固有频率称为谐振频率。传感器尺寸越小，谐振频率越高。加速度计的使用上限频率取决于幅频曲线中的谐振频率。一般传感器的工作频率范围在其自身谐振频率的1/3以下。

频响特性：一般加速度传感器的工作频率上限为自身谐振频率的1/3左右。另一方面，通常加速度传感器低频特性较差，信号衰减严重，而在高频段线性度差，非线性影响严重。如图2-2所示为某型号加速度计的频响曲线，从曲线图中可以看出，在5Hz以下没有给出频响特性，这说明在5Hz以下衰减严重，频响特性差，在5kHz以上线性度差，其谐振频率约为18kHz。因此，该传感器的工作频率为5kHz以下。在选择加速度计时，加速度计的频率上限稍高于关心的被测结构的振动频率即可。一般，土木工程结构的频率范围在0.1～1000Hz范围内，机械设备是中频段，频率范围在0.5～5kHz范围内。另外，传感器的安装刚度对传感器能测的频率范围也有影响，关于这一点，请参考本章2.2传感器怎样安装才能满足测试要求。

图2-2 某加速度计的频响曲线

线性度：由于传感器测量时只能输入单一灵敏度，因此，用于描述在一定的频响范围内，传感器的灵敏度是否满足实际的灵敏度的指标，即为线性度。相对而言，在低频段（如5Hz以下），传感器的灵敏度会低于实际的灵敏度。而在高频段（如大于工作频率上限），灵敏度会高于实际的灵敏度。只有在中间频段，灵敏度满足线性关系，如图2-2所示。如果传感器不在线性区间进行测量，则测量得到的幅值误差较大，一般要求传感器非线性小于1%。

横向效应：当测量某个方向的振动时，信号输出应该全部来自振动感知方向，但实际上在与该方向垂直的方向也有信号输出，这种效应称为横向效应。横向效应灵敏度越低，性能越好，一般而言，传感器都存在一定的横向效应，通常标称横向效应小于5%。

2.环境因素

使用环境：传感器使用时受温度、湿度、尘土等环境因素的影响。任何一种传感器都有自身的工作温度范围，因此必须根据实际测点位置的温度，以及环境温度来选择合适的传感器。另外，对于测试环境存在潮湿、腐蚀和电磁场等影响因素时，选择传感器时也应该考虑这些因素。

图2-3 某传感器的温度响应曲线

温度响应：传感器的灵敏度会受到温度的影响，当温度发生了改变，如果我们还使用常温下的灵敏度，则会给测量带来误差。如图2-3所示为某传感器的温度响应曲线，从图2-3中可以看出，在室温时，传感器的灵敏度没有偏差，但当温度远离室温时，灵敏度偏差越来越大。因此，传感器的工作温度应与温度响应曲线中灵敏度无偏差的温度一致。(www.xing528.com)

冲击极限：表示传感器能经受的瞬时冲击限制，通常用峰值表示，如某传感器的冲击极限为±7000gpk。

3.电气特性

激励电压/电流：有源传感器都需要提供激励电压/电流才能正常工作，像ICP型传感器需要提供20～30VDC激励电压和2～20mA的恒流激励。当今的数据采集仪普遍内置了这样的供电装置，因此，可直接给ICP传感器供电。但还有很多其他类型的加速度传感器，如MEMS加速度传感器、力平衡式加速度传感器等，如果采集仪不能提供相应的激励电压/电流，则需要选择外部供电方式。

稳定时间：对于ICP型传感器，由于存在放电常数，当给传感器供电时，传感器输出的信号会从无穷远处慢慢地稳定到基线附近，这个时间称为稳定时间。而我们在进行测量时，应待传感器输出的信号稳定之后再进行测量。通常这个时间只需要几秒钟。

4.物理特性

敏感材料：压电式传感器和ICP型传感器多半采用石英晶体或压电陶瓷作为敏感材料。石英晶体的介电和压电常数的温度稳定性好，适用于做工作温度很宽的传感器。具有压电效应的压电陶瓷是人工合成的材料，原始的压电陶瓷不具有压电效应。由于压电陶瓷具有制作工艺方便、耐湿、耐高温等优点，当今的压电传感器多半采用压电陶瓷作为敏感材料。

尺寸和质量：加速度传感器外形以圆柱体和六面体居多，而圆柱形的加速度传感器又分顶部出线和侧面出线两种方式。选择加速度计的外形尺寸时，主要受安装位置空间的影响，对于安装位置空间有限的测点，必须选择合适的传感器外形尺寸。另一方面，在选择传感器类型时，还必须考虑传感器本身的重量带来的附加质量的影响，特别是测试轻质结构时，传感器本身重量影响显著。可能对待测结构总质量来说，传感器的总质量很少，但是，参与振动的不是结构的全部质量，而是参与振动的那部分质量，称为有效质量，此时，传感器的总质量可能相对于参与振动的那部分有效质量会很大，此时传感器附加质量的影响也会很明显。另外，传感器安装时，可能还会使用工装，此时工装的质量对结构振动幅值会存在影响。对于测量一些小巧轻型的结构振动参数时，传感器和工装质量引起的“额外”荷载可能会改变结构的原始振动，从而使测得结果无效。因此，在这种情况下应该使用小而轻的传感器，评估加速度计质量-荷载的影响可用下式：

式中 a_r——带有加速度计的结构加速度响应；

a_s——不带有加速度计的结构加速度响应；

m_s——待装加速度计的结构“部件”的等效质量；

m_a——加速度计的质量。

因此，应注意因附加质量而改变结构振动的幅值和频率，这在大型的工程结构测试中，并不突出，而对小型的机械零部件影响较大，测试分析中要考虑与评估。关于对测量频率的影响请参阅第4章4.10评价传感器附加质量对模态频率的影响。