動(dòng)態(tài)振動(dòng)測(cè)量在眾多領(lǐng)域至關(guān)重要，涵蓋軍工、汽車 / 卡車與機(jī)械設(shè)備，以及半導(dǎo)體晶圓廠等關(guān)鍵制造場(chǎng)所，甚至可用于地震事件的探測(cè)與監(jiān)測(cè)。壓電式加速度傳感器是這類測(cè)量中常用的傳感器之一。

壓電式加速度傳感器的選型參數(shù)包括：響應(yīng)類型（交流或直流）、靈敏度、輸出類型（電荷或電壓）、頻率范圍、幅值（重力加速度 g 值）、寬帶分辨率、頻譜噪聲、橫向靈敏度、集成電子器件 / 信號(hào)調(diào)理、安裝方式（螺柱、粘接、通孔等）、連接器類型，以及環(huán)境條件（包括工作溫度范圍、過(guò)載極限、靈敏度溫度系數(shù)）。

近年來(lái)（1980 年起）新增了適用于多場(chǎng)景的速度評(píng)判（VC）曲線規(guī)范。圖 1 展示了最新版 VC 等級(jí)的均方根速度（單位：μm/s）隨 1/3 倍頻程頻率（單位：Hz）的變化曲線。根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO），前四個(gè)振動(dòng)等級(jí)體現(xiàn)了四種不同建筑環(huán)境振動(dòng)對(duì)人體的典型影響。VC 限值被廣泛用于評(píng)估和管控振動(dòng)對(duì)精密醫(yī)療、科研設(shè)備及其他地震敏感場(chǎng)景的影響。

注：VC?B 及以上曲線采用公制單位，較低等級(jí)曲線采用英制單位。VC?C 至 VC?G 僅規(guī)定了低等級(jí)限值；VC?H 至 VC?M 不建議作為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，僅用于超安靜研究場(chǎng)所的評(píng)估。

圖 1. 適用于多場(chǎng)景的速度評(píng)判（VC）曲線覆蓋范圍極廣。此更新版本標(biāo)注了 NIST?A、NIST AI 以及 VC?H 至 VC?M 等級(jí)。（圖片來(lái)源：Minus K Technology）

選擇

選擇合適的壓電式加速度傳感器，需滿足特定應(yīng)用的關(guān)鍵參數(shù)要求。美國(guó)供熱、制冷與空調(diào)工程師協(xié)會(huì)（ASHRAE）、環(huán)境科學(xué)與技術(shù)研究所（IEST）、美國(guó)鋼結(jié)構(gòu)學(xué)會(huì)（AISC）、美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）等行業(yè)機(jī)構(gòu)，為多項(xiàng)振動(dòng)參數(shù)提供了要求與評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。

供應(yīng)商數(shù)據(jù)手冊(cè)中最重要的信息，或許是其產(chǎn)品是否符合應(yīng)用所需的特定等級(jí)。若未明確標(biāo)注，用戶應(yīng)聯(lián)系供應(yīng)商確認(rèn)傳感器的目標(biāo)性能。例如，圖 2 對(duì)比了一款超高靈敏度加速度傳感器的底噪與 VC?G、NIST?A 等級(jí)。該傳感器可在全頻段內(nèi)評(píng)估 VC?G 合規(guī)性，并在低至約 0.5 Hz 的頻率下評(píng)估 NIST?A 合規(guī)性。

圖 2. 單軸地震加速度傳感器底噪與 VC?G、NIST?A 限值對(duì)比。（圖片來(lái)源：PCB）

使用

除依據(jù)量程、帶寬等參數(shù)選擇合適傳感器外，通常還需對(duì)偏移量與量程進(jìn)行校準(zhǔn)，并遵循其他應(yīng)用評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。

由于振動(dòng)的頻率與幅值范圍取決于加速度傳感器的速率與噪聲水平，可能需要通過(guò)低通濾波器或減震器濾除噪聲。

為獲得最佳效果，傳感器的數(shù)據(jù)采樣速率應(yīng)至少為被測(cè)最高振動(dòng)頻率的4 倍。如需實(shí)現(xiàn)精確的三維姿態(tài)測(cè)量，往往需要采用卡爾曼濾波等傳感器融合技術(shù)。

大多數(shù)工業(yè)加速度傳感器的頻率響應(yīng)以 ±3 dB 點(diǎn)為標(biāo)定值，因此安裝方式會(huì)顯著改變加速度傳感器系統(tǒng)（傳感器 + 安裝座）的標(biāo)定范圍，必須保證牢固安裝。同時(shí)，傳感器的底噪必須遠(yuǎn)小于被測(cè)信號(hào)。

加速度傳感器供應(yīng)商官網(wǎng)通常會(huì)提供應(yīng)用建議與使用技巧，其中常包含安裝與操作說(shuō)明。例如《傳感器安裝對(duì)測(cè)量的影響》一文指出了多個(gè)會(huì)顯著影響測(cè)量重復(fù)性與可靠性的安裝要點(diǎn)。

信賴

將三個(gè)單軸加速度傳感器安裝在金屬立方體上，常用于模擬三軸測(cè)量。若傳感器安裝不當(dāng)，或其相對(duì)方向未完全正交（互成 90°），測(cè)量結(jié)果會(huì)出現(xiàn)明顯偏差，在估算旋轉(zhuǎn)剛度時(shí)偏差尤為顯著。

三軸加速度傳感器的一項(xiàng)關(guān)鍵性能指標(biāo)是串?dāng)_，即外力作用時(shí)非被測(cè)軸向可能產(chǎn)生的最大信號(hào)。例如，在 X 方向施加激勵(lì)時(shí)，Y 方向測(cè)到虛假振動(dòng)，即為串?dāng)_。產(chǎn)品手冊(cè)會(huì)標(biāo)注橫向靈敏度來(lái)量化這一效應(yīng)。為滿足指標(biāo)要求，三軸加速度傳感器會(huì)經(jīng)過(guò)精密裝配以最小化串?dāng)_。

線纜布線會(huì)影響測(cè)量結(jié)果（可靠性與精度）和線纜壽命。供應(yīng)商數(shù)據(jù)手冊(cè)同樣會(huì)提供應(yīng)用建議以減少相關(guān)問(wèn)題。

終身質(zhì)保承諾，或許是讓你信賴所選加速度傳感器的最后一環(huán)。