压电型加速度传感器技术手册8

10. 加速度传感器的正确使用方法

10.1 加速度传感器的构造和用途

压电型加速度传感器和其他类型相比，在灵敏度上具有较高的共振频率，所以现在在各方面都得到广泛应用。根据其构造大致可以分为以下三种。

（1）压缩型

基座和质量块之间的压电体通过螺丝进行固定的构造。机械强度高，可以检测高量级冲击试验。缺点是压电体的极化方向和电气输出口方向一致，容易受焦电效应的影响。但是可以通过增加低通滤波器来消除焦电效应带来的低频（数Hz）干扰。

压缩型加速度传感器对于灵敏度有很高的共振频率，适用于一般振动检测中，也适用于高速旋转机器、管道泄漏等高频振动检测领域。

（2） 剪切型

压电体的极化方向和电气输出口方向成90°直交，不受焦电效应的影响。其构造如图10.1.2，压电体的两极面受到剪切力的影响，错位产生电荷。

原理上，机械强度比较低，在质量块和压电体的固定方法上花点工夫，可以进行相当高加速度的检测。焦电效应引起的干扰基本上很低，在低频振动检测或温度变化激烈的场所检测比较有利。另外，基座受压对灵敏度影响小也是其一大特长。

（3） 悬垂型

与双压电晶片的原理相同，利用压电体的横向效果。压电体薄板粘接在金属板上，质量块动作，使其弯曲，根据弯曲程度按比例输出。

构造上，根据用途或式样有中心固定、两端固定、一端固定等方式，共振频率不是很高。但是，在低频域中可以实现高灵敏度，适用于地震或地盘振动、大坝水电站等大型设施的微小振动检测领域。

以下，将各类型加速度传感器的特长进行汇总，请根据用途进行选择。

压缩型

○机械强度高。（最大使用加速度大。）

○对应共振频率，灵敏度高。（高频检测可）

剪切型

○热干扰小。

○基座对灵敏度影响小。

○可制作成高灵敏度传感器。

悬垂型

○在低频域有非常高的灵敏度。

○可制作成轻便小巧型传感器。

10.2 安装方法

加速度传感器固定最关键的是必须保证基座面和振动体表面完全紧密贴合。为了此目的，加速度传感器的基座面都是精密加工的，中心位置有可以固定传感器的螺孔。最理想状态就是将振动体表面尽可能打磨平滑，且在接触面涂敷上硅胶油或润滑油后用螺钉进行固定。固定状态的好坏直接影响测量效果，特别是高频特性中影响最明显（参考4.4接触共振频率章节）。

但是在实际的现场，并不是完全满足以上理想条件的，比如使用锉刀对表面进行研磨也很难达到平整光滑的程度。此时，可以使用硅胶油或润滑油等，将凹凸面填平，提高接触面的刚性和紧密性。

下面说明各种通过选配件进行固定的情况。

【绝缘螺栓】

用于将加速度传感器的外壳和地线（GND）绝缘，防止地回路引起的干扰。在安装上的注意点是，虽然和安装加速度传感器一样，但首先要将加速度传感器安装在绝缘螺栓上，接着通过绝缘螺栓六角部将两者固定。然后将其固定在涂有硅胶油的表面上。固定力矩参考表10.2.1。

【磁性辅助块】

振动体为可以被磁铁吸附的金属时，可以使用磁性辅助块进行固定加速度传感器。根据与振动体的接触情况，高频域特性有明显的不同，所以需要尽量将接触面研磨平整，涂敷上硅胶油或润滑油的话，可以和螺丝固定同样得到高频域特性，参考图4.4.4。当然，加速度传感器的重量大小，也会对高频特性有影响。

【盖螺母】

振动体上无法打孔或无法用磁铁辅助块吸附的时候，可以使用胶水或两面胶带固定。但是加速度传感器基座底部直接粘附胶水的话，试验后去除胶水比较麻烦，而且胶水进入中心螺孔的话，螺纹就会失去作用，此时，使用盖螺母的话就可以解决。一头带螺柱，一头平滑面，平滑面可以使用胶水进行固定，这个螺母

其实就是为了保护传感器底面。

10.3 低噪声干扰电线

压电型加速度传感器的输出阻抗是非常高的，所以电线机械式弯曲或螺旋扭曲变形的话，会产生静电干扰。

这种电线一般都是同轴电缆，受到机械弯曲或扭曲的话，如图10.3.2屏蔽层导体和绝缘层之间形成局部电容。摩擦等使其内部产生电荷，这些电荷通过导体对加速度传感器的输入部进行放电，产生干扰，这种现象叫做Trivo效应。

为了降低此效果影响，不形成局部电容一般使用低噪声干扰电缆，这种电缆在绝缘体表面进行包膜处理。即使屏蔽层和绝缘体层形成分离，也不会形成局部电容，即不产生Trivo效应。在实际使用中还是要将此电缆固定好，尽量在试验中不要使电缆晃动，尽量振动对电线的影响。

内藏型加速度传感器（电压型）使用的时候，输出阻抗比较低（300Ω以下），所以一定要使用低噪声干扰电线。

10.4 低频低量级振动的检测

低频且低量级的振动检测场合，特别需要保证检测系统有高的S/N比。所以需要选择使用高灵敏度的传感器。低频截止频率可根据检测目的决定（请参考4.2）。如果响应范围超出必要范围扩展到低频，在急剧温度变化下就会产生焦电效应，导致S/N比恶化（请参考8.3）。在温度急剧变化场合需要检测低频数Hz的话，简易使用剪切型加速度传感器。

10.5 冲击及过渡振动的检测

冲击振动检测的场合，带有加速度传感器检测系统的过渡响应特性变得非常重要。冲击频率低的话，脉宽大的话会有零点偏移的误差，系统的低频特性来决定（参照7.1）。冲击频率高的话，振荡干扰就会变大，系统高频特性决定（参照7.2）。

零点偏移虽然对波形的有效值不影响，但在测量峰值时需要考虑进去，特别是通过积分器求取速度或位移的场合。

在实际测量中，所需要的系统时间常数或固有共振频率的数值，请参考下列各表。

【零点偏移造成的误差】

【振荡干扰造成的误差】

半正弦波即半三角波

但是加速度传感器的衰减比h≈0。

10.6 轻振动体场合

压电型加速度传感器在原理上属于接触型振动传感器。所以，在振动测量时，通常需要将传感器的动态质量考虑进去。一般重量也就数10克左右，所以一般振动测量没有什么问题。但是在测量质量比较轻的振动体时，加上传感器质量的话会影响振动体的振动模态。特别是小而薄振动板的共振特性测量时，加上传感器的质量就会降低共振频率（下式10.6.2）。此时，就需要使用小而轻的加速度传感器。一般将加速度传感器的质量控制在试验体重量的1/10以下比较合适。

10.7 地回路（groud loop）

地回路引起的干扰一般在测量检测系统中的接地线有两个以上时会发生，因为各接地线间会多少产生电位差，在测量系统内部产生微量循环电流。尤其使用220V或100V交流电源时，50Hz或者60Hz及其各阶谐波频率处有干扰（这种情况一般称为市电干扰）。

为了防止地回路，需要系统只有一个接地线。需要对加速度传感器进行绝缘，可使用绝缘胶带或上面介绍的绝缘螺栓、绝缘磁块等。最理想的接地方式是最终端的检测器处提供系统共用的一处接地线，传感器和各种放大器等采用浮地措施，如下图10.7.2。