加速度传感器技术比较三

技术比较

对于工业状态监测和预见性维护应用，以下振动规范参数被认为是确保长期、可靠、稳定和准确性能的关键。

·          宽频响应

·          测量分辨率和动态范围

·          基于最小偏移量的长期稳定性

·          工作温度范围

·          封装选项和安装便捷性

·          传感器输出选项

在以下段落中，我们将比较典型压电状态监测加速度传感器和宽带 MEMS 可变电容加速度传感器（也用于状态监测应用）的这些关键性能规格。

两种加速度传感器的满量程 (FS) 均为 ±50g。

频率响应

我们在 SPEKTRA GmbH CS18 HF 高频校准振动台（振幅范围为 5Hz 至 20KHz）上测试了两种加速度传感器的频率响应。传感器安装牢固，以确保在整个测试范围内获得准确结果。我们对每种技术（PE 和 MEMS VC）各测试了三个传感器，以确保结果的一致性。

测试结果说明如下。假设最大 ±1dB 的幅度偏差作为可用带宽，但带宽容差通常使用 ±5% 的更严格的偏差。数据表明，VC MEMS 传感器的可用带宽高达 3KHz，而压电传感器的可用带宽 >10KHz（该特定 PE 传感器的可用带宽在最高 14KHz 的规格范围内）。

值得注意的是，PE 传感器的低频截止频率为 2Hz，而 MEMS 传感器的响应频率低至 0Hz，因为它是一个直流响应器件。

测量分辨率和动态范围

为确定压电传感器和 VC MEMS 传感器的测量分辨率和动态范围，我们在隔离室中对样品进行了测试，该室具有最先进的测量设备，能够实现 micro-g 测量分辨率。这些装置安装在同一腔室内并同时进行测试，以消除外界环境干扰造成的任何误差。

测量在四个不同带宽设置下进行，并且在每个设置下测量残留噪声。测量结果详见下表。

各种带宽下的残留噪声比较

测量分辨率比较

基于最小偏移量的长期稳定性

PE 传感器的长期稳定性在 30 多年的现场安装中是众所周知的。压电晶体具有固有稳定性，随着时间的推移仍表现出优异的稳定性。长期漂移参数也将取决于所用的晶体配方，因此难以呈现实际值。石英材料的 PE 加速度传感器具有最佳的长期稳定性，但受产量和成本限制，极少用于状态监测中。PZT（锆钛酸铅-锆酸盐）晶体是 PE 加速度传感器中最常用的晶体，并且正日益成为大多数应用的理想晶体选择。

可变电容 MEMS 加速度传感器还具有宽范围的长期漂移限制，具体取决于 MEMS 设计结构。虽然体硅微加工 MEMS 传感器具有最佳的长期漂移，但其成本也明显更为昂贵，因此通常只用于惯性应用中。针对状态监测，MEMS 供应商提供了一种表面微加工 VC MEMS 传感器，这类传感器的成本虽然要便宜得多，但最终用户将无法获得较好的测量分辨率和长期稳定性。表面微加工设计的 MEMS 结构不如体硅微加工的 MEMS 传感器稳定。

工作温度范围

PE 和 VC MEMS 加速度传感器的工作温度范围相当，并且两者都适用于 -40°C 至 +125°C 的典型状态监测应用环境。在某些极端安装中，可能需要更高温度范围的传感器，其中充电模式压电传感器将是推荐的选择。不包括板载充电转换器电路的充电模式 PE 加速度传感器可用于超过 +700℃ 的温度。

封装选项和安装便捷性

对于小型机械的嵌入式状态监测装置，尺寸和安装选项都会成为选择加速度传感器的重要考量因素。大型机械通常使用外部 TO-5 螺柱安装的加速度传感器，但对于具有小型轴承和旋转轴的机械来说，则需要使用嵌入式或微型加速度传感器。

大多数 VC MEMS 加速度传感器采用 SMT 表贴式封装方式，该封装非常适合大批量 PCBA 组装。VC MEMS 传感器还提供非常小的封装方式，可实现更多封装选择。

PE 加速度传感器具有多种配置。可提供 SMT 安装版本，类似于 VC MEMS，但 SMT 封装的尺寸通常大于 VC MEMS 设计。PE 加速度传感器还采用坚固的 TO-5 罐封装，带有不锈钢外壳。这些设计允许直接安装到轴承座或嵌入式安装。下图展示了 PE 传感器的一些可用封装选项。

传感器输出选项

根据具体的安装和应用不同，可能需要选择传感器输出信号选项。目前大多数预见性维护安装需要来自传感器的模拟信号，以便最终用户可以决定监测特定机械的哪些参数。通常，信号输出由 DAQ 或 PLC 接口驱动，而模拟输出（±2V 或 ±5V）是最常见的选择。但是，对于需要长电缆的安装，环路供电 4-20mA 的传感器也很常见。在未来数字化工厂和工业 4.0 中，对数字输出信号的需要将变得更加普遍，带有板载微处理器的智能传感器可以帮助最终用户做出即时维护决策。

这些输出信号选项均将在 PE 和 VC MEMS 传感器中提供。两种技术都能够提供这些功能。

前面段落中讨论的所有或部分性能参数将帮助客户对状态监测装置所选择的技术做出明智的决策。下表提供了一个快速汇总。

汇总比较表

结论

我们已经比较了 MEMS 和 PE 加速度传感器的不同技术特性。这两种技术各有优劣，具体取决于最终应用。在我们的工业状态监测和预见性维护应用中，压电传感器是显而易见的选择，由于其成熟的技术，它们可长期稳定地保持可靠性。凭借其宽频率响应，嵌入式 PE 加速度传感器是从低速到高速机械的理想选择，它们还可为早期故障检测提供更好的信号分辨率。

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