认识加速度计的关键指标

　　根据某一具体应用选择加速度计最困难的地方就是真正理解加速度计规格参数的实际意义。通常用户对其测试要求非常了解，但是如何选择合适的加速度计型号来满足这些测试要求却有些困难。加速度计制造商常常专注于产品的所有规格参数，并力求产品性能是最好的。 本文对制造商对日常使用的加速度计规格参数做一个详细描述及解释。

　　灵敏度

　　加速度计的灵敏度，有时候称作加速度计的“比例因子”，它是传感器电输出和机械输入之间的比率（注意： 传感器通常定义为把一种能量转换成另外一种形式的能量的设备，加速度计就是一种把机械加速度转换成比例的电信号的传感器）。通常使用 mV/g或 pC/g 来表示这一比率，它仅仅在某一频率点下有效，按着惯例一般是 100Hz。由于大部分加速度计会或多或少受温度影响，灵敏度同样只在某一很窄的温度范围内有效，通常是 25± 5OC。此外，灵敏度只在某一加速度幅值下有效，通常是 5g 或 10g。灵敏度有时被定义为一个带有允许误差范围的数值，通常是±5%或10%，这个保证了用户使用的加速度计灵敏度在灵敏度标称值的允许误差范围内。几乎所有情况下，加速度计都会附带一份校准报告，列出了准确的灵敏度。

　　当谈到频率响应的百分比或 dB 允许误差范围时，灵敏度被称作为“参考灵敏度”。详见下面的频率响应章节。

　　当讨论横向灵敏度时，灵敏度又被称作为“轴向灵敏度”。详见下面的横向灵敏度章节。

　　尽管灵敏度有那么多的限制条件，但是在设置信号调理器或数据采集系统时，灵敏度数值是使用最频繁的。信号调理器或数据采集使用这个数值来处理及解释加速度计的输出信号。

　　频率响应

　　同灵敏度类似，频率响应也是告诉用户加速度计的“比例因子”，不过是在变化的频率。频率响应是在传感器的整个频率范围内定义灵敏度的大小。 由于很少规定相位响应，因而称为“幅值响应” 更为准确。频率响应通常定义为相对于 100Hz 时的灵敏度（参考灵敏度）的一个允许误差范围。这个误差范围可以定义为百分比或 dB，典型的误差范围有± 10%，± 1dB 及± 3dB。在这里， dB 的定义为：

　　dB ＝ 20 log(S　f / S　ref )

　　这里：Sf——某一具体频率下的灵敏度

　　　　　Sref——参考灵敏度

　　频率响应的规格参数使用户可以计算加速度计在指定的频率范围内的某一频率点的灵敏度偏离参考灵敏度的大小。例如，假设一个加速度计的参考灵敏度为 10pC/g（也就是校准结果显示的数值，它是准确的）。假设它的频率响应范围是： 1Hz~6000Hz， ± 10%，在这个频率范围内，灵敏度可以在 9pC/g~11pC/g（或 10± 1pC/g） 范围内变化。 注意，在频率 100Hz 频率下的参考灵敏度为 10pC/g，但是在其它频率点，它的灵敏度可以往上或往下变化 1pC。

　　加速度计出厂时常常会附带校准报告，上面列出了准确的参考灵敏度。报告通常不以表格的形式显示频率响应， 而使用曲线替代，从规定的最低频率点到最高的频率点。图 1 所示曲线以百分比形式显示了不同频率下的灵敏度相对于参考灵敏度的偏差。 根据上文所述， 用户根据这个曲线可以估算任一频率点下的灵敏度。 如图 1 所示曲线，在 1000Hz 频率下灵敏度上升了 2%，假设加速度计的参考灵敏度为 10pC/g，那么可以简单地计算出在 1000Hz 时加速度计的灵敏度为 10.2pC/g。

　　横向灵敏度

　　横向灵敏度是和传感器感应轴垂直 90 度角方向的加速度计灵敏度。见图 2。另外一种表述就是横向灵敏度是轴向灵敏度的 90 度方向的灵敏度。 横向灵敏度表示为轴向灵敏度的百分比。理想情况下，它应该为 0%，但是因为制造误差，它可能高达 5%。特殊要求下横向灵敏度数值可以低于 3%或更小的数值，但是要求的数值越低，制造难度也会越大加（因此成本更高）。横向灵敏度有时称为“串扰灵敏度”。

　　为什么会关心横向灵敏度？作为一个用户，你也许想保证你进行的测量仅仅是一个方向的加速度。 但通常情况下很难保证这一点（注意三轴加速度计可以测量同一个点的三个正交方向的加速度值）。 当一个加速度计被一个校准级别的振动台激励时，这种振动级别的振动台只在一个方向运动， 几乎不存在横向运动。在这种情况下，你可能不关心加速度是否具有很高的横向灵敏度，因为传感器没有感受到任何横向运动。然而，在被测物体上进行实际的测试时（或者即使在一个不是那么理想的振动台）， 它在所有方向都有运动。这种情况下， 一个低横向灵敏度的加速度计是非常重要的， 从而保证所进行的测量是仅仅是一个方向的加速度。从这层意义上来说，横向灵敏度可以看作是测量中的噪声信号。

　　安装共振频率

　　安装共振频率是加速度计频率响应中的某一频率点，在该频率点加速度计输出灵敏度最大。见图 3。它的单位为 Hz。典型的加速度计呈现出超过 20kHz 的安装共振频率，甚至一些加速度计的安装共振频率高达 90kHz。意如其名，它是加速度计本身机械结构的固有共振频率。（可以肯定的是如果加速度计在“自由空间”条件下测得的共振频率，与安装在一个结构测试测得的共振频率是不同的。不过“自由空间”是不切实际的应用，因此增加了“安装”这个名称）。把安装共振频率控制在一个公差范围内并非是加速度计制造商的一个设计目标。 其目标是定义安装共振频率为一个最小值， 保证共振点不会出现在它的最小值以下。就其本身而言，安装共振频率是有一个比较粗的品质因数， 它决定了加速度计的频率带宽的上限值。

　　对于压电加速度计来说，它的机械结构几乎是完全无阻尼的，共振点的幅值可能非常高，导致灵敏度比参考灵敏度高出很多倍。就其本身而言，任何接近或在共振点频率的振动将会被高度地放大，导致测量失真或数据损坏。因此， 制造商的一个设计目标就是把加速度计结构的共振频率尽量提高， 使共振点超过用户测量应用中的任何振动频率。用户同时也要保证没有任何振动频率分量接近或位于安装共振频率点。注意安装共振频率是在假设加速度计理想安装的条件下定义的。加速度计的机械结构本身可以影响安装共振频率点（加速度计制造商控制），同样外部结构件的因素也能影响共振频率点（用户控制）。由于机械共振特征通常取决于材料的刚度及阻尼性能，加速度计正确安装并尽可能刚性连接是非常关键的。 不合适的安装通常会减少刚性增加阻尼，造成共振点频率减少以及共振上升宽度增加（也就是机械 Q 值降低）。这个最终的影响结果就是，如果下降足够多的话，会影响加速度计的频率响应。正确的安装技巧不在本文的讨论范围，但是可以找到很多这个主题的文章。

　　幅值线性度

　　幅值线性度是用来测量加速度计在指定的幅值范围内的输出线性度的好坏，有时称之为幅值非线性度，因为它说明和完美线性度之间的偏差。理想情况下，加速度计在指定的幅值范围内的任一幅值点的灵敏度输出应该是完全一样的。但是真实的加速度计不是这样。因此幅值线性度定义了加速度计的输出和完美线性度之间偏差的极限值。注意幅值线性度仅仅在单一频率下有效。

　　这里有好几种方法来表示幅值线性度。最严格的方法就是定义为读数的百分比，通常为整个范围内± 1%。这是一个紧公差规格参数，它意味着加速度计的灵敏度在整个幅值范围内的任一幅值点不能超出± 1%。 另外一种没有那么严格的定义方法就是分段的方式来定义线性度， 例如： 从 0~2000g 的范围， 每 500g 灵敏度增加 1%。这个也就意味着在幅值范围内，幅值最大值的灵敏度相对于幅值最小值的灵敏度的偏差可能达到4%。

　　幅值线性度误差会造成信号失真，特别是在高幅值加速度应用中。在多振动频率的环境下，可能会引起互调失真， 从而导致在仪表端出现加速度计并没有感受到的频率段信号。

　　输出极性

　　假设输入加速度的某个特定方向， 输出极性描述了加速度计输出信号的方向（无论是正或负方向）。按着惯例，大部分加速度计规定朝向传感器安装面的加速度产生的输出信号为正向的。 见图 4 所示。 如果有疑问，用户可以很容易地进行测试及验证。把加速度计抓在手上，加速度计连接到合适的信号调理器，用手指轻敲安装面。观察输出信号是指向那个方向。如果它是一个传统的加速度计，信号应该是正向的。

　　三轴加速度计的输出极性就稍微简单一些。大部分情况下， 制造商会用箭头标识出每个正交方向（ X,Y 及 Z），箭头指向一般就是产生正向信号的加速度方向。

　　正确解读输出极性在某些应用中是非常关键的。例如，大型结构件的模态测试中， 非常有必要了解振动激励过程中测试结构件所受到的加速度矢量的方向和相位的关系。如果没有正确了解加速度计的极性， 不可能正确地，甚至根本没法解释测试结构件的行为。

　　接地（或接地隔离）

　　加速度计，作为一个电子设备，必须有一个信号地返回到信号调理设备。 为了正确操作，用户必须理解信号地在传感器内部是如何机械以及电气处理的。这个是由制造商来详细说明。如果用户不理解这个， 仪表端就可能存在不合适的接地系统， 从而导致接地回路以及错误的数据。

　　制造商在设计加速度计时可以有很多种方法来实现接地系统，通常考虑具体应用及市场价格。最经济的方法就是把系统地简单地连接到加速度计的外壳。这种方法经常出现在带有微型同轴连接器的实验室级加速度计上。为了防止接地回路， 制造商提供绝缘安装适配器， 安装在加速度计和测试结构件的安装位置之间。另外一种方法就是把加速度计外壳连接到接地点，但是和加速度计本身的安装面绝缘。这个通常是通过在安装面涂上一层绝缘材料完成，例如硬的氧化涂层。实质上，绝缘适配器是内置在加速度计里面。 最根本的接地绝缘方法就是外部加速度计的外壳及连接器和内部系统接地完全绝缘。这种接地方法通常出现在工业级加速度计，它们通常用于喷射发动机，燃气轮机或工业过程机器的监测。

　　结论

　　加速度计的用户常常混淆加速度计的各种规格参数， 尤其是他们需要根据某个具体应用或测试选择合适传感器时。用户必须对加速度计规格有一个清晰的认识，同时理解适合测试应用的这些规格参数的极限值以及含义。 如果不了解这些， 有可能会将很多潜在的误差引入到测试数据，同时浪费测试时间及花费。本文已经介绍了一些需要用户考虑的关键规格参数。制造商也应当以一种清晰、 没有歧义的方式来表示产品的规格参数。

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