加速度计噪音的注意事项

　　本文主要是对低噪压电加速度计作一个概述，同时讨论什么情况下需要低噪设备，以及设计低噪设备设计过程中的折衷考虑。

　　1.什么情况下噪音是一个影响因素？

　　噪音可以定义为不想要的信号。本文的讨论只局限于加速度计，放大器以及电缆的零部件产生的电气和机械噪音。

　　图 1 所示的是 Endevco 加速度计和它们的噪音谱图的一个例子。型号 86 是一个非常低噪的设备，使用在非常低噪的应用。型号 5220 是一个工业加速度计，使用在更加关注频率响应性能而低噪只是次要因素的应用。

　　下面是一些需要低噪加速度计及低噪放大器的应用

　　地震应用

　　这种应用需要两个基本要求：低水平-低频率信号，它常常需要较大的电信号输出。这就要求很宽的动态范围以及非常低的噪音。例如，某一应用的位移峰峰值为±1inch（25.4mm）仅仅产生 0.5mg（0.0035m/sec^2）的加速度。为了在合理精度下测量这种水平的信号，就需要一个非常低噪音的测量系统比如 Endevco 86 或 87 加速度计。详细内容请参考本文下一章节。

　　要求动态范围宽的应用

　　这种应用要求加速度计必须可以测量高冲击响应同时还要求测量低水平振动。这就要求加速度计相对来说不是很敏感，要求非常低的基底噪音。一般来说就是要求动态范围很宽的加速度计。这种类型的测量应用经常在火箭和导弹测试中碰到，因此它需要非常小非常轻的加速度计。根据实际要求，工程师需要在 IEPE 和电荷输出的压电加速度计做一个选择。

　　其它低噪音应用

　　一些工业应用在观测低频低水平信号时要求使用低噪音加速度计。许多这种类型的应用要求临界值为 10μg 而信噪比为 10（20dB）。

　　在医疗应用中常常碰到非常低水平的信号，它们要求低噪音传感器。

　　低水平信号测量

　　当进行低水平测量时，同时考虑加速度计的底噪和灵敏度非常重要（参考下面公式）。噪音指标在 IEPE 技术数据表有标明，通常表示为“等量的 g 值”，可以参考作为临界值，这里：

　　举例说明，Endevco 型号 86 在频带宽度大约 1Khz 范围的临界值为 0.1ng。当然也有一些应用案例，噪音的影响是最小的（注意：此处是最小的影响，但不是说没有影响）。通常来讲，在测量非常大冲击信号时，并不需要低噪加速度计，因为信号的最大幅值是至关重要的。同样，当测量高振动信号时，比如大型旋转机器的不平衡，并不需要额外注意加速度计的噪音。

　　2.加速度计设计时的噪音注意事项

　　由于没有一个加速度计可以满足所有要求。因此设计工程师在开发加速度计的过程中必须考虑一些折衷方案。例如，当你设计一个超小型加速度计时，小尺寸和重量轻必须给低噪音和高输出让路，这个在本节会详细解释。在加速度测量链中有好几个噪音源。包含了由于传感器敏感元件的电气及机械属性引入的噪音。其它因素包括电子元件，内部电子电路（IEPE 等等）或是外部电荷放大器。多年来，压电材料科学包括单晶体技术大大提高，晶体产生的噪音非常低，如果实施及安装正确，将给测试链带来非常小的噪音。高电荷灵敏度晶体系统只需要较低增益的电子系统因而带来的总的系统噪音比较小。

　　下面章节简单讲述了加速度测量系统中的三个主要噪音来源

　　加速度计的噪音来源

　　噪音来源分为机械热噪音和电气热噪音。传感器的噪音功率谱密度如下：

　　机械噪音和质量及弹性常数以及传感器的惯性系统的机械阻尼相关。机械噪音可以通过增加质量和品质因子（Q）或减少共振频率来降低。可以很容易的看出此处将频率响应进行折衷。在频率超过 10KHz 时，与电气热噪音相比，机械热噪音起主导作用。电气热噪音是传感器的第二噪音源。这个噪音源是除了测量链中使用的内部或外部电子贡献的噪音之外的。电气噪音是敏感材料损耗因子的函数，损耗因子是材料品质因子的倒数。当选择以及使用材料用在低噪应用时，选择几乎没有瑕疵和杂质的材料。额外的电容会导致损耗增加因而增加电气噪音。电气热噪音通常在 10KHz 频率以下起主导作用。

　　IEPE 类型的加速度计的内部电子是另外一种噪音源。FET（场效应管）因为它的高输入阻抗通常使用在内部电子的输入级电路。JFET(结型场效应晶体管)通常是晶体管的选择，但是半导体制造商不愿意标明噪音规格，因而传感器设计者必须根据经验选择最好的元件。许多低噪音加速度计包括内部电子。这种设计方法提高了信噪比，因为传感器和放大器之间距离极短，从而减少了电容进而消除了噪音源。

　　作为用户，通常低噪音加速度计的尺寸和重量要比高残余噪音的加速度计大。如之前讨论，大尺寸是大重量的结果，作为尺寸比较，图 2 显示的是两个低噪音加速度计以及它们的相对大小。为了产生高输出，传感器的晶体可以比较大。同样需要记住的是随着质量块增加，共振频率会减少从而降低了加速度计的频率响应。

　　3.用户注意事项

　　到这里，我们已经讨论了传感器制造商如何降低加速度计噪音。同样有些操作用户需要严格执行以保证传感器输出干净没有噪音。本章节主要讨论电荷模式的加速度计而不是电压模式传感器。因为电荷模式加速度计更容易受到噪音的影响。

　　电缆问题

　　电缆必须尽量短。使用电荷模式加速度计时短电缆长度尤为显得重要。

　　如在第 2 章节所讨论，电容(使用电荷模式加速度计)会增加加速度计输出信号的底噪。

　　电缆就像一个电容器，通常电缆的电容值大概为 30pF/foot。很明显电缆越长，电容越大，因此更多噪音。此外，长电缆又像一根天线，它会接收电磁信号。

　　使用电荷模式加速度计时必须使用低噪处理的电缆。电缆运动会造成电缆自身产生的电气噪音。这个自身产生的噪音称作为摩擦起电效应。低噪处理有效降低这种噪音。当然还有必要限制电缆的运动以进一步减少噪音。

　　电压模式的加速度计可以使用普通的同轴电缆，因为它们的低阻抗特性不容易受到噪音的影响。同样，长电缆像天线一样，因而长度尽量短。因为随着电缆长度增加，噪音也会增加，此时通常有必要增加激励电流。

　　电荷转换器及放大器

　　减少电缆噪音的一个技巧就是使用同轴电荷转换器(图 3 所示)。同轴电荷转换器是通过一根很短的低噪电缆连接到电荷模式加速度计。电荷转换提供了低阻抗电压输出，这个低电阻抗电压输出非常适合长电缆的信号传输。电荷转换器是由传统的 IEPE 电流源供电，对来后面的测量设备来说，它看起来像一个 IEPE 传感器。加速度计和电荷转换器之间的短电缆只提供一个很低的电容负载，因而产生带有很低噪音的加速度信号。

　　必须小心注意保证所有电缆连接尽可能干净、干燥。这个对电荷模式的压电加速度计至关重要。连接器必须使用酒精清洁然后使用不起毛的纸擦干。尽管清洁对于 IEPE 加速度计来说不是那么关键，但是清洁对于精密测量仍然是一个非常好的习惯。

　　Endevco 的 2771C 电荷转换器的信噪比是大多数其他品牌的电荷转换器的 5 倍。

　　最后，用户应该注意测量链中后端的电压放大器的噪音特性。

　　IEPE 电流源通常在很多数据采集系统和 FFT 分析仪中可以找到。这些内置的电源非常方便，它可以满足大部分的应用。当进行低噪测量时，建议了解内部电源的噪音特性。很多内部电流源使用电压转换，这个会产生噪音并引入到加速度计的输出信号。如果内置的电流源噪音是个问题，可以使用外部的电源供电比如 Endevco 的 133。

　　选择正确的加速度计

　　最后也是最重要的：根据噪音规格选择正确的加速度计。技术数据表提供了等量 g 值的噪音阈值。同时也提供噪音谱密度数值，应该查看，特别是进行低频下的低噪音测量。噪音谱密度信息提供了噪音作为频率的函数的信息。一个快速确定所选择的加速度计是否具备足够底噪的方法就是，使用经验法则:所测量的最低 g 值必须是 10 倍的临界阈值。

　　当然还有其它噪音源用户必须注意，比如接地回路等等，这些主题在 Endevco 的其它技术文档有详细介绍。

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