加速度传感器的频率响应特性

    TE在压电式陶瓷技术设计、MEMS、制造封装加速度传感器方面拥有长期的经验。封装的加速度计具有宽测量范围和便利的用户界面，并提供直流（静态）和交流（动态）响应。TE是用于飞机设计和测试、汽车设计和测试、汽车安全测试、机械与结构监控以及赛车应用的加速度传感器与振动传感技术的全球领先供应商。

 

    在加速度传感器的各项指标中，频率响应是个非常重要的参数，它是传感器提供线性反应的频率范围。本文着重从频率响应出发带领大家更深入了解加速度传感器。

 

    低频响应特性

 

    IEPE压电加速度传感器（内装IC电路芯片）的低频特性主要由内置芯片的下限频率和传感器的基座应变、热释电效应等环境特性决定；而电路芯片的下限频率取决于RC电路，也就是取决于放电时间常数DTC，

 

    DTC=RC，

 

    -3dB低频f=0.16/DTC，

 

    -10%低频f=0.34/DTC，

 

    -5%低频f=0.5/DTC，

 

    由以上可以看出，放电时间常数越大，信号衰减越慢，低频响应越好。

 

    放电时间常数不仅决定低频响应，而且决定放电时间，这在工业现场进行多点测量时就比较重要。放电时间常数应兼顾低频响应和放电时间。基座应变、环境温度变化等环境干扰引起的输出通常在5Hz以下，当测试信号频率在5Hz以上时，应将IEPE传感器内置电路芯片下限截止频率设置在5Hz以上，以消除压电传感器的热电等环境干扰引起的噪声输出。

 

    当测试信号频率在5Hz以下时，可以选择诸如隔离剪切结构等隔离基座应变、热释电效应等环境干扰性能好的加速度传感器。

 

    高频响应特性

 

    高频响应特性取决于。

 

    其中，k是敏感元件的刚度；m是质量块的质量。

 

    在敏感元件的刚度时，质量块越重，谐振频率越低。同时，大的质量块产生高的机械增益，传感器的灵敏度高，噪声低。相反，小的质量块产生低的机械增益，传感器的灵敏度低、输出小，频率范围宽，可以测量较高的频率信号。

 

    通常可以这么估算：

 

    上限频率是+10%频响，大约为谐振频率的1/3；

 

    上限频率为+5%频响，大约为谐振频率的1/5。

 

    加速度传感器在校准时候，频率响应是相对于灵敏度在100Hz或160Hz的参考点的灵敏度变化量。下图是TEMEAS8811-01的频率响应图：

 

    压电加速度传感器的低频响应特性

 

    压电加速度传感器无法获得很好的低频响应。高通滤波器是压电加速度传感器固有特性，前述讲了电路芯片的下限频率取决于RC电路，也就是取决于放电时间常数DTC。DTC也定义了传感器供电突然变化（如开启和信号过载）时的传感器响应。当开启传感器或从过载中恢复所需要的时间是与DTC的值直接相关的。因此低频过载与导通时间（休克恢复时间）是成反比。

 

    传感器的频率越低，从过载中开启或恢复的时间越长。对于通用压电传感器，牺牲低频性能有利于获得更好的开启和休克恢复响应。

 

    通用加速度传感器与低频加速度传感器

 

    低频加速度传感器采用较大的质量块来提高传感器敏感元件的输出。这将降低来自于放大器的电子噪声。低频传感器的输出电压越高，越有利于在测量低幅值信号时克服数据采集器的噪声。折中的方法是降低谐振频率。

 

    结论

 

    加速度传感器所需要的频率响应取决于需要测量的振动频率。一个加速度传感器需要足够高的固有振动频率用于捕捉测量所需要的所有频率。