工业级加速度传感器解析

传感器技术 2021-02-04 00:00

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传感器是获得精准有效数据的第一触点；它们在将原始物理量转换为便于测量计算的数据量的过程中，发挥着重要作用。伴随着电力、船舶、航空、航天等多种工程技术的迅猛发展，对相关应用场景越来越需要更精确的动态数据。航空发动机、燃气轮机、蒸汽机等高能动力装置，对工业级传感器都提出了更加严苛的要求。在众多传感器里，笔者以工业级加速度传感器为例，结合应用和相关产品数据，将一些体会和经验做一个简单的分享。

什么是加速度传感器？

加速度传感器(Accelerometer)，又称加速规、加速计，是用于测量加速度的一种感应装置，该装置在加速过程中对自身所受惯性力进行测量，通过牛顿第二定律得出加速度值。从感应机理上分为压电式、电容式、电感式、应变式、压阻式等。

汽车平顺性试验应用

将加速度传感器安装在车辆座椅上，测量XYZ三个轴向上的振动加速度过程，用以评价汽车行驶平顺性的道路试验。

工业级加速度传感器

选择加速度传感器时，用户大多基于加速度量程范围，同时结合实际应用。如倾斜角度测量，±1.5g的量程已经足够。±2g的加速度传感器可以用于大多数消费电子和商业应用。但对于急停、多方向剧烈变化以及振动烈度较大的测量应用，至少要选择±10g以上或者更大量程的加速度传感器。

在众多工业应用场景中，都需要对冲击和振动进行监控和测量，因应用环境温度的高低温波动范围大，对加速度计的量程、灵敏度、精度要求高，对于常规加速度传感器来说，完全不能胜任这种严苛恶劣的工作环境。基于此工业级加速度传感器应运而生，它们完全能够在这种恶劣的应用环境中保持高可靠性的持续测量和稳定输出。

工业级加速度传感器的品牌和产品性能

在传感器市场中，工业级加速度传感器品牌众多，其中欧、美、日品牌占据了此类产品较大比例的市场份额。但随着中国近年来工程技术的迅猛发展，中国的自主品牌也正在这一细分产品领域中逐步跟上，并在高、中、低几个技术维度上与欧、美、日同台角逐。从产品技术和可靠性两个维度上来看，进口品牌美国PCB、丹麦B&K和中国自主品牌西人马（FATRI）的工业级加速度传感器能够比较全面的诠释这两个维度。

PCB Piezotronics,Inc. “PCB”是PicoCoulomB的缩写，PicoCoulomB属于技术术语，定义了由PCB制造的压电传感器产生的电荷类型，也成了该公司的注册商标。PCB于1967年成立，是美国老牌的家族企业。拥有加速度测量、振动、冲击、声学、负载等产品线。

Brüel&Kjær 简称B&K，名称与商标源于创始人Per VilhelmBrüel和ViggoKjær的名字，二人缘起于哥本哈根理工学院（现丹麦工业大学），这是个历史悠久的公司，成立于1942年，拥有加速度测量、传声器、声学全息阵列等产品线。

西人马（厦门）科技有限公司-FATRI ，创始人聂泳忠博士，这是一个历久弥新的中国自主品牌，“久”在于其创始人聂博士一直深耕于精密先进传感器的研发和设计的前沿，“新”是因为该公司仅成立了5年多的时间。虽然成立时间短，但拥有先进材料、芯片制造、精密传感器（加速度、温度、压力等）、测量设备等丰富和扎实的产品研发和制造能力。

笔者从三个品牌的产品中拣选出工业级加速度传感器的同类产品，通过产品技术规格来解析工业级传感器的一些特性和关键技术指标。

工业级加速度传感器的关键技术指标

灵敏度

电压灵敏度在满足谐振频率的前提下越大越好，后端采样调理的回路就越容易。

工作温度

在工业现场环境中，随时会出现温度的骤升骤降，能否有效进行测量，直接影响测量的效率，所以工作温度范围要尽量够宽。

响应时间

当被测量物体发生变化时，传感器并不能立刻反应，普遍存在滞后，滞后的时长即响应时间，响应时间越短越好。

冲击极限

指1秒内，传感器及壳体所能承受的最大加速度冲击，一般在可承受冲击的范围内，传感器仍能保持正常工作，冲击极限上限越高越好。

横向灵敏度

测量某个方向时，信号输出理论上应全为感知方向，但实际上在该方向垂直的方向也会有信号输出，这是横向效应造成的，所以横向灵敏度越低，性能越好。国标要求≤5%。

非线性度

在固定的频率和幅值范围内，输出量与输入量成正比时，成为线性变卦。实际传感器的校准结果与线性偏离的程度称为传感器的非线性度。该指标越小越好。

频率响应

一般加速度传感器的工作频率上限为自身谐振频率的1/3左右，通常加速度传感器低频特性较差，信号衰减严重，而在高频段线性度差，非线性影响较大。在实际应用中，土木工程结构的频率范围在0.2~1kHz左右，通用机械设备大多属于中频段，频率范围在0.5~5kHz左右。高能动力装置由低频至高频段，频率范围会大于5kHz。另外，传感器安装的刚性对传感器测量的频率范围也有一定影响。工业级加速度传感器的频率响应范围直接影响其在不同应用场景中的测量效率。

从上面的指标我们可以看出，工业级加速度传感器的量程范围相较于非工业级传感器更加宽大，工作温度区间能经受住较大范围高低温的循环转换，并在这样的工况下可以保证相对较好的灵敏度，且能够将横向灵敏度控制在尽可能小的范围内，同时要能够承受住上千g的冲击。这些要素的集合，等于对传感器的研发设计与生产制造提出了极高的要求。在实际制造过程中每一个微小的工艺上的误差，都会对传感器本身带来巨大的影响。

PCB与B&K作为国际知名的传感器专业制造商在产品技术规格上的要求是严谨和苛刻的，在实际应用中有口皆碑。值得一提的是，西人马（FATRI）作为一个中国自主传感器品牌，在这样短的时间内能将产品做到这样的高度，不得不说这是一个具备极强技术实力的企业。毕竟在传感器制造这个行业里，在工程技术中，技术实力与研发设计能力是第一生产力。

笔者从多方了解到，西人马（FATRI）是一家拥有材料、传感器芯片设计制造、封装、测试、精密传感器制造等全方位能力的硬核科技公司。这家公司在短短5年时间首创了基座锲型自锁剪切结构等注册专利多达600多项。在先进传感器制造这样一个重资产、技术门槛高、研发周期长的行业里，做出这样具备竞争力的工业级传感器，在当下浮躁、投机的环境中，更显得难能可贵。作为行业中的一员，笔者能够想象，在这个过程中不知要经历多少艰辛与磨难。但这种付出与坚守是值得的，我们需要更多这种能够耐得住寂寞，具备工匠精神的科技创新企业。

当前，各种工程技术与前沿科技高速发展的趋势下，在工业传感器的领域里，欧、美、日产品仍极具竞争力。但随着全球市场需求的发展，相信未来会有更多中国传感器自主品牌走向世界，与国际厂商同台角逐，一争高下。国际局势的风云激荡，时刻牵动着市场格局变化。作为后发者，需要秉持初心，坚定不移的走自主研发制造的正确路线。笔者希望能有更多像西人马（FATRI）这样具备核心技术实力的中国传感器自主品牌厂商能够在更多的应用领域与欧、美、日等国外传感器企业同台角逐。

在这个机遇与挑战并存的时代里，唯有努力拼搏才能占有一席之地，埃隆.马斯克在其自传中说：“所谓创业，就是嚼着玻璃凝视深渊。既然必须穿过地狱，那就走下去”。

知识分享

1.压电效应：压电晶体受力变形后，其内部会产生极化现象，同时在它的两个表面产生符号相反的电荷，当被测振动频率远低于加速度计的固有频率（谐振频率）时，则力的变化与被测加速度成正比。当外力去除后，又重新恢复到不带电状态，这种现象称为“压电效应”。

2.对工作状态下的待测结构进行测量时，最好使用带有“隔离”的传感器。如果传感器本身不具备隔离，可在传感器底部增加绝缘材料充当隔离器件。

3.应用的传感器的工作频率区间，稍高于实际测量的带宽较为适宜。

4.轴向很重要，单轴加速度传感器通常用于测量简单的振动和加速度情况；双轴加速度传感器是指测量沿X轴与Y轴的加速度和振动（前、后&左、右）；三轴加速度传感器即将Z轴加入到双轴加速度传感器中，以便用于复杂的三维定位和测量。

5.加速度传感器还受到振动频率范围限制，必须与预期应用的频率匹配。

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