加速度傳感器的頻率響應特性

    TE在壓電式陶瓷技術設計、MEMS、制造封裝加速度傳感器方面擁有長期的經驗。封裝的加速度計具有寬測量范圍和便利的用戶界面，并提供直流（靜態）和交流（動態）響應。TE是用于飛機設計和測試、汽車設計和測試、汽車安全測試、機械與結構監控以及賽車應用的加速度傳感器與振動傳感技術的全球領先供應商。

 

    在加速度傳感器的各項指標中，頻率響應是個非常重要的參數，它是傳感器提供線性反應的頻率范圍。本文著重從頻率響應出發帶領大家更深入了解加速度傳感器。

 

    低頻響應特性

 

    IEPE壓電加速度傳感器（內裝IC電路芯片）的低頻特性主要由內置芯片的下限頻率和傳感器的基座應變、熱釋電效應等環境特性決定；而電路芯片的下限頻率取決于RC電路，也就是取決于放電時間常數DTC，

 

    DTC=RC，

 

    -3dB低頻f=0.16/DTC，

 

    -10%低頻f=0.34/DTC，

 

    -5%低頻f=0.5/DTC，

 

    由以上可以看出，放電時間常數越大，信號衰減越慢，低頻響應越好。

 

    放電時間常數不僅決定低頻響應，而且決定放電時間，這在工業現場進行多點測量時就比較重要。放電時間常數應兼顧低頻響應和放電時間。基座應變、環境溫度變化等環境干擾引起的輸出通常在5Hz以下，當測試信號頻率在5Hz以上時，應將IEPE傳感器內置電路芯片下限截止頻率設置在5Hz以上，以消除壓電傳感器的熱電等環境干擾引起的噪聲輸出。

 

    當測試信號頻率在5Hz以下時，可以選擇諸如隔離剪切結構等隔離基座應變、熱釋電效應等環境干擾性能好的加速度傳感器。

 

    高頻響應特性

 

    高頻響應特性取決于。

 

    其中，k是敏感元件的剛度；m是質量塊的質量。

 

    在敏感元件的剛度時，質量塊越重，諧振頻率越低。同時，大的質量塊產生高的機械增益，傳感器的靈敏度高，噪聲低。相反，小的質量塊產生低的機械增益，傳感器的靈敏度低、輸出小，頻率范圍寬，可以測量較高的頻率信號。

 

    通常可以這么估算：

 

    上限頻率是+10%頻響，大約為諧振頻率的1/3；

 

    上限頻率為+5%頻響，大約為諧振頻率的1/5。

 

    加速度傳感器在校準時候，頻率響應是相對于靈敏度在100Hz或160Hz的參考點的靈敏度變化量。下圖是TEMEAS8811-01的頻率響應圖：

 

    壓電加速度傳感器的低頻響應特性

 

    壓電加速度傳感器無法獲得很好的低頻響應。高通濾波器是壓電加速度傳感器固有特性，前述講了電路芯片的下限頻率取決于RC電路，也就是取決于放電時間常數DTC。DTC也定義了傳感器供電突然變化（如開啟和信號過載）時的傳感器響應。當開啟傳感器或從過載中恢復所需要的時間是與DTC的值直接相關的。因此低頻過載與導通時間（休克恢復時間）是成反比。

 

    傳感器的頻率越低，從過載中開啟或恢復的時間越長。對于通用壓電傳感器，犧牲低頻性能有利于獲得更好的開啟和休克恢復響應。

 

    通用加速度傳感器與低頻加速度傳感器

 

    低頻加速度傳感器采用較大的質量塊來提高傳感器敏感元件的輸出。這將降低來自于放大器的電子噪聲。低頻傳感器的輸出電壓越高，越有利于在測量低幅值信號時克服數據采集器的噪聲。折中的方法是降低諧振頻率。

 

    結論

 

    加速度傳感器所需要的頻率響應取決于需要測量的振動頻率。一個加速度傳感器需要足夠高的固有振動頻率用于捕捉測量所需要的所有頻率。