对于大多数工程应用来说，选择合适的测试工具对测试结果有很大的影响。本文将帮助读者正确选择加速度传感器。先说传感器的分类和原理。
加速度传感器的基本类型
一般来说，加速度传感器有两种:交流响应加速度传感器和DC响应加速度传感器。
作为具有交流响应的加速度传感器，顾名思义，其输出是交流耦合的。这种传感器不能用于测试静态加速度，如重力加速度和离心加速度。它们只适用于测量动态事件。具有DC响应的加速度传感器具有DC耦合输出，可以响应低至0 Hz的加速度信号。因此，具有DC响应的加速度传感器适用于测试静态和动态加速度。选择具有DC响应的加速度传感器不仅需要测试静态加速度。
加速度、速度、位移
许多振动研究需要获得加速度、速度和位移信息，这些信息是工程师设计和验证结构的重要信息。一般来说，加速度提供了一个很好的参考，而速度和位移是计算中需要的变量。为了从加速度计算速度和位移，从传感器输出的加速度信号将以数字或模拟形式分别被积分一次和两次。这可能会导致交流耦合传感器出现问题。
为了演示这个问题，假设使用交流传感器来测量宽脉冲半正弦波信号。由于固有AC RC时间常数的限制，传感器的输出不能很好地匹配输入脉冲。出于同样的原因，在脉冲结束时，传感器输出将产生负零偏置。
这种看似很小的幅度差异在积分后会产生很大的误差。而具有DC响应的加速度传感器则没有这样的问题，因为它的输出可以精确地跟随缓慢变化的输入。在实际的日常应用中，输入信号可能不是简单的半正弦脉冲，但在用交流耦合传感器测试任何缓慢变化的信号时，这样的问题总是会存在。现在我们来看看各种常用的加速度传感器技术。
交流响应加速度传感器
* * *常用的交流响应加速度传感器采用压电元件作为其敏感单元。当有加速度输入时，传感器中的检测质量“运动”使压电元件产生与输入加速度成正比的电荷信号。从电学角度看，压电元件就像一个有源电容，其内阻为10？欧姆级。RC时间常数由内部电阻和电容决定，这也决定了传感器的高频通过特性。因此，压电加速度传感器不能用于测量静态事件。压电元件可以来自自然，也可以是人造的。它们具有不同的信号转换效率和线性度。市场上有两种类型的压电加速度传感器——电荷输出型和电压输出型。
电荷输出加速度传感器
主压电加速度传感器采用锆钛酸盐陶瓷，工作温度范围宽，动态范围宽，频率范围宽(可用频率为10kHz)。电荷输出加速度传感器将压电陶瓷封装在气密金属外壳中。由于其抗恶劣环境的能力，具有非常好的耐久性。由于其高阻抗，传感器需要使用电荷放大器和低噪声屏蔽电缆，尤其是同轴电缆。
低噪声电缆意味着它具有低摩擦电噪声，这是由电缆本身的运动产生的噪声。许多传感器制造商也提供这种低噪声电缆。电荷放大器连接电荷输出加速度传感器，可以消除电缆电容和传感器电容并联带来的影响。借助先进的电荷放大器，电荷输出加速度传感器可以轻松实现宽动态响应(120dB)。由于压电陶瓷的工作温度范围很宽，一些传感器可以在-200°C到+400°C甚至更宽的温度环境中使用。它们特别适用于极端温度下的振动测试，例如涡轮发动机的监控。
电压输出加速度传感器
另一种压电加速度传感器输出电压信号而不是电荷信号。传感器内部包含一个电荷放大器。有3线(信号、接地和电源)和2线(信号/电源和接地)电压模式传感器。2线压电传感器也称为集成电路压电传感器(IEPE)。IEPE非常受欢迎，因为它可以方便地通过同轴线(2线，芯线和屏蔽线)连接。在这种模式下，交流信号叠加在DC电源上。在输出端串联一个耦合电容可以去除传感器的DC偏置电压，从而只获得传感器信号输出。
许多现代仪器都提供IEPE/ICP3输入接口，可以直接与IEPE传感器连接。如果IEPE电源接口不可用，第一阶段需要一个带恒流源的信号放大器和IEPE传感器。3线传感器需要单独的DC电源线。
与电荷输出加速度传感器不同的是，电压输出加速度传感器除了压电陶瓷元件外还包括一个微电路，电路的工作温度范围限制了传感器的整体工作温度范围，通常不超过125°C，也有一些设计改进到了175°C，但在其他方面会有所退化。
可用动态范围——由于压电陶瓷元件具有极宽的动态范围，电荷输出加速度传感器的范围定义非常灵活，因为其满量程可以由用户通过远程电荷放大器自由调节。然而，电压输出加速度传感器有一个设定的满量程，由内部电荷放大器决定。一旦被工厂生产出来，就再也无法改变了。
压电式加速度传感器可以做成很小的封装，因此适用于轻型结构的动态测试。
DC响应加速度传感器
两种技术常用于制造DC响应加速度传感器:电容式和压阻式。
电容型
电容式加速度传感器(随着加速度的变化，电容因检测质量而变化)是当今通用的。在某些领域是不可替代的，比如安全气囊，手机，移动设备。高输出使得这种传感器成本低。然而，这种低成本传感器受到低信噪比和有限动态范围的限制。所有电容式加速度传感器都有一个内部时钟(~500kHz)，它是检测电路中必不可少的一部分，泄漏往往会干扰输出信号。这种噪声的频率远高于测量信号的频率，一般不会影响测量结果，但它总是与测试信号叠加在一起。由于内置放大器芯片，一般有三线(或四线差分输出)接口。只要有DC电源，它就能工作。
电容式加速度传感器的工作带宽一般限于几百Hz，部分原因是其内部结构较大，空气阻尼较大。电容式加速度传感器适用于测量低量程加速度，其上限一般在100g g以内，除了这些限制外，现代电容式加速度传感器，尤其是仪器级器件，线性度好，稳定性高。
电容式加速度传感器通常适合车载测试，成本低是一个原因。对于低频运动测试，加速度一般较低，因此它们是理想的选择。例如土木工程中的振动测试。
压阻式
压阻式加速度传感器是另一种广泛使用的DC响应加速度传感器。与电容式加速度传感器通过电容的变化来测量加速度不同，压阻式加速度传感器通过应变电阻的变化来输出加速度信号，是传感器惯性感应系统的一部分。许多工程师熟悉应变仪，知道如何测量其输出。大多数压阻式传感器对温度变化很敏感，因此需要在传感器内部或外部对其输出信号进行温度补偿。现代压阻式加速度传感器包括一个用于板载信号处理和温度补偿的专用集成电路。
压阻式加速度传感器的工作频率可达5000Hz。许多压阻式加速度传感器使用空气阻尼(MEMS型)或液体阻尼(附着应变计型)。阻尼特性是选择传感器的一个重要因素。在某些应用中，输入的机械振动包含高频成分(或激发高频响应)，阻尼传感器可以防止自身振铃(共振)，从而保持或增加可用的动态范围。由于压阻式加速度传感器输出的是差分纯电阻信息，信噪比通常很好；它的动态范围只受后面的直流放大器的质量限制。对于高加速度冲击测试，一些压阻式加速度传感器可以测量超过10000g g的加速度。
因为它有很宽的频率响应能力。压阻式加速度传感器适用于频率和加速度通常很高的脉冲和碰撞测试。作为一种具有DC响应能力的传感器，用户可以通过其加速度输出获得无积分误差的速度和位移信息。压阻式加速度传感器通常用于汽车安全测试、武器测试、地震测试等。
总结
每种加速度传感器技术都有其优缺点。在做出选择之前，了解它们的区别和测试要求是非常重要的。首先，对于需要测量静态加速度或低频加速度(1Hz)的应用，或者需要通过加速度计算速度和位移的应用，选择具有DC响应的加速度传感器非常重要。
DC和交流响应加速度传感器都可以测量动态信号。当只需要测量动态信号时，用户可以随心所欲。有些用户不喜欢处理DC响应加速度传感器的零偏，而更喜欢交流耦合、单端输出的压电加速度传感器。而其他用户不在乎处理零偏，习惯3线或4线接口，喜欢负载电阻自测(分流)和重力加速度自测(2g翻转)的功能。他们将选择DC响应加速度传感器。
总的来说，电荷输出模式的压电式加速度传感器是一种经久耐用的设计，这主要是由于其结构简单，材料坚固可靠。对于高温(125°C)动态测试，电荷输出模式的压电式加速度传感器无疑是首选。对于电荷输出模式的压电式加速度传感器，需要配备低噪声同轴电缆和电荷放大器(或在线电荷转换器)。
电压输出压电加速度传感器常用于动态测试。它体积小，带宽宽，内置电荷放大器，可直接与现有仪器或数据采集器连接(带IEPE/ICP接口)。电压输出压电式加速度传感器一般用于125°C以下的应用，但由于其输出阻抗较低，没有必要使用低噪声同轴电缆。
电容式加速度传感器通常设计在零界阻尼或过阻尼状态，适用于低频测试。其低成本、SMD封装器件适合汽车和消费品等大规模应用，而这些应用通常不需要高精度。价格较贵的MEMS结构的仪器级电容加速度计，零点稳定性好，噪声低。电容式加速度传感器一般输出阻抗低，输出摆幅2 ~ 5V，需要稳定的DC电压供电。
压阻式加速度传感器种类繁多，具有不同的频率响应范围和动态范围。作为具有DC响应的传感器，它们可以测试静态加速度，然后精确计算速度和位移。压阻式加速度传感器的频率响应带宽足以满足大多数动态测试。它们的阻尼可以设计成不同的值(ξ = 0.1 ~ 0.8)，使它们适应不同的试验条件，包括冲击试验。纯压阻式加速度传感器(不包括信号调理电路)可以做得很小很轻，输出阻抗中等(5000欧姆)，满量程输出100 ~ 200 mv。带放大功能的压阻式加速度传感器(内置信号调理芯片)具有低输出阻抗(100欧姆)，满量程输出为2 ~ 5V。
注释和参考文献
A.g .皮尔索尔，T.L .帕埃斯人，哈里斯的冲击和振动手册第6版。，第10.9页，麦格劳-希尔公司，2010年
A.g .皮尔索尔，T.L .帕埃斯人，哈里斯的冲击和振动手册第6版。，第15.19页，麦格劳-希尔，2010年
ICP是PCB公司的注册商标。市场上有许多不同公司关于这种传感器的商标。
