加速度计:它们是如何工作的?

有许多类型的实验室和工业加速计，包括纯机械器件(如机械振动开关)、光纤、应变片、压电、压阻、电容、MEMS(微机电系统)等。特别是MEMS设计，在不需要高精度的地方越来越受欢迎。然而，压电设计迄今为止在机械监测应用中最为普遍，因此将成为本系列的第1部分的重点。第二部分将在九月号的轨道并将检查地震传感器(加速度计和速度传感器)的选择标准。我们将在12月号的第3部分中结束这个系列轨道通过对MEMS技术的研究，以及它在非关键资产状态监测解决方案中的适用范围。

一个压电¹加速度计在基本层面上是一个非常简单的设备:当你施加压力时²内部的材料通过施加力，产生电荷的变化，而这种变化与力的大小成正比。

¹1880年皮埃尔·居里和雅克·居里夫妇发现了压电效应。“压电”一词最初被称为“热释电”，是W.G.汉克尔根据希腊语πιεζειν [piezein]提出的，意思是挤压或按压。

²这种应力可以以压缩、拉伸或剪切(扭转)力的形式出现。

当施加压力(力)时，无论是压缩、拉伸还是剪切，表现出压电效应的材料都会经历电荷的变化。

从高中物理和牛顿第二运动定律中，我们知道加速度和力是通过熟悉的方程F = MA相互关联的，其中

F =力(牛顿)

M =质量(千克)

A =加速度(单位:m/sec²）

正是由于力和加速度之间的这种关系，我们可以采用基本上是力检测传感器并使用它来测量加速度;在质量不变的系统中它们是成正比的。

关于压阻式和电容式也可以作类似的评论加速度计;而不是基于力的电荷的比例变化，它们分别经历了电阻或电容的比例变化。

压电加速度计内部的材料多种多样，从晶体(天然的和合成的)到陶瓷，再到聚合物，但有一个共同点:它们都表现出压电效应。换句话说，它们对力(应力)的反应是电荷的成比例变化。

一般来说，晶体(石英是最常用的)表现出比陶瓷更小的压电效应。然而，陶瓷的压电性能会随着时间的推移而退化，而晶体的压电性能则更加稳定。

相比之下，陶瓷如PZT^3.表现出更强的压电特性，需要更少的放大并产生优越的信噪比(SNR)。PZT也可以人工老化，以帮助减少与自然老化发生的退化。因此，该行业在很大程度上转向了陶瓷，从而可以精确测量更小的信号电平，并实现更低的本底噪声。

^3.锆酸铅钛酸铅

除了转向陶瓷材料而不是晶体外，该行业还转向剪切模式设计而不是压缩模式设计。早期的加速度计采用压缩模式设计，主要是因为它们更容易制造。然而，随着制造技术的进步，剪切模式设计已经走到了最前沿，因为它们具有许多优点:

• 对于给定的力，它们产生更强的电输出(更好的信噪比)
• 它们对热瞬变和机械预载荷(如基应变)不太敏感
• 不容易出现所谓的“滑雪坡”效应

如前所述，压缩模式设计是最容易制造的。所谓的“单端”设计最容易受到基底应变的影响，因为压电元件(PE)直接连接到加速度计外壳的基底。因此，安装表面的任何畸变直接转移到PE，并表现为假振动。因此，表面处理是极其重要的。

隔离压缩模式设计通过使用各种隔离手段(包括特殊垫圈)和减少PE与底座之间的表面积来弥补这一点。

如前所述，剪切模式设计越来越受欢迎，因为它们提供了与机械振动测量相关的优势-特别是滚动元件轴承监测，其中解析小信号幅度的能力很重要。

如前所述，a的基本操作原理压电加速度计是电荷对加速度(力)的响应变化。因此，本机输出是成比例的负责(如50pC/g)——不是一个比例电压(如100mV/g)。

在加速计被用作监测系统的输入之前，电荷必须转换成电压。这可以通过使用外部设备(通常称为电荷放大器)来完成⁴)或通过加速度计外壳内的集成电子元件。一个自然的问题是，当电荷转换可以在加速度计内部完成时，为什么要使用外部电荷放大器呢?原因是温度。虽然电荷放大器中的电子器件可以相对不受高达约300°F(~150°C)的温度变化的影响，但超过这个温度，输出受温度的影响太大，用于电荷转换的电子器件也无法在这样的温度下工作。要避免这些问题，当加速度计将安装在表面温度非常高的机器上，例如燃气轮机，通常将加速度计本身与电荷放大器分开。这允许电荷放大器位于温度较低(通常低于300°F)的环境中，而传感元件本身可以承受更高的温度。

⁴除充电转换外，其他信号调理电子设备也将包括在该设备中。例如，过滤和集成可能伴随着电荷转换。由于这个原因，电荷放大器有时被称为信号调节器或仅仅是“电子”。

例如,本特利内华达330900高温速度和加速度传感器(HTVAS)允许将传感元件安装在表面900°F (482 C),而不同的电荷放大器仅限于257°F (125 C)。传感元件和电荷放大器是由矿物绝缘,强硬的电缆,也认为到900°F (482 C)。另一个例子,350501年本特利内华达电荷放大器只能维持温度高达华氏158度,但它连接的传感元件(如Bently Nevada零件号45357-01)可以承受高达750°F (398 C)的温度。

Bently Nevada 330750高温速度传感器(HTVS)是一款使用单独电荷放大器的加速度计，可以在非常高温的应用中使用。电荷放大器还集成了本地加速度输出到速度，因此被称为信号调节器。集成电缆长度可达8米，可用于从信号调节器分离传感元件，确保信号调节器是很好地从温度产生的传感元件(通常是一个航空衍生燃气轮机的表面)。

除了上一节所述的高温应用之外，工业振动监测中更常见的加速度计是将电荷放大器与传感元件集成在一起的。例子包括Bently Nevada 330400、330525、330500、330525、200350、200355、330700、AM3100T2-Z2等。这些器件为具有速度输出的自积分加速度计提供了以电压为单位的原生输出灵敏度，例如100mV/g或100mV/in/sec。

早在20世纪80年代，bent利内华达的23732等早期加速度计就有积分电荷转换，但使用了一个外部接口模块，将原始加速度计信号从25mV/g放大到行业标准的100mV/g，同时允许使用-24Vdc为系统供电，以便加速系统和接近探头系统使用相同的激励。随着时间的流逝，我们的加速度计设计得到了改进，对外部接口模块的需求消失了，我们引入了330400和330425型号，以便与使用旧的23732和类似传感器的监视器向后兼容。然而，由于旧的接口模块使用三根线(电源，信号，公共)，我们的330400和330425加速度计也使用三根线。

早期本特利内华达加速度计系统例如23732使用单独的接口模块，并具有3线设计(PWR, SIG, COM)。由于加速度计具有高阻抗输出，因此必须在传感器与其接口模块之间使用特殊的低噪声同轴电缆。330400和330425是作为这些旧系统的替代品而开发的，不需要外部接口模块或特殊的同轴电缆。它们保留了三线设计，并且在电气上与这些旧系统相同。这使得具有单独接口模块的旧3线传感器可以在不改变监测系统的情况下进行升级。

随着加速度计的IEPE(积分电子压电)标准的引入，2线设计已经无处不在，并具有许多优势:

• 在标准的，随时可用的+24Vdc仪器电源上运行，并使用恒流励磁(通常为3mA)
• 是否可以驱动较长的电缆长度而不需要特殊的低噪音同轴电缆或其他电缆
• 可以使用标准的屏蔽2线电缆而不是3线电缆吗
• 输出阻抗低
• 是否可与支持ippe类型输入的许多仪器和监视器互换

大多数本特内华达监测系统，包括我们新的Orbit 60平台，支持IEPE加速度计，使用外部电荷放大器的电荷模式加速度计，以及我们自己的传统和当前的3线加速度计系统，以实现最大的灵活性和选择。

IEPE加速度计非常流行，并在许多领域得到支持本特利内华达监测平台．