汽车振动传感器设计与仿真

常用振动传感器的结构图片，如图16-10所示。

图16-10 常用振动传感器的结构图片

在汽车振动测试中常用的振动传感器有压电式振动传感器、电动式振动传感器、电磁式振动传感器、电容式振动传感器、电阻式振动传感器和应变片振动传感器。它们的适用范围、优缺点和配套仪器情况，见表16-7。

表16-7 常用的振动测量传感器

（续）

1.压电晶体式传感器及灵敏度

在汽车振动测量中，压电晶体式传感器是最常用的传感器之一。在使用该传感器之前，应注意压电晶体式传感器的灵敏度问题。压电加速度传感器的灵敏度有两种表示法：一种是电荷灵敏度S_q，另一种是电压灵敏度S_c。电荷灵敏度是指传感器产生的电荷q与传感器的加速度a之比，电荷灵敏度的单位是C·s²/m或C/g。

压电晶体本身构成一个电容C_a，当它的两端产生电荷时，便具有了电压。电压灵敏度是指产生的电压与传感器加速度a之比，电压灵敏度的单位是V·s²/m或V/g。

S_c=U_a/a=S_q/C_a（16-6）

压电加速度传感器在出厂时，厂家给出其电荷灵敏度和电压灵敏度，还给出幅频特性曲线。传感器工作频率上限受到传感器固有频率的限制，下限受到传感器后续测量系统（如电荷放大器或电压放大器）的限制。压电加速度传感器的另一指标是横向灵敏度，优良的压电加速度传感器，在工作频率范围内，横向灵敏度应小于5%。

2.压电加速度传感器的使用

对于一个具体的测振问题，首先要选择合适的传感器，即考虑工作频率范围、灵敏度。对低振级的振动，应选择灵敏度较高的传感器，但高灵敏度传感器固有频率较低，工作频率上限也低；对冲击或大的加速度的振动，要求加速度传感器的最大可测振级高于所测加速度峰值；对质量和刚度较小的物体的振动，应选择小型轻质传感器。

压电加速度传感器的使用环境对其性能有很大影响，较高的温度会导致电压灵敏度的降低；当环境温度超过一定温度时，会导致压电元件的破坏，应注意厂家有对传感器使用环境的规定。压电加速度传感器的安装问题也很重要，目前螺钉紧固是最好的安装方法，其安装共振频率高，能传递大的加速度。在要求加速度计与被测物体电绝缘时，可以在加速度计与被测物体之间放置一层薄云母片，然后用绝缘螺钉紧固或用永久磁铁吸盘固定。当测试要求频繁地改变测点位置时，使用此法最为方便，但使用此法不能测量过大的加速度。此外，还可用环氧树脂、502胶水以及其他粘结剂粘接，这些方法只适于低加速度的量。

在使用压电加速度传感器时，有时还会遇到零漂问题。如测量汽车某些部件的振动或在室外进行振动测量时，零漂有时很突出。除了选择优质传感器外，在传感器外壳上采用隔热措施也是减少零漂的方法。

3.现代内装IC压电加速度传感器

（1）内装IC压电加速度传感器 内装IC压电加速度传感器是内装微型IC放大器的压电加速度传感器，它将传统的压电加速度传感器与电荷放大器集于一体，能直接与记录、显示和采集仪器连接，简化了测试系统，提高了测试精度和可靠性，广泛用于核爆炸、航空航天、铁路、桥梁、建筑、车船、机械、水利、电力、石油、地质、环保、地震等领域。其突出特点为

1）低阻抗输出，抗干扰，噪声小，可以进行长电缆传输。

2）性能价格比高，安装方便，尤其适用于多点测量。

3）稳定可靠，抗潮湿，抗粉尘，抗有害气体。

（2）内部组成 内装IC压电加速度传感器由压电加速度传感器和微型IC放大器组成，采用世界上先进的隔离剪切和三角剪切结构，微型IC放大器其基本组成为MOS场效应管，并由输入端的高阻值电阻与传感器电容构成一个一阶高通滤波器，由此确定传感器测量中的低频截止频率。内装IC传感器信号输出具有两线连接特征，即信号输出线与供微型IC放大器工作用的恒流源输入线为同一根线，另一根线为地线，信号输出线可以用屏蔽效果好的低噪声同轴电缆，而在环境不是很恶劣的情况下，也可用普通的同轴电缆。内装IC压电加速度传感器与外接信号调理器的原理图如图16-11所示。

图16-11 内装IC压电加速度传感器与外接信号调理器原理图

（3）技术性能指标 常见的几种型号的内装IC压电加速度传感器的主要技术指标，见表16-8。

表16-8 内装IC压电加速度传感器的主要技术指标

以上各种型号的内装IC压电加速度传感器有以下几种共同性能指标。

1）线性：≤1.0%。(www.xing528.com)

2）横向灵敏度：≤5.0%，典型值为≤3.0%。

3）输出偏压：8～12V直流电压。

4）恒定电流：2.0～20mA，典型值为4.0mA。

5）输出阻抗：＜150Ω。

6）激励电压：18～30V直流电压，典型值为24V直流电压。

7）温度范围：-40～120℃。

8）放电时间常数：≥0.2s。

9）安装力矩：约2N·m（M5螺纹）。

（4）传感器的选择 内装IC压电加速度传感器有许多型号，每一种型号都有自己特别适用的某些用途。为了获得高保真度的测试数据，必须根据测试的使用要求，选择最合适的压电加速度传感器。通常，选择压电加速度传感器最主要的权衡因素是质量、频率响应特性和灵敏度。

1）质量。传感器作为被测物体的附加质量，必然会影响其运动状态。如果加速度传感器的质量接近于被测物体的动态质量，则被测物体的振动就会受到影响而明显减弱。对于有些被测构件，虽然作为一个整体质量很大，但是在传感器安装的局部，如一些薄壁结构，传感器的质量已经可以与结构局部质量相比拟，也将会使结构的局部运动状态受到影响。因此要求传感器的质量m_a远小于被测物体传感器安装点的动态质量m。

由于传感器质量的影响，会使被测构件的振动加速度a降低，其降低的加速度Δa可估算为

2）频率响应特性

①低频响应特性：传感器用户手册给出的下限频率为-10%频响。内装IC压电加速度传感器的低频响应特性主要由内装IC电路芯片和传感器的基座应变、热释电效应等环境特性决定。应变加速度传感器具有响应静态信号的特性。

②高频响应特性：传感器用户手册给出的上限频率为+10%频响，大约为安装谐振频率的1/3。如果要求上限频率误差为+5.0%，大约为安装谐振频率的1/5。如果采用适当的校正系数，在更高的频率范围也能得到可靠的测试数据。

3）灵敏度。灵敏度越高，系统的信噪比越大，而抗干扰能力也越强，分辨率也越高。但是就特定结构的传感器来讲，灵敏度越高，传感器的质量越大，量程和谐振频率也越低。因此灵敏度的选择受到质量、频率响应特性和量程的制约。一般来讲，在满足频率响应特性、质量和量程要求下，应尽量选择高灵敏度的传感器，这样可降低信号调理器的增益（采用×1.0即可），提高系统的信噪比。

（5）传感器安装使用

图16-12 内装IC压电加速度传感器的结构形式

a）侧端输出 b）顶端输出

1）安装。内装IC压电加速度传感器有两种输出结构形式，分别是侧端输出和顶端输出，如图16-12所示。

传感器与被测试件的接触表面要清洁，平滑，平面度应小于0.01mm，安装螺孔轴线与测试方向一致。如安装表面较粗糙时，可在接触面上涂些清洁的硅脂，以改善耦合。测量冲击时，由于冲击脉冲具有很大的瞬态能量，故传感器与结构的连接必须十分可靠，最好用钢螺钉。如现场环境需单点接地，以避免地电回路噪声对测量的影响，请采取使加速度传感器与构件绝缘的安装措施，或选用能满足试验要求的其本身结构对地绝缘的加速度传感器。

①螺钉安装：每只压电加速度传感器出厂时配有一只安装螺钉，用它将加速度传感器和被测试物体固定即可。M5安装螺钉推荐安装力矩约为2N·m。

②磁力安装座连接：磁力安装座分对地绝缘和对地不绝缘两种。在低频率、小加速度测试试验中，如被测物为钢铁结构，且不宜钻安装螺孔的试验件（如机床、发动机等），磁力安装座提供了一种方便的传感器安装方法。但在加速度超过200g、温度超过150℃时不宜采用。

③可用多种胶粘剂粘接：胶接面要平整光洁，并需按胶接工艺清洗胶接面。对大加速度的测量，请计算胶接强度。

2）将传感器的输出同轴电缆连接到信号调理器的输入端。

3）信号调理器的输出端可直接与各类记录、显示仪表相连，也可直接送入数据采集系统。

4）打开信号调理器电源，预热15min。

5）对被测物体施加激励，进行测量或数据采集。

6）为保证测量精度和信号质量，应监视信号调理器输出端信号，电压信号峰值不应超过5.0V。