傳感器是獲得精準有效數據的第一觸點(diǎn)；它們在將原始物理量轉換為便于測量計算的數據量的過(guò)程中，發(fā)揮著(zhù)重要作用。伴隨著(zhù)電力、船舶、航空、航天等多種工程技術(shù)的迅猛發(fā)展，對相關(guān)應用場(chǎng)景越來(lái)越需要更精確的動(dòng)態(tài)數據。航空發(fā)動(dòng)機、燃氣輪機、蒸汽機等高能動(dòng)力裝置，對工業(yè)級傳感器都提出了更加嚴苛的要求。在眾多傳感器里，筆者以工業(yè)級加速度傳感器為例，結合應用和相關(guān)產(chǎn)品數據，將一些體會(huì )和經(jīng)驗做一個(gè)簡(jiǎn)單的分享。

 

什么是加速度傳感器？ 

加速度傳感器(Accelerometer)，又稱(chēng)加速規、加速計，是用于測量加速度的一種感應裝置，該裝置在加速過(guò)程中對自身所受慣性力進(jìn)行測量，通過(guò)牛頓第二定律得出加速度值。從感應機理上分為壓電式、電容式、電感式、應變式、壓阻式等。

 

汽車(chē)平順性試驗應用

 

將加速度傳感器安裝在車(chē)輛座椅上，測量XYZ三個(gè)軸向上的振動(dòng)加速度過(guò)程，用以評價(jià)汽車(chē)行駛平順性的道路試驗。

 

 

工業(yè)級加速度傳感器

 

 

選擇加速度傳感器時(shí)，用戶(hù)大多基于加速度量程范圍，同時(shí)結合實(shí)際應用。如傾斜角度測量，±1.5g的量程已經(jīng)足夠。±2g的加速度傳感器可以用于大多數消費電子和商業(yè)應用。但對于急停、多方向劇烈變化以及振動(dòng)烈度較大的測量應用，至少要選擇±10g以上或者更大量程的加速度傳感器。

 

在眾多工業(yè)應用場(chǎng)景中，都需要對沖擊和振動(dòng)進(jìn)行監控和測量，因應用環(huán)境溫度的高低溫波動(dòng)范圍大，對加速度計的量程、靈敏度、精度要求高，對于常規加速度傳感器來(lái)說(shuō)，完全不能勝任這種嚴苛惡劣的工作環(huán)境?；诖斯I(yè)級加速度傳感器應運而生，它們完全能夠在這種惡劣的應用環(huán)境中保持高可靠性的持續測量和穩定輸出。

 

工業(yè)級加速度傳感器的品牌和產(chǎn)品性能

 

 

在傳感器市場(chǎng)中，工業(yè)級加速度傳感器品牌眾多，其中歐、美、日品牌占據了此類(lèi)產(chǎn)品較大比例的市場(chǎng)份額。但隨著(zhù)中國近年來(lái)工程技術(shù)的迅猛發(fā)展，中國的自主品牌也正在這一細分產(chǎn)品領(lǐng)域中逐步跟上，并在高、中、低幾個(gè)技術(shù)維度上與歐、美、日同臺角逐。從產(chǎn)品技術(shù)和可靠性?xún)蓚€(gè)維度上來(lái)看，進(jìn)口品牌美國PCB、丹麥B&K和中國自主品牌西人馬（FATRI）的工業(yè)級加速度傳感器能夠比較全面的詮釋這兩個(gè)維度。

 

PCB Piezotronics, Inc. “PCB”是PicoCoulomB的縮寫(xiě)，PicoCoulomB屬于技術(shù)術(shù)語(yǔ)，定義了由PCB制造的壓電傳感器產(chǎn)生的電荷類(lèi)型，也成了該公司的注冊商標。PCB 于1967年成立，是美國老牌的家族企業(yè)。擁有加速度測量、振動(dòng)、沖擊、聲學(xué)、負載等產(chǎn)品線(xiàn)。

 

Brüel & Kjær簡(jiǎn)稱(chēng)B&K，名稱(chēng)與商標源于創(chuàng )始人Per VilhelmBrüel和ViggoKjær的名字，二人緣起于哥本哈根理工學(xué)院（現丹麥工業(yè)大學(xué)），這是個(gè)歷史悠久的公司，成立于1942年，擁有加速度測量、傳聲器、聲學(xué)全息陣列等產(chǎn)品線(xiàn)。

 

西人馬（廈門(mén)）科技有限公司- FATRI，創(chuàng )始人聶泳忠博士，這是一個(gè)歷久彌新的中國自主品牌，“久”在于其創(chuàng )始人聶博士一直深耕于精密先進(jìn)傳感器的研發(fā)和設計的前沿，“新”是因為該公司僅成立了5年多的時(shí)間。雖然成立時(shí)間短，但擁有先進(jìn)材料、芯片制造、精密傳感器（加速度、溫度、壓力等）、測量設備等豐富和扎實(shí)的產(chǎn)品研發(fā)和制造能力。

 

筆者從三個(gè)品牌的產(chǎn)品中揀選出工業(yè)級加速度傳感器的同類(lèi)產(chǎn)品，通過(guò)產(chǎn)品技術(shù)規格來(lái)解析工業(yè)級傳感器的一些特性和關(guān)鍵技術(shù)指標。

 

 

工業(yè)級加速度傳感器的關(guān)鍵技術(shù)指標

 

靈敏度

 

電壓靈敏度在滿(mǎn)足諧振頻率的前提下越大越好，后端采樣調理的回路就越容易。

 

工作溫度

 

在工業(yè)現場(chǎng)環(huán)境中，隨時(shí)會(huì )出現溫度的驟升驟降，能否有效進(jìn)行測量，直接影響測量的效率，所以工作溫度范圍要盡量夠寬。

 

響應時(shí)間

 

當被測量物體發(fā)生變化時(shí)，傳感器并不能立刻反應，普遍存在滯后，滯后的時(shí)長(cháng)即響應時(shí)間，響應時(shí)間越短越好。

 

沖擊極限

 

指1秒內，傳感器及殼體所能承受的最大加速度沖擊，一般在可承受沖擊的范圍內，傳感器仍能保持正常工作，沖擊極限上限越高越好。

 

橫向靈敏度

 

測量某個(gè)方向時(shí)，信號輸出理論上應全為感知方向，但實(shí)際上在該方向垂直的方向也會(huì )有信號輸出，這是橫向效應造成的，所以橫向靈敏度越低，性能越好。國標要求≤5%。

 

非線(xiàn)性度

 

在固定的頻率和幅值范圍內，輸出量與輸入量成正比時(shí)，成為線(xiàn)性變卦。實(shí)際傳感器的校準結果與線(xiàn)性偏離的程度稱(chēng)為傳感器的非線(xiàn)性度。該指標越小越好。

 

頻率響應

 

一般加速度傳感器的工作頻率上限為自身諧振頻率的1/3左右，通常加速度傳感器低頻特性較差，信號衰減嚴重，而在高頻段線(xiàn)性度差，非線(xiàn)性影響較大。在實(shí)際應用中，土木工程結構的頻率范圍在0.2~1kHz左右，通用機械設備大多屬于中頻段，頻率范圍在0.5~5kHz左右。高能動(dòng)力裝置由低頻至高頻段，頻率范圍會(huì )大于5kHz。另外，傳感器安裝的剛性對傳感器測量的頻率范圍也有一定影響。工業(yè)級加速度傳感器的頻率響應范圍直接影響其在不同應用場(chǎng)景中的測量效率。

 

從上面的指標我們可以看出，工業(yè)級加速度傳感器的量程范圍相較于非工業(yè)級傳感器更加寬大，工作溫度區間能經(jīng)受住較大范圍高低溫的循環(huán)轉換，并在這樣的工況下可以保證相對較好的靈敏度，且能夠將橫向靈敏度控制在盡可能小的范圍內，同時(shí)要能夠承受住上千g的沖擊。這些要素的集合，等于對傳感器的研發(fā)設計與生產(chǎn)制造提出了極高的要求。在實(shí)際制造過(guò)程中每一個(gè)微小的工藝上的誤差，都會(huì )對傳感器本身帶來(lái)巨大的影響。

 

PCB與B&K作為國際知名的傳感器專(zhuān)業(yè)制造商在產(chǎn)品技術(shù)規格上的要求是嚴謹和苛刻的，在實(shí)際應用中有口皆碑。值得一提的是，西人馬（FATRI）作為一個(gè)中國自主傳感器品牌，在這樣短的時(shí)間內能將產(chǎn)品做到這樣的高度，不得不說(shuō)這是一個(gè)具備極強技術(shù)實(shí)力的企業(yè)。畢竟在傳感器制造這個(gè)行業(yè)里，在工程技術(shù)中，技術(shù)實(shí)力與研發(fā)設計能力是第一生產(chǎn)力。

 

 

筆者從多方了解到，西人馬（FATRI）是一家擁有材料、傳感器芯片設計制造、封裝、測試、精密傳感器制造等全方位能力的硬核科技公司。這家公司在短短5年時(shí)間里，首創(chuàng )了如基座楔形自鎖剪切結構的等國際專(zhuān)利設計多達600多項。在先進(jìn)傳感器制造這樣一個(gè)重資產(chǎn)、技術(shù)門(mén)檻高、研發(fā)周期長(cháng)的行業(yè)里，做出這樣具備競爭力的工業(yè)級傳感器，在當下浮躁、投機的環(huán)境中，更顯得難能可貴。作為行業(yè)中的一員，筆者能夠想象，在這個(gè)過(guò)程中不知要經(jīng)歷多少艱辛與磨難。但這種付出與堅守是值得的，我們需要更多這種能夠耐得住寂寞，具備工匠精神的科技創(chuàng )新企業(yè)。

 

當前，各種工程技術(shù)與前沿科技高速發(fā)展的趨勢下，在工業(yè)傳感器的領(lǐng)域里，歐、美、日產(chǎn)品仍極具競爭力。但隨著(zhù)全球市場(chǎng)需求的發(fā)展，相信未來(lái)會(huì )有更多中國傳感器自主品牌走向世界，與國際廠(chǎng)商同臺角逐，一爭高下。國際局勢的風(fēng)云激蕩，時(shí)刻牽動(dòng)著(zhù)市場(chǎng)格局變化。作為后發(fā)者，需要秉持初心，堅定不移的走自主研發(fā)制造的正確路線(xiàn)。筆者希望能有更多像西人馬（FATRI）這樣具備核心技術(shù)實(shí)力的中國傳感器自主品牌廠(chǎng)商能夠在更多的應用領(lǐng)域與歐、美、日等國外傳感器企業(yè)同臺角逐。

 

在這個(gè)機遇與挑戰并存的時(shí)代里，唯有努力拼搏才能占有一席之地，埃隆.馬斯克在其自傳中說(shuō)：“所謂創(chuàng )業(yè)，就是嚼著(zhù)玻璃凝視深淵。既然必須穿過(guò)地獄，那就走下去”。

 

知識分享

 

1.壓電效應：壓電晶體受力變形后，其內部會(huì )產(chǎn)生極化現象，同時(shí)在它的兩個(gè)表面產(chǎn)生符號相反的電荷，當被測振動(dòng)頻率遠低于加速度計的固有頻率（諧振頻率）時(shí)，則力的變化與被測加速度成正比。當外力去除后，又重新恢復到不帶電狀態(tài)，這種現象稱(chēng)為“壓電效應”。

 

2.對工作狀態(tài)下的待測結構進(jìn)行測量時(shí)，最好使用帶有“隔離”的傳感器。如果傳感器本身不具備隔離，可在傳感器底部增加絕緣材料充當隔離器件。

 

3.應用的傳感器的工作頻率區間，稍高于實(shí)際測量的帶寬較為適宜。

 

4.軸向很重要，單軸加速度傳感器通常用于測量簡(jiǎn)單的振動(dòng)和加速度情況；雙軸加速度傳感器是指測量沿X軸與Y軸的加速度和振動(dòng)（前、后&左、右）；三軸加速度傳感器即將Z軸加入到雙軸加速度傳感器中，以便用于復雜的三維定位和測量。

 

5.加速度傳感器還受到振動(dòng)頻率范圍限制，必須與預期應用的頻率匹配。