振动测试过程中，振动传感器作为测量机械量并将机械量转换为电量的前端，在其中起着关键的作用。振动传感器测量的物理量一般有加速度、速度和位移，对应三大类传感器：加速度传感器（也称为加速度计）、速度传感器和位移传感器，其中又以加速度传感器的应用最为广泛，如结构件的模态试验、机械故障分析和振动试验等。那么在测试准备阶段，根据测试场景的不同选择合适的加速度传感器就十分必要，这样我们可以最大程度地减少因传感器本身给测试带来的不利影响。
今天我们以VENZO 880振动控制器为基础，给大家介绍如何为振动试验选择合适的加速度传感器，希望能给各位在工作中提供一些有价值的参考！
Part 1 加速度传感器的介绍
加速度传感器是一种能够测量加速度并转换成可用输出信号的传感器，在加速度过程中，通过对质量块所受惯性力的测量，利用牛顿第二定律（F=ma）获得加速度值。加速度传感器按工作原理可分为压电式、压阻式和电容式。压电式加速度传感器通过利用压电晶体，如石英晶体、压电陶瓷等的“压电效应”：敏感芯体受振动加速度作用后产生与之成正比的电荷信号，来实现振动加速度的测量。压电式传感器的优点有测量频率范围宽、量程大、体积小、重量轻、结构简单，它的缺点是不能测量零频信号。下图为某型号的三轴向压电式加速度传感器。
压电式加速度传感器按输出信号类型可分为电荷输出型（也称为电荷传感器）和低阻抗电压输出型（也称为ICP传感器）。电荷传感器直接输出高阻抗电荷信号，一般需经电荷放大器转换为电压信号，再供测试仪器读取。电荷传感器有耐高温的优点，但由于容易受干扰，所以对测试环境、连接线缆的要求较高；ICP传感器内部安装了前置放大器，直接输出电压信号，所以相对电荷传感器，ICP传感器有信号质量好、噪声小、抗干扰能力强、测量距离远的优势。
压阻式加速度传感器利用半导体材料的敏感芯体制成电阻测量电桥，来实现测量加速度信号。这种传感器有量程大、体积小、低功耗等特点，易于集成在各种模拟和数字电路中，广泛应用于汽车碰撞实验、设备振动监测等领域。但受温度影响较大，一般需进行温度补偿。下图为某型号的压阻式加速度传感器。
电容式加速度传感器内部有可运动质量块和固定电极组成的电容，受加速度作用时，质量块和电极之间的间隙变化，从而电容值发生变化。它有灵敏度高、零频响应、受温度影响小等优点，但其输入输出非线性对应、量程小、需接调理电路改善高阻抗信号输出。常用于安全气囊，手机移动设备的加速度测量。下图为某型号的电容式加速度传感器。
在振动测试中，压电式加速度传感器应用更为广泛，压阻式加速度传感器也有一定程度的应用，而电容式加速度传感器主要专用于低频测量。
Part2 加速度传感器的应用范围
◆ 压电式传感器
1）通用压电式加速度传感器
测量频率范围宽，性能稳定。可用于常规振动测试、模态试验、振动控制等。频率范围一般可达0.5-12000Hz，加速度量程可达1000g。
2）低频压电式加速度传感器
灵敏度高，分辨率高，与地绝缘，抗干扰性好。可用于桥梁结构试验、地震实验等。
3）三向压电式加速度传感器
可在三个相互垂直方向同时测试，便于用户进行结构整体的振动分析。可用于通用测试、模态测试、汽车动力测试、三轴向振动试验等。
4）冲击压电式加速度传感器
可测试高加速度振动。可用于冲击跌落测试、爆炸测试。
5）高温压电式加速度传感器
可在高温条件下正常工作。可用于极端环境测试、发动机振动测试等。
此外，还有用于水下作业的水下压电式加速度传感器、用于工业振动监测的工业压电式加速度传感器、用于元器件检定的微型压电式加速度传感器。
◆ 压阻式传感器
可用于恶劣环境、碰撞测试、振动/冲击测试等。
◆ 电容式传感器
可用于航空航天、民用工程结构、工业测量等。
Part 3 加速度传感器的选择要素
每一种型号的加速度传感器都有其合适的应用场景，所以我们需要根据测试使用要求选择最合适的加速度传感器。
选择要素包括灵敏度/量程、频率范围、非线性度、横向灵敏度、工作温度、最大冲击极限、激励电压与电流、尺寸和出线方式、质量等。
灵敏度/量程：每个传感器出厂前，都会标注出灵敏度和量程。加速度传感器灵敏度乘以加速度量程就是传感器的最大输出电压，所以通常灵敏度低的传感器量程大，而灵敏度高的传感器量程小。对于测试不同的试验件，应选择量程相匹配的传感器，一般土木桥梁和超大型机械结构的加速度振动量级在0.1g~10g 左右，可选择20g量程的加速度传感器，而机械设备的振动在 10g~100g 左右，可选择200g量程的加速度传感器。需要注意的是，传感器加速度量程和测试仪器的通道量程不是同一个概念。比如某型号ICP加速度传感器的灵敏度为100mV/g，其加速度量程为50g（一般传感器的输出满量程电压为5V）。而VENZO 880振动控制软件中输入该传感器指标，显示的加速度量程为100g，它表示当前该输入通道可测的最大加速度（此值可通过选择不同的电压量程档位进行调节）。
频率范围：一般加速度传感器的工作频率上限为自身谐振频率的1/3左右，传感器指标中通常会给出传感器的频率范围及其对应的频响误差。在选择加速度传感器时，加速度传感器的频率范围可以包含测试需要的频率上下限即可。一般，土木工程结构的测试频率范围在0.2~1KHz左右，测试误差不能大于10%，那么传感器的频率范围至少得包括0.2~1kHz（幅值误差在±10%内），而机械设备的测试频率范围在0.5~5KHz左右，测试误差不能大于±3dB，那么传感器的频率范围至少得包括0.5~5kHz（幅值误差在±3dB内）。正弦、随机等试验条件一般直接表明试验频率范围，而经典冲击条件一般给出的是加速度和脉宽，那么此时试验频率范围该如何判断呢，我们可按照这样的原则进行计算：低频频率值可参考0.1/脉冲宽度（s）；高频频率值可参考5/脉冲宽度（s）。比如某冲击试验为150g 1ms半正弦波，则该试验的能量分布基本在100Hz（0.1/0.001）到5000Hz（5/0.001）之间。因此传感器的频率范围可涵盖100Hz-5000Hz即可。如图为150g 1ms半正弦波的能量分布，可见100Hz-5000Hz的加速度有效值和总有效值相差无几。
非线性度：由于传感器出厂指标中的灵敏度是一定量级和频率下的参考灵敏度，因此，当量级变化时，其灵敏度会发生一定偏差，所以会有一项线性度指标来表征灵敏度发生偏差时的幅值最大误差。一般要求加速度传感器的振幅非线性±1%范围内。
横向灵敏度：我们常使用的单轴加速度传感器，其测量的方向为Z轴向的加速度量级，但实际上与之垂直的X轴和Y轴向也有加速度信号输出。横向灵敏度越低，传感器的性能越好。通常来说，测试要求传感器的横向灵敏度≤5%。
温度范围：每一个传感器都有自己的工作温度范围，因此必须根据实际测点位置的温度，以及环境温度来选择合适的传感器。如某型号传感器温度范围为-40度~120度，那么超出该范围的测试温度需求就不能选用该传感器进行测试。此外如果非室温测试环境下，还需考虑温度变化对传感器灵敏度等性能的影响。
最大冲击极限：该指标表示传感器能经受的瞬时冲击限制，通常用峰值表示，如某传感器的最大冲击极限为±2000g pk，那么超出±2000g pk的加速度量级就可能影响传感器的性能甚至损坏传感器的结构。
供电电压/电流：一般 ICP型传感器需要恒流源进行供电工作，如某型号ICP传感器需18-28V直流供电电压和2-10mA的恒定工作电流。市面上，大部分的测试仪器都内置了这样的供电电路，因此可以直接给ICP传感器供电。但还有很多其他类型的加速度传感器需要的供电电压/电流不在测试仪器恒流源提供的范围内，如MEMS加速度传感器，力平衡式加速度传感器等，那么我们需要选择外部供电方式，如配置可调式直流稳压电源进行供电。
尺寸和出线方式：加速度传感器外形以圆柱体和六面体居多，而圆柱形的加速度传感器又分顶部出线和侧面出线两种方式。我们需要根据传感器实际安装时的位置空间来选择合适的传感器外形尺寸和出线方式。
质量：在选择传感器时，还必须考虑传感器本身的重量带来的附加质量的影响，特别是测试轻质结构时，传感器本身重量影响显著。对于一些轻型的结构振动或在薄板上测量振动信号时，应该使用小而轻的传感器。
Part 4 加速度传感器的安装方式
我们这里对常用的压电式加速度传感器的安装方式进行说明。
1）螺钉安装
使用螺钉安装，它的使用频率响应可近似原标定的频率响应，这种安装方式又称刚性安装。常见加速度传感器的安装螺钉为M5或M6螺纹。
2）粘接安装
在无法使用螺钉安装时，可使用各种粘接剂，如“502”、环氧树脂胶、双面粘胶带、橡皮泥。应注意，使用前二种粘接剂时，传感器的使用频率接近刚性安装方法，后两种粘接剂一般用于低频现场，且会使被测频率大大降低。粘接安装的方式不适合冲击测量。
3）磁座
磁座的优点是不破坏被测物体，移动方便。但是应考虑用磁座测试会使加速度传感器的使用频率响应有所下降。使用时应先在被测物上安装磁座，再拧上传感器，或者将二者轻轻吸附于被测物上。冲击状态会使传感器产生电荷积累，影响测试精度。
4）云母片/四氟膜
云母片安装有两个作用，隔热、绝缘。对高温状态试件，可用厚度<0.1毫米的云母片垫置，其加速度传感器频率响应会略有降低。对试件与加速度传感器间的绝缘，云母与四氟是最佳材料。
Part 5 加速度传感器的安装注意事项
1）传感器安装面需保持平整、光洁，安装面上不能有胶膜、毛刺、尖点等。安装面的底座面积应大于传感器的安装面积。
2）在传感器与测试件的结合面，最好涂上一层硅脂，提高安装表面的接触刚度，这样对传感器的高频响应也会有所改善。
3）对大型超低频传感器，螺钉安装时，用手轻拧即可。该类传感器水平任意面均可利用自重进行地脉动测试。
4）传感器如需浮置，可采取绝缘材料的安装转接块，使其与被测物绝缘，或选用绝缘型产品。
5）在潮湿处使用，需对接线插头部位采取密封措施，以保证加速度传感器的绝缘良好，建议采用703硅胶涂抹。
Part 6 传感器与测试仪器连接
加速度传感器作为信号采集的前端，需要和测试仪器进行连接，以完成信号的显示和分析。一般加速度传感器的线缆输出端和采集仪器的输入端通过BNC接口进行连接。
VENZO 880控制器内置电荷放大器和恒流源，可直接接入电荷传感器和ICP传感器的信号，下图为VENZO 880控制器和加速度传感器的连接示意图。
同时VENZO 880控制软件中，配置了传感器数据库，以方便用户随时调取使用传感器的数据。
