作为从小骑自行车、在地板上推玩具长大的人类，我们本能地理解物体因外力而产生的加速度。振动数据及其衍生参数（例如 加速度、冲击和位移） 在许多应用中极其重要。
振动 可以被认为是物体围绕平衡位置的振荡或重复运动，其中作用在其上的力为零。
振动通常是由于制造公差、间隙、机器零件之间的滚动和摩擦接触以及旋转和往复构件中的不平衡力的动态影响而发生的。通常，微小的、无关紧要的振动会激发其他一些结构部件的共振频率，并被放大为主要的振动和噪声源。这就是监测振动如此重要的原因。
轮胎振动
振动体描述围绕参考位置的振荡运动。一秒钟内发生完整运动周期的次数称为频率，以 赫兹 (Hz)为单位。
该运动可以由以单一频率发生的单个分量组成，如音叉，也可以由同时以不同频率发生的多个分量组成，如内燃机的活塞运动。
在下图中，我们可以看到音叉的运动。音叉是一种两叉叉形式的声学谐振器。当通过撞击表面或物体而使其振动时，它会以特定的恒定音调产生共振，并发出纯净的音乐音调。
音叉
加速度 计 是一种测量加速度的装置。典型的加速度计就像安装在弹簧上的阻尼质量。当受到加速度时，该质量会移动。测量该位移并将其转换为有用的单位。
• 振动： 当物体围绕平衡位置执行振荡运动时，称其振动。振动存在于运输和航空航天环境中或通过振动台系统模拟。
• 冲击： 结构的突然瞬态激励，通常会激发结构的共振。
• 运动： 运动是缓慢移动的事件，例如机械臂的运动或汽车悬架测量。
• 地震： 这更多的是一种运动或低频振动。这种测量通常需要专门的低噪声高分辨率加速度计。
• 力量
• 倾角
我们可以从加速度中得出几个重要的值。例如，如果我们知道物体的质量 (m)，我们可以将其乘以它的加速度 (a)，从而得出力 (F)：
尽管加速度计的类型很多 ，采用的技术不同，规格和应用等因素也大不相同，但我们可以根据是否可以测量静态加速度将这些传感器分为两大类：
• 交流加速度计：充电和 IEPE 加速度计，
• 直流加速度计：电容式、压阻式和 MEMS 加速度计。
根据定义，这些传感器用于 测量动态事件。换句话说，它们不能测量 直流或静态加速度，而只能测量加速度的变化。
振动通常是高频信号，需要高速数据采集。这就是为什么相对低速的数据记录器不用于这些测量。这些传感器使用了不同的技术，每种技术都适合特定的应用和环境。
压电加速度计 利用了 皮埃尔·居里和雅克·居里于 1880 年发现的压电效应 。他们观察到某些材料，尤其是晶体和陶瓷，会在受到压力时产生电荷或电压。他们进一步发现，这种响应与施加的应力呈线性关系。 “piezo”一词源自希腊语“piezein”，意思是“挤压”。
目前有两种 流行的交流加速度 传感器：
• 电荷加速度计传感器
• IEPE 加速度计传感器
重要的是直流加速度计可以精确测量静态（DC）加速度。还需要注意的是，直流加速度计 还可以测量 动态 (AC) 振动，但通常不具有交流加速度计的高带宽。交流加速度计 专为动态测量应用而设计。
在大多数情况下，动态 (AC) 加速度计根本无法测量 DC 加速度。但其中一些具有可设置的时间常数，允许在短时间内测量直流加速度。
目前有几种流行的 直流加速度计类型：
• 电容式加速度计
• 压阻式加速度计
• MEMS 加速度计
请注意，MEMS 可以指内部的电容式或压阻式传感器技术。但将它们列在这里很重要，因为它们在市场上被称为传感器类型。
让我们详细了解一下每种类型的交流和直流加速度计。
在经典的电荷传感器中，位移轴上的加速度引起的应力会产生带电离子流，其强度根据加速度的大小而变化。在传感器内部，一块压电材料（通常是石英或压电陶瓷）位于固定质量旁边。当传感器外壳沿测量轴受到加速度时，质量块对压电材料的应力或“挤压”效应会引起材料的电荷输出。该电荷可以使用 DAQ 系统进行测量。
典型充电模式加速度计
电荷传感器具有高阻抗输出，需要特殊的充电模式信号调节器，例如 Dewesoft 的 SIRIUS CHG 电荷放大器。
电荷型加速度计具有极高的带宽、动态范围和非常宽的温度工作范围。
电荷传感器需要特殊的低噪声布线，因为高阻抗电荷信号非常容易受到 RF（射频）和 EM（电磁）干扰。移动电缆会对信号产生噪声，因此在布线时必须非常小心（即使扎带的微小压力也会产生噪声）。
| 优点 | 缺点 |
| 无需电源 | 需要昂贵的信号调节器 |
| 耐用且工作温度范围宽 | 需要昂贵的低噪音电缆 |
| 无噪音 | 仅限于动态和准静态测量应用 |
| 最高分辨率 | 无法测量静态加速度 |
| 优异的动态特性 | |
| 极其线性的输出 | |
| 耐高温（500℃以上） | |
| 非常高的冲击幅度范围 | |
| 可以设计更小的传感器 |
• 汽车测试
• 航空航天和国防测试
• 高带宽应用
• 跌落测试
• 自由落体测试
• 基于状态的监测
• 高温应用
为了解决这个布线和噪声问题，工程师们想出了如何将微型放大器集成到传感器外壳本身中。该放大器将高阻抗输出转换为低阻抗输出，这样更容易通过成本更低、长度更长的电缆进行发送。
它还大大降低了其对射频和电磁干扰的敏感性。这些传感器被称为 IEPE 传感器，因为它们具有集成电子元件。该缩写词的意思是“集成电子、压电”。
在传感器内部，一块 压电材料 （通常是石英或压电陶瓷）位于固定质量旁边。当传感器外壳沿测量轴受到加速度时，质量块对压电材料的应力或“挤压”效应会从材料中感应出电荷输出，从而可以测量该电荷。该部分与电荷传感器完全相同 - 不同之处在于 IEPE 传感器额外包括一个信号放大器。
质量块对压电元件施加压缩力的压缩式压电加速度计
值得注意的是，PCB Piezotronics 公司也使用其专有的缩写 ICP®来指代这些传感器，他们将其定义为“集成电路，压电”。 ICP 是 PCB Group, Inc. 的注册商标）。
质量块对压电元件施加剪切力的剪切型压电加速度计
与不需要外部电源的电荷传感器不同，这些 IEPE 传感器内的微型集成放大器必须供电。此外，放大器仅存在于传感器内确实会增加少量质量，但更重要的是，它会大大降低传感器的工作温度范围。传感器电源必须由外部 IEPE 信号调节器提供，该 信号调节器在信号线上创建恒定电流源。
由于 IEPE 传感器用于测量动态而非静态加速度，因此直流电源电压对读数没有影响。用于 IEPE 传感器的信号调节器通常比用于 CHARGE 传感器的信号调节器便宜。它基本上只是一个电压调节器，可以提供可选的恒定电流激励来为传感器供电。
| 优点 | 缺点 |
| 无论电缆长度和电缆质量如何，固定灵敏度 | 需要恒流激励（减少电池工作时间） |
| 输出信号越高意味着噪声越少 | 工作温度范围上限大约为 120°C |
| 更长的电缆没问题 | 它不能测量静态信号 |
| 需要较便宜的 IEPE 信号调节器 | 固有噪声源 |
| 出色的动态响应 | |
| 低阻抗输出可通过长电缆传输 | |
| 能够承受更好的恶劣条件，例如灰尘和湿度 | |
| 固有自检功能 |
• 汽车测试
• 航空航天和国防测试
• 高带宽应用
• 跌落测试
• 自由落体测试
• 基于状态的监测
电容式加速度计通常在低频范围内提供卓越的性能。在传感器外壳内部，两个平行板电容器以差动模式运行。连接了两个额外的固定值电容器，所有四个电容器都连接为全桥。
这些结构紧密排列在传感器外壳内，当受到加速度时，它们之间的间隙会产生小电容。电桥电路的输出随着电容的变化而线性变化。
典型的电容式（和 MEMS）加速度计由可移动的检测质量块和连接到参考系的机械悬挂系统上的板组成，如下图所示
通过使用散布的“梳”齿结构来检测电容，提高了该传感器的精度。这些可以通过多种方式安排。因此，这些传感器可以测量动态（AC）和静态（DC）加速度。
| 优点 | 缺点 |
| 可测量交流和直流加速度 | 压电电荷和 IEPE 传感器缺乏高带宽 |
| 可以做得非常小且便宜（精度有些有限） | 特别是电荷传感器缺乏高工作冲击和温度范围 |
电容式加速度计可以做得非常小且成本低廉，因此可用于许多商业和消费应用。其中一些包括：
• 手机，用于为用户“向上”定位屏幕、突然减速或加速（碰撞检测）
• 用于展开安全气囊的汽车，
• 视频游戏控制器的姿态检测，
• 无人机
• 还有更多应用
直流加速度计的另一种流行技术是基于压阻技术。压阻式加速度计不像压电传感器那样使用晶体或陶瓷元件，而是使用应变计来检测加速度。这使得传感器能够 测量 高达约 6 至 8 kHz 的静态 (DC) 和动态 (AC) 加速度。质量的内部阻尼可以通过流体或气体来实现。
典型压阻式加速度计
典型的压阻式加速度计的输出是差分的，在噪声性能方面良好。 通常需要高质量的 应变仪信号调节器，例如 SIRIUS STG 型。其中一些传感器设计用于在高冲击应用中表现良好，并且可以测量高于 10.000 g 的重量。
| 优点 | 缺点 |
| 非常适合速度和位移应用，因为它们的直流输出比交流输出传感器更好地避免积分和双重积分误差 | 不太适合动态应用 |
| 可测量低至 0 Hz | 由于内部电子元件的限制，温度工作范围有限 |
| 可以测量静态角度 | 上限带宽仅限于低 kHz 范围 |
| 差分输出 |
• 汽车测试
• 航空航天和国防测试
• 高冲击测量
• 各种非动态冲击和振动测量
除了上面提到的机械加速度计之外，还有机电传感器（又名 MEMS）可用。由于 CHARGE 和 IEPE 传感器通常以 0.3 Hz 至 10 Hz 开始测量，因此它们无法进行静态或极低频测量。微机电系统传感器 (MEMS) 是一个很好的解决方案。
MEMS 加速度计有单轴和三轴版本。
| 优点 | 缺点 |
| 非常适合静态/低频测量（可以测量低至 0 Hz） | 由于内部电子元件的限制，温度工作范围有限 |
| 可以测量静态角度 | 上限带宽仅限于低 kHz 范围 |
| 振幅范围限制为 400 g |
• 抗震工作
• 结构监测
• 陀螺仪定位系统
• 汽车测试
• 安全气囊测试
| 加速度计类型 | 优点 | 缺点 |
| IEPE 加速度计 | 固定灵敏度，与电缆长度和电缆质量无关 更高的输出信号意味着更少的噪声 更长的电缆也没有问题 测量系统中需要较便宜的 IEPE 信号调节器 出色的动态响应 低阻抗输出可以通过长电缆传输 能够承受更好的恶劣条件，例如污垢和湿度 固有自检功能 | 需要恒流激励（减少电池工作时间） 工作温度范围上限大约为 120°C 无法测量静态信号 固有噪声源 |
| 充电加速度计 | 无需电源 设计简单，最耐用、最宽的工作温度范围 无噪音、最高分辨率 出色的动态特性 极其线性的输出 能够承受高温环境（超过 500°C） 极高的冲击幅度范围 可以设计更小的传感器 | 它们需要相对昂贵的信号调节器 易受噪声影响，因此电缆长度必须短（< 10m） 需要低噪声电缆，价格昂贵 仅限于动态和准静态测量应用 无法测量静态加速度 |
| 电容式加速度计 | 可以测量交流和直流加速度 可以做得非常小且便宜（精度有些有限） | 压电电荷和 IEPE 传感器缺乏高带宽。特别是电荷传感器缺乏高工作冲击和温度范围 |
| 压阻式加速度计 | 非常适合速度和位移应用，因为它们的直流输出比交流输出传感器更好地避免积分和双积分误差 它可以测量低至 0 Hz) 它可以测量静态角度 差分输出 | 不太适合动态应用 由于内部电子器件，温度工作范围有限 上带宽限于低 kHz 范围 |
| MEMS 加速度计 | 静态/低频测量的理想选择 它可以测量静态角度 | 由于内部电子器件，温度工作范围有限 上带宽限制为低 kHz 范围 幅度范围限制为 400 g |
有多种传感器设计用于测量振动和冲击。选择传感器时您应该问自己的最重要的问题是：
• 接地隔离
• 灵敏度
• 低频范围
• 带宽
• 幅度范围
• 残余噪音水平
• 温度范围
• 重量
• 接地环路
• 电缆噪音
• TEDS 兼容性
当被测物体导电且处于接地电位时非常重要。仪器和加速度计之间的接地电压电平差异可能会导致接地环路，从而导致错误的数据读数。
理想情况下，我们希望有高输出电平，但高灵敏度通常需要相对较大、较重的传感器。幸运的是，这不是一个关键问题，因为现代 Dewesoft 前置放大器是为处理低电平信号而设计的。
传感器的高通截止频率必须低于您要测量的频率。例如，在造纸厂中以 1 至 5 Hz 的频率进行测试意味着您需要带宽为 0.3 Hz（或更低）的传感器。对于这些应用，充电或 IEPE 是最合适的。如果您需要测量静态加速度，则需要不同的传感器技术，例如电容式或 MEMS。
这是传感器的（上）带宽。小质量加速度计可提供高达 180 kHz 的谐振频率，但对于较大、输出较高的通用加速度计，典型谐振频率为 20 至 30 kHz。
电荷传感器提供大振幅范围（专门设计的震动传感器可以具有超过 100,000 g 的振幅范围！），但 IEPE 传感器也相当高（高达 1000 g）。 MEMS 传感器的范围通常非常有限（最多几百克）。对于大多数应用，IEPE 传感器都很好，而对于高振幅水平，电荷传感器更好。
这定义了传感器可以测量的最低幅度水平。我们应该采用具有最佳测量范围的传感器，因为具有较高范围的传感器也会具有较高的噪声水平。
IEPE 传感器具有非常高的动态范围。电荷传感器类似，但我们需要考虑到电缆中很容易产生噪声。电容式和 MEMS 传感器的动态范围较小。
所有传感器（包括电子器件）的 高温范围有限，最高可达 130°C。电荷传感器的温度范围要高得多 - 甚至高达 500°C。但请注意，这也需要高温电缆。
所有压电材料都与温度相关，因此环境温度的任何变化都会导致加速度计灵敏度的变化。当测量环境中出现微小的温度波动（称为温度瞬变）时，压电加速度计也会表现出不同的输出。这通常仅在测量非常低水平或低频振动时才会出现问题。
现代 剪切式加速度计 对温度瞬变的敏感性非常低。当加速度计固定在温度高于250°C的表面时，可以在底座和测量表面之间插入散热器和云母垫圈。当表面温度为 350 至 400°C 时，通过这种方法可以将加速度计底座保持在 250°C 以下。冷却空气流可以提供额外的帮助。
MEMS 传感器温度范围受内部电子器件限制（-40°C 至 125°C）。
在模态测试中，由于质量载荷效应，重量可能是一个重要因素。我们添加到结构中的任何质量都会改变其动态行为。作为一般规则，传感器质量不应超过其所安装的振动部件动态质量的十分之一。
还有其他考虑因素。例如电缆噪声、温度范围、横向振动等。整本教科书都讨论了这个主题，包括这些传感器的安装，这对于获得良好的结果至关重要。需要了解的重要一点是，Dewesoft 硬件和软件经过彻底设计，可帮助您从振动/加速测试中获得最佳结果。
传感器类型有很多种，每种类型的制造商也有很多型号。但在本节中，我们将重点关注世界各地绝大多数应用程序中使用的主要类型。
由于加速度计和测量设备分别接地，因此接地环路电流可以在加速度计电缆的屏蔽层中流动。通过使用隔离传感器、隔离放大器或通过隔离螺柱将加速度计基座与安装表面电隔离来断开接地环路。
由于输出阻抗较高，电缆噪声主要是压电加速度计的问题。这些干扰可能是由摩擦电噪声或电磁噪声引起的。摩擦电噪声通常是由电缆本身的机械运动引入加速度计电缆中的。它源于由于构成电缆的各层的动态弯曲、压缩和张力而导致的局部容量和电荷变化。通过使用适当的石墨化加速度计电缆并将其尽可能靠近加速度计粘贴或粘合，可以避免此问题。
当加速度计电缆放置在运行机械附近时，通常会在加速度计电缆中感应出电磁噪声。
有些传感器内部有 TEDS 芯片，可以通过兼容的数据采集仪器以电子方式识别它们。 TEDS（传感器电子数据表）是符合 IEEE 1451 和 IEEE 1588 的标准接口。它存储有关设备的重要信息。
借助兼容的 Dewesoft 信号调节器和 Dewesoft X 软件，TEDS 传感器以“即插即用”方式运行。信号调节器读取有关传感器的信息，并自动设置适当的增益、缩放比例、工程单位和其他传感器设置。
使用大量传感器的工程师发现 TEDS 技术在设置大规模测试时可以节省大量时间。 TEDS 自动化还可以防止人为错误。
传感器可以以不同的方式安装。传感器的带宽对其安装方式特别敏感。将加速度计安装到测量点的方法是从实际振动测量中获得准确结果的最关键因素之一。安装不当会导致安装谐振频率降低，从而严重限制加速度计的有用频率范围。
• 螺柱： 最好在测试样本上钻一个孔，然后用螺钉将传感器固定到表面。这不应影响任何传感器属性。显然，在某些情况下，客户可能不会特别高兴这样做，例如，对于他全新的飞机机翼原型。
• 粘合剂： 另一种安装方式，对带宽影响不大，是薄双面胶带或蜂蜡（这受到其温度范围的限制）。
• 磁铁： 一种广泛使用的机器诊断安装技术是将传感器安装在磁铁上。这仍然会产生良好的带宽，但当然，表面必须是铁磁的（不是铝或塑料）。在可以使用安装夹的传感器上，我们可以将安装夹粘在前面，然后直接连接传感器本身。
一种快速但肮脏的解决方案也是用手按住传感器。这对于一些难以到达的地方很有用，但带宽会被削减到 1 - 2 kHz。
加速度计的安装方式应使所需的测量方向与其主灵敏度轴一致。加速度计对横向振动也稍微敏感，但这通常可以忽略，因为横向灵敏度通常小于主轴灵敏度的 1%。
下图显示了不同安装方法的带宽减少：
不同安装方法导致的带宽减少
前面几节提到了加速度计的一些关键 振动测量应用。这是一个简短的摘要，以及一些附加信息。
| 测试类型 | CHARGE | IEPE | 电容式 | 电阻式 | 微机电系统 |
| 按行业领域 | |||||
| 汽车测试 | √ | √ | √* | √ | √* |
| 航空航天和军事测试 | √ | √ | √ | √* | |
| 跌落测试 | √ | √ | √ | ||
| 自由落体测试 | √ | √ | √ | ||
| 机器状态监测 | √ | √ | √* | √* | |
| 消费品（手机、视频游戏 | √ | √ | |||
| 无人机 | √ | √ | |||
| 陀螺仪/定位 | √ | ||||
| 结构测试 | √ | √ | √ | ||
| 地震研究 | √ | ||||
| 按绩效标准 | |||||
| 高温 | √ | ||||
| 高带宽 | √ | √ | |||
* 在他们的带宽范围内
• SG-LINK-200 三通道无线应变/模拟传感器
• BeanAir BeanDevice 2.4GHz AX-3D -SR 无线超低噪声振动传感器
• BeanAir BeanDevice 2.4GHz AX-3D XRange 无线物联网振动传感器
