【技术】如何正确理解加速度传感器频率响应特性？

在加速度传感器的各项指标中，频率响应是个非常重要的参数，它是传感器提供线性反应的频率范围。本文着重从频率响应出发带领大家更深入了解加速度传感器。

低频响应特性

IEPE压电加速度传感器（内装IC电路芯片）的低频特性主要由内置芯片的下限频率和传感器的基座应变、热释电效应等环境特性决定；而电路芯片的下限频率取决于RC电路，也就是取决于放电时间常数DTC，

DTC=RC，

-3dB低频f=0.16/DTC，

-10%低频f=0.34/DTC，

-5%低频f=0.5/DTC，

由以上可以看出，放电时间常数越大，信号衰减越慢，低频响应越好。

放电时间常数不仅决定低频响应，而且决定放电时间，这在工业现场进行多点测量时就比较重要。放电时间常数应兼顾低频响应和放电时间。基座应变、环境温度变化等环境干扰引起的输出通常在5Hz以下，当测试信号频率在5Hz以上时，应将IEPE传感器内置电路芯片下限截止频率设置在5Hz以上，以消除压电传感器的热电等环境干扰引起的噪声输出。

当测试信号频率在5Hz以下时，可以选择诸如隔离剪切结构等隔离基座应变、热释电效应等环境干扰性能好的加速度传感器。

高频响应特性取决于。

其中，k是敏感元件的刚度；m是质量块的质量。

在敏感元件的刚度时，质量块越重，谐振频率越低。同时，大的质量块产生高的机械增益，传感器的灵敏度高，噪声低。相反，小的质量块产生低的机械增益，传感器的灵敏度低、输出小，频率范围宽，可以测量较高的频率信号。

通常可以这么估算：

上限频率是+10%频响，大约为谐振频率的1/3；

上限频率为+5%频响，大约为谐振频率的1/5。

加速度传感器在校准时候，频率响应是相对于灵敏度在100Hz或160Hz的参考点的灵敏度变化量。下图是TE MEAS8811-01的频率响应图：

压电加速度传感器的低频响应特性

压电加速度传感器无法获得很好的低频响应。高通滤波器是压电加速度传感器固有特性，前述讲了电路芯片的下限频率取决于RC电路，也就是取决于放电时间常数DTC。DTC也定义了传感器供电突然变化（如开启和信号过载）时的传感器响应。当开启传感器或从过载中恢复所需要的时间是与DTC的值直接相关的。因此低频过载与导通时间（休克恢复时间）是成反比。传感器的频率越低，从过载中开启或恢复的时间越长。对于通用压电传感器，牺牲低频性能有利于获得更好的开启和休克恢复响应。

通用加速度传感器与低频加速度传感器

低频加速度传感器采用较大的质量块来提高传感器敏感元件的输出。这将降低来自于放大器的电子噪声。低频传感器的输出电压越高，越有利于在测量低幅值信号时克服数据采集器的噪声。折中的方法是降低谐振频率。

结论

加速度传感器所需要的频率响应取决于需要测量的振动频率。一个加速度传感器需要足够高的固有振动频率用于捕捉测量所需要的所有频率。

8021-01/8022-01加速度传感器采用环形剪切式陶瓷晶体设计，可提供多种动态量程，量程范围为±10 g、±80 g 和 ±500 g。同时，该款传感器还具有出色的频域特性，可提供高达12kHz的平滑带宽。此外，该款加速度传感器的非线性低至±1%FSO（Full Scale Output），横向灵敏度小于5%，非常适合高精度加速度测量系统的设计。8021-01 采用侧面出口 MIL-C-5015 连接器，而 8022-01 采用一体式电缆。

8021-01/8022-01加速度传感器的工作电压范围为18~30Vdc，激励电流为2~10mA。同时，8021-01/8022-01支持反向接线保护功能，可为传感器提供更大安全保障。此外，8021-01采用侧面出口MIL-C-5015连接器，而8022-01采用一体式电缆，方便用户安装选择使用。

8021-01/8022-01加速度传感器还具有稳定的温度响应，工作温度范围为-55~+125℃，可很好适应高温环境中的应用。同时，8021-01/8022-01采用全密封焊接设计，坚固耐用，对恶劣环境具有更好适应性。