傳感器是獲得精準(zhǔn)有效數(shù)據(jù)的第一觸點(diǎn);它們在將原始物理量轉(zhuǎn)換為便于測量計(jì)算的數(shù)據(jù)量的過程中，發(fā)揮著重要作用。伴隨著電力、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(yīng)用場景越來越需要更精確的動態(tài)數(shù)據(jù)。航空發(fā)動機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、蒸汽機(jī)等高能動力裝置，對工業(yè)級傳感器都提出了更加嚴(yán)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(jié)合應(yīng)用和相關(guān)產(chǎn)品數(shù)據(jù)，將一些體會和經(jīng)驗(yàn)做一個簡單的分享。
什么是加速度傳感器?
加速度傳感器(Accelerometer)，又稱加速規(guī)、加速計(jì)，是用于測量加速度的一種感應(yīng)裝置，該裝置在加速過程中對自身所受慣性力進(jìn)行測量，通過牛頓第二定律得出加速度值。從感應(yīng)機(jī)理上分為壓電式、電容式、電感式、應(yīng)變式、壓阻式等。
汽車平順性試驗(yàn)應(yīng)用
將加速度傳感器安裝在車輛座椅上，測量XYZ三個軸向上的振動加速度過程，用以評價汽車行駛平順性的道路試驗(yàn)。
工業(yè)級加速度傳感器
選擇加速度傳感器時，用戶大多基于加速度量程范圍，同時結(jié)合實(shí)際應(yīng)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(shù)消費(fèi)電子和商業(yè)應(yīng)用。但對于急停、多方向劇烈變化以及振動烈度較大的測量應(yīng)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(yīng)用場景中，都需要對沖擊和振動進(jìn)行監(jiān)控和測量，因應(yīng)用環(huán)境溫度的高低溫波動范圍大，對加速度計(jì)的量程、靈敏度、精度要求高，對于常規(guī)加速度傳感器來說，完全不能勝任這種嚴(yán)苛惡劣的工作環(huán)境?；诖斯I(yè)級加速度傳感器應(yīng)運(yùn)而生，它們完全能夠在這種惡劣的應(yīng)用環(huán)境中保持高可靠性的持續(xù)測量和穩(wěn)定輸出。
工業(yè)級加速度傳感器的品牌和產(chǎn)品性能
在傳感器市場中，工業(yè)級加速度傳感器品牌眾多，其中歐、美、日品牌占據(jù)了此類產(chǎn)品較大比例的市場份額。但隨著中國近年來工程技術(shù)的迅猛發(fā)展，中國的自主品牌也正在這一細(xì)分產(chǎn)品領(lǐng)域中逐步跟上，并在高、中、低幾個技術(shù)維度上與歐、美、日同臺角逐。從產(chǎn)品技術(shù)和可靠性兩個維度上來看，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維度。
PCB Piezotronics, Inc. “PCB”是PicoCoulomB的縮寫，PicoCoulomB屬于技術(shù)術(shù)語，定義了由PCB制造的壓電傳感器產(chǎn)生的電荷類型，也成了該公司的注冊商標(biāo)。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、沖擊、聲學(xué)、負(fù)載等產(chǎn)品線。
Brüel & Kjær簡稱B&K，名稱與商標(biāo)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(xiàn)丹麥工業(yè)大學(xué))，這是個歷史悠久的公司，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。
西人馬(廈門)科技有限公司- FATRI，創(chuàng)始人聶泳忠博士，這是一個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(shè)計(jì)的前沿，“新”是因?yàn)樵摴緝H成立了5年多的時間。雖然成立時間短，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(shè)備等豐富和扎實(shí)的產(chǎn)品研發(fā)和制造能力。
筆者從三個品牌的產(chǎn)品中揀選出工業(yè)級加速度傳感器的同類產(chǎn)品，通過產(chǎn)品技術(shù)規(guī)格來解析工業(yè)級傳感器的一些特性和關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)。
工業(yè)級加速度傳感器的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)
靈敏度
電壓靈敏度在滿足諧振頻率的前提下越大越好，后端采樣調(diào)理的回路就越容易。
工作溫度
在工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境中，隨時會出現(xiàn)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?qū)挕?/p>
響應(yīng)時間
當(dāng)被測量物體發(fā)生變化時，傳感器并不能立刻反應(yīng)，普遍存在滯后，滯后的時長即響應(yīng)時間，響應(yīng)時間越短越好。
沖擊極限
指1秒內(nèi)，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(nèi)，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
測量某個方向時，信號輸出理論上應(yīng)全為感知方向，但實(shí)際上在該方向垂直的方向也會有信號輸出，這是橫向效應(yīng)造成的，所以橫向靈敏度越低，性能越好。國標(biāo)要求≤5%。
非線性度
在固定的頻率和幅值范圍內(nèi)，輸出量與輸入量成正比時，成為線性變卦。實(shí)際傳感器的校準(zhǔn)結(jié)果與線性偏離的程度稱為傳感器的非線性度。該指標(biāo)越小越好。
頻率響應(yīng)
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(yán)重，而在高頻段線性度差，非線性影響較大。在實(shí)際應(yīng)用中，土木工程結(jié)構(gòu)的頻率范圍在0.2~1kHz左右，通用機(jī)械設(shè)備大多屬于中頻段，頻率范圍在0.5~5kHz左右。高能動力裝置由低頻至高頻段，頻率范圍會大于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(yīng)范圍直接影響其在不同應(yīng)用場景中的測量效率。
從上面的指標(biāo)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(qū)間能經(jīng)受住較大范圍高低溫的循環(huán)轉(zhuǎn)換，并在這樣的工況下可以保證相對較好的靈敏度，且能夠?qū)M向靈敏度控制在盡可能小的范圍內(nèi)，同時要能夠承受住上千g的沖擊。這些要素的集合，等于對傳感器的研發(fā)設(shè)計(jì)與生產(chǎn)制造提出了極高的要求。在實(shí)際制造過程中每一個微小的工藝上的誤差，都會對傳感器本身帶來巨大的影響。
PCB與B&K作為國際知名的傳感器專業(yè)制造商在產(chǎn)品技術(shù)規(guī)格上的要求是嚴(yán)謹(jǐn)和苛刻的，在實(shí)際應(yīng)用中有口皆碑。值得一提的是，西人馬(FATRI)作為一個中國自主傳感器品牌，在這樣短的時間內(nèi)能將產(chǎn)品做到這樣的高度，不得不說這是一個具備極強(qiáng)技術(shù)實(shí)力的企業(yè)。畢竟在傳感器制造這個行業(yè)里，在工程技術(shù)中，技術(shù)實(shí)力與研發(fā)設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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年時間里注冊專利多達(dá)600多項(xiàng)，如自主研發(fā)了用于壓電類傳感器的基座楔形自鎖剪切結(jié)構(gòu)，完全不同于文獻(xiàn)中可見的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，綜合了傳統(tǒng)壓縮和診斷壓縮，具有較好的線性、剪切性和高靈敏度等特點(diǎn)，其工藝性極其簡單且可靠，產(chǎn)品自適應(yīng)性好，由于采用了自鎖緊結(jié)構(gòu)，因此其接觸剛度大大提高了諧振頻率，能夠保持良好的線性。目前這種技術(shù)被西人馬廣泛應(yīng)用在通用振動測量和高溫振動測量領(lǐng)域，各項(xiàng)指標(biāo)都達(dá)到或者優(yōu)于目前流行的各項(xiàng)設(shè)計(jì)。在先進(jìn)傳感器制造這樣一個重資產(chǎn)、技術(shù)門檻高、研發(fā)周期長的行業(yè)里，做出這樣具備競爭力的工業(yè)級傳感器，在當(dāng)下浮躁、投機(jī)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，在這個過程中不知要經(jīng)歷多少艱辛與磨難。但這種付出與堅(jiān)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(dāng)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。但隨著全球市場需求的發(fā)展，相信未來會有更多中國傳感器自主品牌走向世界，與國際廠商同臺角逐，一爭高下。國際局勢的風(fēng)云激蕩，時刻牽動著市場格局變化。作為后發(fā)者，需要秉持初心，堅(jiān)定不移的走自主研發(fā)制造的正確路線。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商能夠在更多的應(yīng)用領(lǐng)域與歐、美、日等國外傳感器企業(yè)同臺角逐。
在這個機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存的時代里，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：“所謂創(chuàng)業(yè)，就是嚼著玻璃凝視深淵。既然必須穿過地獄，那就走下去”。
知識分享
1. 壓電效應(yīng)：壓電晶體受力變形后，其內(nèi)部會產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在它的兩個表面產(chǎn)生符號相反的電荷，當(dāng)被測振動頻率遠(yuǎn)低于加速度計(jì)的固有頻率(諧振頻率)時，則力的變化與被測加速度成正比。當(dāng)外力去除后，又重新恢復(fù)到不帶電狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為“壓電效應(yīng)”。
2. 對工作狀態(tài)下的待測結(jié)構(gòu)進(jìn)行測量時，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(dāng)隔離器件。
3. 應(yīng)用的傳感器的工作頻率區(qū)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單的振動和加速度情況;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(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(fù)雜的三維定位和測量。
5. 加速度傳感器還受到振動頻率范圍限制，必須與預(yù)期應(yīng)用的頻率匹配。
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