傳感器是獲得精準有效數(shù)據的第一觸點；它們在將原始物理量轉換為便于測量計算的數(shù)據量的過程中，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的迅猛發(fā)展，對相關應用場景越來越需要更精確的動態(tài)數(shù)據。航空發(fā)動機、燃氣輪機、蒸汽機等高能動力裝置，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，結合應用和相關產品數(shù)據，將一些體會和經驗做一個簡單的分享。

 

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，是用于測量加速度的一種感應裝置，該裝置在加速過程中對自身所受慣性力進行測量，通過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。

 

汽車平順性試驗應用

 

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。

 

 

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，同時結合實際應用。如傾斜角度測量，±1.5g的量程已經足夠。±2g的加速度傳感器可以用于大多數(shù)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)應用場景中，都需要對沖擊和振動進行監(jiān)控和測量，因應用環(huán)境溫度的高低溫波動范圍大，對加速度計的量程、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苛惡劣的工作環(huán)境。基于此工業(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(xù)測量和穩(wěn)定輸出。

 

工業(yè)級加速度傳感器的品牌和產品性能

 

 

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、日品牌占據了此類產品較大比例的市場份額。但隨著中國近年來工程技術的迅猛發(fā)展，中國的自主品牌也正在這一細分產品領域中逐步跟上，并在高、中、低幾個技術維度上與歐、美、日同臺角逐。從產品技術和可靠性兩個維度上來看，進口品牌美國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屬于技術術語，定義了由PCB制造的壓電傳感器產生的電荷類型，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、沖擊、聲學、負載等產品線。

 

Brüel & Kjær簡稱B&K，名稱與商標源于創(chuàng)始人Per VilhelmBrüel和ViggoKjær的名字，二人緣起于哥本哈根理工學院（現(xiàn)丹麥工業(yè)大學），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、聲學全息陣列等產品線。

 

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年多的時間。雖然成立時間短，但擁有先進材料、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的產品研發(fā)和制造能力。

 

筆者從三個品牌的產品中揀選出工業(yè)級加速度傳感器的同類產品，通過產品技術規(guī)格來解析工業(yè)級傳感器的一些特性和關鍵技術指標。

 

 

工業(yè)級加速度傳感器的關鍵技術指標

 

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。

 

響應時間

 

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

 

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

 

測量某個方向時，信號輸出理論上應全為感知方向，但實際上在該方向垂直的方向也會有信號輸出，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，成為線性變卦。實際傳感器的校準結果與線性偏離的程度稱為傳感器的非線性度。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，而在高頻段線性度差，非線性影響較大。在實際應用中，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范圍直接影響其在不同應用場景中的測量效率。

 

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(qū)間能經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)設計與生產制造提出了極高的要求。在實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)制造商在產品技術規(guī)格上的要求是嚴謹和苛刻的，在實際應用中有口皆碑。值得一提的是，西人馬（FATRI）作為一個中國自主傳感器品牌，在這樣短的時間內能將產品做到這樣的高度，不得不說這是一個具備極強技術實力的企業(yè)。畢竟在傳感器制造這個行業(yè)里，在工程技術中，技術實力與研發(fā)設計能力是第一生產力。

 

 

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年時間里，首創(chuàng)了如基座楔形自鎖剪切結構的等國際專利設計多達600多項。在先進傳感器制造這樣一個重資產、技術門檻高、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，在這個過程中不知要經歷多少艱辛與磨難。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，各種工程技術與前沿科技高速發(fā)展的趨勢下，在工業(yè)傳感器的領域里，歐、美、日產品仍極具競爭力。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）這樣具備核心技術實力的中國傳感器自主品牌廠商能夠在更多的應用領域與歐、美、日等國外傳感器企業(yè)同臺角逐。

 

在這個機遇與挑戰(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：壓電晶體受力變形后，其內部會產生極化現(xiàn)象，同時在它的兩個表面產生符號相反的電荷，當被測振動頻率遠低于加速度計的固有頻率（諧振頻率）時，則力的變化與被測加速度成正比。當外力去除后，又重新恢復到不帶電狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為“壓電效應”。

 

2.對工作狀態(tài)下的待測結構進行測量時，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隔離器件。

 

3.應用的傳感器的工作頻率區(qū)間，稍高于實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，必須與預期應用的頻率匹配。