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  • 光纤光栅加速度传感器︱OSC7100功能:•大型结构的加速度监测,监测范围可从DC 到低频•桥梁、大坝、建筑物、隧道、船舶、航天器、列车及其他复杂结构的长期健康检测特点:•通过与传统电传感器同样严格的质量标准•...

    光纤光栅加速度传感器OSC7100

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    功能:

     大型结构的加速度监测,监测范围可从DC 到低频

     桥梁、大坝、建筑物、隧道、船舶、航天器、列车及其他复杂结构的长期健康检测

    特点:

     通过与传统电传感器同样严格的质量标准

     铠装光缆与传感器紧密结合,有效保护光纤及消除应力

     标准螺纹连接结构,安装简单快捷,可重复使用            

     可提供安装块,用于双轴或三轴安装

     恶劣环境可使用连接头保护装置

     铠装光缆,传感器坚固密封

    描述:                               

    osc7100 加速度传感器基于光纤布拉格光栅(FBG 技术),最优化的设计使其可应用于大型结构的加速度检测,测量范围可从DC 到数百赫兹。同传统加速度传感器一样,使用标准螺纹结构连接于结构表面,并可组合成双轴三轴结构。

    对于低频信号的检测,osc7100 具有不逊于传统加速度传感器的精度与稳定性。同时还具有传统加速度传感器所欠缺的抗电磁干扰、防雷击、防腐蚀等能力。金属密封设计,铠装光缆保护,配以防雨接线盒及接头保护装置使得osc7100 可直接安装在暴露于野外的结构上,完全适用于户外长期监测的需求。

    同时基于FBG 技术的自身优势,可在一根光缆上串联多个传感器。osc7100 采用单端设计,无需回路,可利用星状分布结构,以最大化利用解调系统每一通道的承载能力,每通道连接传感器最多可达20 点以上。相比传统电传感器的布线方式,可极大的节约布线及安装的成本。

    主要参数:

    技术指标

    OSC7100

    性能特性

    工作温度

    -40 to 80

    参考灵敏度1

    ~16 pm/g

    频率响应

    见附图

    频率范围

    DC to 300 Hz

    安装共振频率

    ~700 Hz

    横向灵敏度

    < 5%

    温度瞬态响应灵敏度

    10.7 ms-2/

    最大操作冲击

    100 g

    物理特性

    尺寸2 

    38 x 9 x 19 mm

    重量2

    28 g

    外壳材料

    ASTM F-15 Kovar/镀金密封

    光缆长度

    1m (± 10 cm)

    光纤类型

    SMF28-Compatible

    光缆弯曲半径

    ≥ 17mm

    光缆类型

    3 mm 铠装光缆

    连接头

    FC/APC可选

    安装方式3

    I0-32 螺纹孔

    光学特性

    反射率

    >70%

    3dB带宽

    0.25nm+/-0.05nm

    隔离度 

    >15 dB

    备注:

    1. 测试条件159.2 Hz (ω = 1000 Hz), 20 m/s RMS and 24。 

    2. 包含光缆。  

    3. 双轴或三轴安装可提供3D安装块。

    北京通为科技有限公司是北京市科学技术委员会认定的高新技术企业,并且是业界领先的光纤传感和激光系统解决方案提供商,拥有光纤光栅传感,分布式光纤传感和激光器几大核心技术,致力于向客户提供满足其需求的产品、解决方案和服务,为客户创造稳定的增长和长期的价值。

    核心产品包括:光纤光栅|光纤光栅应变传感器|光纤光栅温度传感器|光纤光栅位移传感器|光纤光栅加速度传感器|光纤光栅压力传感器|静态光纤光栅解调仪|高速光纤光栅解调仪|光纤传感分析仪|分布式光纤传感测量系统|光纤可调滤波器|FBG|BOTDR|BOTDA|DAS|DTS|光纤光栅解调仪|光纤传感器订制|解调仪订制

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  • (1)振动系统振动参数的测试,包括测量振动物体 上某点的位移、振动速度、振动加速度、效率和相位等参数,了解被对象的振动状态,评定等级和寻找振源,对设备进行监测、分析、诊断和预测。(2)振动系统特性参数的...

    一、振动参数测量的内容与振动测试系统的组成

    振动测试是动态测试的典型内容之一,一般包含以下三个方面的内容。

    (1)振动系统振动参数的测试,包括测量振动物体 上某点的位移、振动速度、振动加速度、效率和相位等参数,了解被测对象的振动状态,评定等级和寻找振源,对设备进行监测、分析、诊断和预测。

    (2)振动系统特性参数的测试。以某种激振力作用在被测对象上,使它产生受迫振动,测量输入(激励)和输出(被测对象振动响应),从而确定被测对象的振动力学参数或动态性能,如固有频率、阻尼、刚度、频率响应和模态等参数。

    (3)机械动力强度和模拟环境振动试验,即按规定的振动条件,对设备进行振动例行试验,用以检查设备的耐振寿命、性能稳定性以及设计、制造、安装的合理性。

    不同的振动测试系统,使用不同类型的振动加速度传感器,如磁电式速度传感器配用微积分放大器进行测试;压电式加速度传感器,配用电荷放大器进行振动参数测试。

    本文只介绍目前最常用的压电式加速度传感器与电荷放大器组成的振动测试系统。压电式加速度传感器的工作原理是基于压电效应。

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    二、压电效应与逆压电效应

    正压电效应是指由于形变而产生电极化的现象。当对压电材料施以物理压力时,材料体内之电偶极矩会因压缩而变短,此时压电材料为抵抗这变化会在材料相对的表面上产生等量正负电荷,以保持原状。

    逆压电效应是指当在电介质的极化方向施加电场,这些电介质就在一定方向上产生机械变形或机械压力,当外加电场撤去时,这些变形或应力也随之消失。逆压电效应就是由电场来控制物体的形变,当压电体上下两端接好电线并且施加电压时,就会使物体沿着电场的方向伸长或是缩短。

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    正压电效应原当晶体受到某固定方向外力的作用时会发生形变,晶体的两个受力面上会产生符号相反的电荷,形变方向相反时,电荷的极性也随之改变,当外力撤去后,晶体又恢复到不带电的状态,此过程可以理解为晶体材料接收到超声波的压力将其转化为电信号,是接收超声波的过程。

    逆压电效原理是应当在压电材料表面施加电场(电压),因电场作用压电材料会沿电场方向伸长或收缩,该过程可以理解为晶体材料收到电流激发而振动,振动的频率大于20KHz,是发送超声波的过程,是电能转化为机械能的过程。

    三、压电式加速度传感器及其应用

    1、 压电式加速度传感器原理

      (1)压电式加速度传感器又称压电加速度计。它也属于惯性式传感器。它是利用某些物质如石英晶体的压电效应,在加速度计受振时,质量块加在压电元件上的力也随之变化。当被测振动频率远低于加速度计的固有频率时,则力的变化与被测加速度成正比。

      (2)由于压电式传感器的输出电信号是微弱的电荷,而且传感器本身有很大内阻,故输出能量甚微,这给后接电路带来一定困难。为此,通常把传感器信号先输到高输入阻抗的前置放大器。经过阻抗变换以后,方可用于一般的放大、检测电路将信号输给指示 仪表或记录器。

    2、压电式加速度传感器构成元件

       常用的压电式加速度计的结构形式如图一所示。S是弹簧,M是质块,B是基座,P是压电元件,R是夹持环。图一a是中央安 装压缩型,压电元件—质量块—弹簧系统装在圆形中心支柱上,支柱与基座连接。这种结构有高的共振频率。然而基座B与测试对 象连接时,如果基座B有变形则将直接影响拾振器输出。此外,测试对象和环境温度变化将影响压电元件,并使预紧力发生变化, 易引起温度漂移。图一c为三角剪切形,压电元件由夹持环将其夹牢在三角形中心柱上。加速度计感受轴向振动时,压电元件承 受切应力。这种结构对底座变形和温度变化有极好的隔离作用,有较高的共振频率和良好的线性。图一b为环形剪切型,结构简单,能做成极小型、高共振频率的加速度计,环形质量块粘到装在中心支柱上的环形压电元件上。由于粘结剂会随温度增高而变软,因此最高工作温度受到限制。

    3、压电式加速度传感器幅频特性

     压电式加速度传感器及其应用

      加速度计的使用上限频率取决于幅频曲线中的共振频率图(图二)。一般小阻尼(z<=0.1)的加速度计,上限频率若取为共振频率的 1/3,便可保证幅值误差低于1dB(即12%);若取为共振频率的1/5,则可保证幅值误差小于0.5dB(即6%),相移小于30。但共振频率与加速度计的固定状况有关,加速度计出厂时给出的幅频曲线是在刚性连接的固定情况下得到的。实际使用的固定方法往往难于达到刚性连接,因而共振频率和使用上限频率都会有所下降。

    4、压电式加速度传感器及其应用

       钢螺栓固定,是使共振频率能达到出厂共振频率的最好方法。螺栓不得全部拧入基座螺孔,以免引起基座 变形,影响加速度计的输出。在安装面上涂一层硅脂可增加不平整安装表面的连接可靠性。需要绝缘时可用绝缘螺栓和云母垫片来 固定加速度计,但垫圈应尽量簿。用一层簿蜡把加速度计粘在试件平整表面上,也可用于低温(40℃以下)的场合。手持探针测振方法)在多点测试时使用特别方便,但测量误差较大,重复性差,使用上限频率一般不高于 1000Hz。用专用永久磁铁固定加速度计,使用方便,多在低频测量中使用。此法也可使加速度计与试件绝缘。用硬性粘接螺栓或粘接剂的固定方法也长使用。某种典型的加速度计采用上述各种固定方法的共振频率分别约为:钢螺栓固定法31kHz,云母垫片28kHz,涂簿蜡层29kHz,手持法2kHz,永久磁铁固定法7kHz。

    5、压电式加速度传感器的灵敏度

      压电式加速度计的灵敏度 压电加速度计属发电型传感器,可把它看成电压源或电荷源,故灵敏度有电压灵敏度和 电荷灵敏度两种表示方法。前者是加速度计输出电压(mV)与所承受加速度之比;后者是加速度计输出电荷与所承受加速度之比。加速度单位为m/s2,但在振动测量中往往用标准重力加速度g作单位,1g= 9.80665m/s2。这是一种已为大家所接受的表示方式,几乎所有 测振仪器都用g作为加速度单位并在仪器的板面上和说明书中标出。对给定的压电材料而言,灵敏度随质量块的增大或压电元件的增多而增大。一般来说,加速度计尺寸越大 ,其固有频率越低。因此选用加速度计时应当权衡灵敏度和结构尺寸、附加质量的影响和频率响应特性之间的利弊。

      (1)压电晶体加速度计的横向灵敏度表示它对横向(垂直于加速度计轴线)振动的敏感程度,横向灵敏度常以主灵敏度(即加速度计的电压灵敏度或电荷灵敏度)的百分比表示。一般在壳体上用小红点标出最小横向灵敏度方向,一个优良的加速度计的横向灵敏度应小于主灵敏度的3%。因此,压电式加速度计在测试时具有明显的方向性。

    五、压电式加速度传感器误差形成因素分析

      (2)压电加速度计的前置放大器 压电元件受力后产生的电荷量极其微弱,这电荷使压电元件边界和接在边界上的导体充电 到电压U=q/Ca(这里Ca是加速度计的内电容)。要测定这样微弱的电荷(或电压)的关键是防止导线、测量电路和加速度计本身的电荷泄漏。换句话讲,压电加速度计所用的前置放大器应具有极高的输入阻抗,把泄漏减少到测量准确度所要求的限度以内

    四、振动加速度测量系统的基本组成

    (1)测振系统的组成

    因为振动基本参数的测量其被测对象是振动的,所以这类测试的振动传感器可根据测试的要求安装在被测对象测点上。常用测振系统原理如图5所示。

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    图5 测振系统原理图

    对于压电加速度传感器,工作受振后直接有电荷或电压输出,但由于传感器输出的电信号均较微弱,所以为了能够推动记录设备,必须对信号进行放大。测振放大器是测试系统中传感器与记录器的中间环节,其输入特性必须满足传感器的要求,而其输出特性又必须与记录仪器相匹配。压电式加速度传感器,其输出电信号必须进行预放大再输入放大器,因为压电式加速度传感器是一个能产生电荷的高内阻发电元件,但由于产生的电荷的总量级较小,难以直接传输;同时,一般测量仪器的输入阻抗不可能很高,此微弱电荷又极易在测量电路的输入电阻上被释放掉,所以要求连接压电式加速度传感器的测量或放大装置(如电压放大器或电荷放大器)必须有较高的输入阻抗,并且将压电式加速度传感器的高输出阻抗变换为低输出阻抗,以便与主放大器连接。由于这类预放大装置都是作为测量系统的前级放大,故统称为前置放大器。测振放大器除了有放大作用外,常兼有积分、微分和滤波等功能。

    根据振动测试的目的和要求,可以把经过放大的电信号直接输入指示记录仪器,将振动的时间历程记录显示出来;也可以把该信号先输入到分析仪器进行必要的参数统计分析,如频谱分析、相关分析及功率谱分析等,然后再记录显示。

    (2)测试系统与测试仪器的选择

    在振动加速度测试中合理选择测振仪器与测试系统十分重要,选择不当往往会得出错误的结果。这里主要考虑以下几个方面。

    ① 频率范围。根据被测对象振动的频率范围确定各测试环节(振动传感器、前置放大器、主放大器及指示记录仪器等)的频率响应特性。选用加速度传感器时,传感器固有频率应该是被测振动信号中最高频率的3~5倍,其他各测试环节中,不同的测试仪器其频率响应特性不同,可以测量的频率范围也不一样,选择仪器时应注意。相位有要求的测试项目(如作虚实频频谱、幅相图、振型等测量),除了应该注意传感器的相频特性外,还要注意放大器,特别是带微积分网络的放大器的相频特性和测试系统中所有其他仪器的相频特性,因为所测得的激励和响应之间的相位已包括了测试系统中所有仪器的相移。

    ② 振级大小和测试精度要求。根据被测振动幅值的最大值和最小值确定各环节的动态范围,并确定各环节及总的测试精度;不能片面选用高灵敏度的仪器,加速度传感器灵敏度随质量块的增大而增大。但是其固有频率却随之降低,这就意味着使用上限频率的降低,对试件而言附加质量也增大了。此外,仪器的灵敏度越高,量程范围也越小,抗干扰能力越差,选用时应特别注意。

    ③ 试件质量与刚度大小。以此确定传感器型式、质量及有关固定方法。

    ④ 测试环境。如温度、湿度等,以此确定传感器的装配方法及系统接地等。

    此外,还应该考虑测试系统内各个环节之间的配合关系,包括各环节间的阻抗匹配关系、灵敏度匹配关系、测试精度匹配关系等。

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    产品介绍

    MSV3100A三轴加速度传感器

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    MSV3100A是一款三轴向模拟输出的MEMS加速度传感器。传感器由三个相互正交的微加速度计和信号变换电路组成。能够承受高达10,000g的冲击载荷和恒定加速度作用。传感器具有体积小、重量轻、稳定性好、抗恶劣环境等优点,广泛应用于航空航天、轨道交通、工业测量、汽车测试等领域。

    2

    应用领域

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    航空航天、兵器、轨道交通等领域载体的加速度信号测量、结构振动测试、模态分析、健康监测等。

    3

    详细参数

    测试条件(除非另有说明):常温,12V±1V。

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    4

    外形尺寸及接线定义

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    接线定义

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    成功应用案例分享

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    MSV3100A三轴加速度传感器应用于车辆NVH(Noise、Vibration、Harshness)测试分析,车辆研发过程中对车身、发动机及底盘振动、噪声的测量,发现其结构缺陷并改进设计,为车辆改善NVH特性提供数据参考,最终提高车辆的安全性及舒适性。

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    更多产品资料

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    本文内容转载自《中国检验检测》2019年第4期,版权归《中国检验检测》编辑部所有。

    徐文骏

    上海航天电子有限公司/上海科学仪器厂

    0 引言

    加速度传感器是工程振动测量中的最重要因素。在测试系统中,传感器是数据采集分析的第一环节,因此,能否正确选择和使用传感器将直接影响到测量信号的质量和精度。虽然从事工程振动的人员都知道这个概念,但在实际应用中却往往因为各方面的原因而无法正确判断传感器是否真实反映了被测信号。另一方面在科技不断发展的趋势下,环境模拟的试验条件要求越来越高,与之对应传感器的技术指标也不断提高,从而使之前广泛应用的单一标准传感器发展到如今类别的多样化,也对工程人员在应对不同试验要求的传感器选择上增加了相应的难度。

    1 传感器的种类

    目前市场中常见的加速度传感器分为三大类别,分别为压电式、压阻式和电容式。

    1.1 压电式

    压电式加速度传感器的构造是利用了弹簧质量系统的原理。敏感芯体质量受振动加速度作用后产生一个与加速度成正比的力,压电材料受此力作用后沿其表面形成与此力成正比的电荷信号,从而能采集到数据。

    压电式加速度传感器具有动态范围大、频率范围宽、坚固耐用、受外界干扰小以及不需要外界电源等特点,是目前被工程人员使用最为广泛的振动测量传感器。虽然压电式加速度传感器相对来说结构比较简单,诞生时间也较长,但因其性能指标与材料特性、设计和加工工艺密切相关,因此,在市场上销售的同类传感器性能的实际参数以及其稳定性和一致性差别非常大。与压阻和电容式相比,其最大的缺点是压电式加速度传感器不能测量零频率的信号。

    1.2 压阻式

    压阻式加速度传感器的敏感芯体为半导体材料制成的电阻测量电桥,其结构动态模型仍然是弹簧质量系统。现代微加工制造技术的发展使压阻式敏感芯体的设计具有很大的灵活性以适合各种不同的测量要求。在灵敏度和量程方面,从低灵敏度高量程的冲击测量,到直流高灵敏度的低频测量都有压阻形式的加速度传感器。同时压阻式加速度传感器测量频率范围也可从直流信号到几十千赫兹的高频测量。压阻式传感器的最大亮点就是超小型化的设计,可以在很多狭小的空间内使用。需要指出的是尽管压阻敏感芯体的设计和应用具有很大灵活性,但对某个特定设计的压阻式芯体而言其使用范围一般要小于压电型传感器。压阻式加速度传感器的另一缺点是受温度的影响较大,使用的传感器都需要进行温度补偿。在价格方面,使用特殊敏感芯体制造的压阻式传感器成本将远高于压电型加速度传感器,通常要达到好几倍以上。

    1.3 电容式

    电容式加速度传感器的结构形式也采用了弹簧质量系统。当质量受加速度作用运动而改变质量块与固定电极之间的间隙进而使电容值产生变化。电容式加速度计于其他类型的加速度传感器相比具有灵敏度高、零频响应、环境适用性好等特点,尤其是受温度的影响比较小,能够运用于很多现场环境苛刻的数据采集;但不足之处表现在信号的输入与输出为非线性,量程有限,并且受电缆的电容影响,因为电容传感器本身是高阻抗信号源,因此,输出信号往往需要通过后继电路给予改善,对屏蔽电缆线有着很高的使用要求。在实际应用中电容式加速度传感器大多用于低频测量,其通用性远不及压电式加速度传感器,且成本也要比压电式加速度传感器高出许多倍。

    2 压电式加速度传感器的敏感芯体材料和结构形式

    2.1 压电材料

    压电材料一般可以分为两大类,即压电晶体和压电陶瓷。压电型加速度计最常用的压电晶体材质为石英,因为石英的材料特性是工作温度范围宽,性能稳定,所以在实际应用中经常被用作标准传感器的压电材料。

    由于石英的压电系数比其他压电材料低很多,所以通用型的压电传感器都采用压电陶瓷作为主材料。陶瓷中的锆钛酸铅是目前压电加速度计中最经常使用的压电材料。其特点为具有较高的压电系数和居里点,各项机电参数随温度时间外界条件的变化相对较小。如图1所示。

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    图1 石英压电传感器内部结构

    但是就同一种的压电陶瓷而言,虽然都具有相同的基本特性,但由于制作工艺不同可以使两个相同材料的压电陶瓷的具体性能指标相差甚大。这种现象在国产传感器和进口传感器的互相比较上尤为明显。两者虽然材料不同,但是在构造上却是近似一致。如图2所示。

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    图2 陶瓷压电传感器内部结构

    2.2 传感器敏感芯体的结构形式

    压电加速度传感器的敏感芯体一般由压电材料和附加质量块组成,当质量块受到加速度作用后便转换成一个与加速度成正比并加载到压电材料上的力,而压电材料受力后在其表面产生一个与加速度成正比的电荷信号。压电材料的特性决定了作用力可以是受正应力也可以是剪应力,压电材料产生的电荷大小随作用力的方向以及电荷引出表面的位置而变。根据压电材料不同的受力方法,常用传感器敏感芯体的结构一般有以下三种形式:

    a) 压缩形式:压电材料受到压缩或拉伸力而产生电荷的结构形式。压缩式敏感芯体是加速度传感器中最为传统的结构形式。其特点是制造简单方便,能产生较高的自振谐振频率和较宽的频率测量范围。而最大的缺点是不能有效地排除各种干扰对测量信号的影响。

    b) 剪切形式:通过对压电材料施加剪切力而产生电荷的结构形式。从理论上来说在剪切力作用下的压电材料所产生的电荷信号受外界干扰的影响甚小,因此,剪切结构形式是最适合广泛使用的加速度传感器敏感芯体。然而在实际制造过程中,要确保剪切敏感芯体的加速度计具有较高和稳定的频率测量范围却是传感器制造工艺中最为困难的一个环节。要得到高参数指标只能采用进口记忆金属材料的紧固件从而保证传感器具有稳定可靠的谐振频率和频率测量范围。

    c) 弯曲变形粱形式:压电材料受到弯曲变形而产生电荷的结构形式。弯曲变形粱结构可产生比较大的电荷输出信号,也较容易实现控制阻尼;但因为其测量频率范围低,更由于此结构不能排除因温度变化而极易产生的信号漂移,所以此结构在压电型加速度计的设计中很少被采用。

    3 压电式加速度传感器的信号输出形式

    3.1 电荷输出型

    传统的压电加速度计通过内部敏感芯体输出一个与加速度成正比的电荷信号。实际使用中传感器输出的高阻抗电荷信号必须通过二次仪表将其转换成低阻抗电压信号才能读取。由于高阻抗电荷信号非常容易受到干扰,所以传感器到二次仪表之间的信号传输必须使用低噪声屏蔽电缆。由于电子器件的使用温度范围有限,所以高温环境下的测量一般还是使用电荷输出型。

    3.2 IEPE输出型

    IEPE型压电加速度计既工程人员称之的ICP型压电加速度计,也称为低阻抗电压输出型加速度计。

    压电传感器换能器输出的电荷通过装在传感器内部的前置放大器转换成低阻抗的电压输出,而IEPE型传感器则为二线输出形式,采用恒电流电压源供电,直流供电和信号使用同一根线的方式,因为直流电部分在恒电流电源的输出端需要通过高通滤波器滤去杂波信号。

    IEPE型传感器的最大优点是测量信号质量好、噪声小、抗外界干扰能力强和测量 距离远,特别是随着科技的发展,现在已经有很多新型的数采系统很多都已配备恒流电压源,因此,IEPE传感器能与数采系统直接相连而不需要任何其他二次仪表,在振动测试中IEPE传感器已逐渐取代传统的电荷输出型压电加速度计。

    4 小结

    加速度传感器随着科技的发展,种类不断的增多,从最早的进口制造商B&K,到现在国产的制造商B&W,光是力学传感器的种类以及超过了3位数,并且随着科技的发展,越来越多的苛刻试验的顺势而生,传感器的原理、分类以及适用性事工程人员所要了解的必修课,只有了解透彻,才能更好的完成试验工作。

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