使用加速度计测量振动
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本文提供的信息有助于您了解基本振动概念、加速度计的工作原理，以及不同的传感器规格参数如何影响应用的加速度计性能。
一、什么是振动
振动是机器或组件偏离平衡位置的运动或机械振荡。它可以是周期性的，比如钟摆的运动；也可以是随机的，例如轮胎在砾石路面上的运动。振动可以用度量单位 (m/s²) 或引力常数单位“g”来表示，其中1g=9.81m/s²。
物体的振动方式分为自由振动和受迫振动两种：
当物体或结构发生移位或受到冲击，会自然地振动，这就是自由振动。例如，当我们敲打一个音叉时，音叉会响起来，但声音会渐渐减弱直至消失。固有频率通常是指一个物体在受到冲击或发生移位时“希望”振荡的频率。共振是指系统在特定频率下的振动比其他频率更剧烈，在物体的固有频率或接近物体的固有频率下发生受迫振动时，会使物体内部积累能量。即使一开始的受迫振动幅度非常小，但随着时间的推移，振动也可能会变得相当剧烈。如果物体的固有频率与正常环境下的振动频率相等，那么物体的振动会更剧烈并且导致物体过早地损坏导致。
图1 如果物体的固有频率与环境振动频率相等，可能会导致物体损坏。
受迫振动是指结构由于施加力而发生振动的情况，旋转或交替运动可以强迫物体以非固有频率振动。一个例子是洗衣机的失调，在该情况下，洗衣机甩动的频率等于旋转轴的旋转频率。在状态监测中，振动测量用于指示压缩机、涡轮机或泵等旋转机械的健康程度，这些机器包含各种部件，并且每个部件都有各自独特的振动模式或特征。通过在一段时间内记录不同振动特征的趋势，您将可以预测机器何时会发生故障，并妥善安排维护作业，以提高安全性和降低维护成本。
二、如何测量振动
振动通常使用陶瓷压电传感器或加速度计进行测量。加速度计是一种用于测量物体的加速度并将其转化为电压的传感器，加速度计属于全面接触式传感器，通常直接安装在高频元件上，例如滚动轴承、变速箱或旋转叶片。这些多功能传感器也可在冲击测量（爆炸和故障测试）以及较慢的低频振动测量中使用，优点是在很宽的频率范围和较大的动态范围内具有线性度。
图2 加速度计是可用于高频或低频振动以及冲击测量的多用途传感器
另一种可以用于测量振动的传感器是接近式探针。加速度计是通过测量加速度来确定振动大小，而接近式探针则属于非接触式传感器，测量的是到目标的距离。这些传感器几乎专门用于测量旋转机械的轴振动。一个常见的应用是机械系统，比如涡轮机的监测和保护测量。由于这类机械系统采用柔性流体薄膜轴承和重壳体，振动无法很好地传送到外壳，因此通常使用接近式探针代替加速度计来直接测量轴的运动。
三、加速度计工作原理
大多数加速度计通常基于压电效应，即某些类型的晶体在受到压力时会产生电压。被测物体的加速度传输到加速度计内的质量块，然后在压电晶体上生成相应的力。这个来自外部的压力会使晶体产生高阻抗电荷，电荷量与所施加力成正比，因而也与加速度成正比。
图3 IEPE加速度计输出电压信号与压电晶体所承受的力成正比
压电或电荷式加速度计，需要一个外部放大器或内嵌电荷转换器来放大所产生的电荷，降低输出阻抗以便与测量设备兼容，以及最大程度降低对外部噪声和串扰的敏感度。其他类型的传感器内置有一个电荷灵敏放大器，这种放大器可接收稳定的电流源，阻抗随压电晶体上电荷的变化而变化，称为集成电子压电 (IEPE) 传感器。这些类型的加速度计的测量硬件，为放大器提供了内置电流激励。当加速度计的输入发生变化时，您就可以通过测量电压的变化从而得到阻抗变化量。
四、选择合适的加速度计
由于加速度计具有多种用途，因而市面上提供了各种设计、尺寸和量程的加速度计。了解要测量的信号特性以及各种环境限制，可以帮助您理清加速度计的所有不同电气和物理规格。
振幅：要测量的振动的最大振幅或范围决定了要使用的传感器的量程。如果要测量传感器量程之外的振动，响应就会失真或削弱。通常情况下，用于监测高振动水平的加速度计具有较低的灵敏度和较轻的质量。
灵敏度：灵敏度是加速度计的最重要参数之一，它描述的是在基准频率下（如160Hz）振动和电压之间的转换关系，灵敏度的单位是mV/G。典型的加速度计灵敏度为100mV/G，这意味着如果测量的是10G信号，输出将为1000mV或1V。确切的灵敏度由校准决定，这个参数通常在传感器随附的校准证书中列出，灵敏度也依赖于频率。如果要确定灵敏度如何随频率变化，就需要在整个可用频率范围内进行全面校准。图4显示了加速度计的典型频率响应特性，一般情况下，我们使用低灵敏度加速度计来测量高振幅信号，使用高灵敏度加速度计来测量低振幅信号。
图4 加速度计具有较宽的可用频率范围，其中灵敏度相对平坦。
轴数：加速度计有两种轴类型，最常见的加速计仅测量一个轴上的加速度，类加速度计以正交分量的形式创建三维向量的加速度，通常用于确定振动类型，如侧向、横向或是旋转振动。
重量：加速度计的重量应该要比被测物体小许多。增加结构的质量可能会改变结构的振动特性，并可能导致不准确的数据和分析，通常应不超过被测物体重量的10％。
安装方法：振动测量系统的另一个考量因素是如何将加速度计安装到目标表面，有四种典型的安装方式可供选择：手持式或探针针尖、磁式、粘接式、螺柱安装。螺柱安装是迄今为止最好的安装技术，但需要给目标材料钻孔，通常适用于永久传感器安装的情况，其他方法主要用于临时安装。各种连接方法都会影响加速度计的可测量频率，一般而言，连接越松，可测量频率越低。在加速度计中添加任何质量块，如粘接式或磁式安装基座，都会降低谐振频率，这可能会影响加速度计的精度和可用频率范围。查看加速度计规格说明，以确定不同安装方法如何影响频率测量范围。表1显示了100mV/G加速度计的典型频率范围。
表1 安装100mV/G加速度计的频率范围
环境约束：选择加速度计时，需要注意重要的环境参数，如最高工作温度、有害化学物质接触和湿度。由于坚固、可靠的结构，大多数加速度计可适用于危险的的环境。如需额外的保护，不锈钢制成的工业加速度计可以防止传感器生锈和化学腐蚀。如果系统必须在极端温度下工作，则需要使用电荷模式的加速度计。由于这些加速度计不包含内置电子器件，工作温度仅取决于结构所使用的传感元件和材料。然而，由于它们不具有内置的调理和电荷放大功能，电荷模式的加速度计对环境干扰非常敏感，需要低噪声线缆。如果环境非常嘈杂，则应使用具有内置电荷放大器的内嵌电荷转换器或IEPE传感器。湿度规格由加速度计的密封类型决定，常见的密封包括密封胶密封、环氧树脂密封和环境密封。这些密封大多数可以承受高湿度的环境，但是密封胶密封建议用于液体浸泡和长时间暴露在过度潮湿环境的情况。
成本：虽然电荷模式和IEPE加速度传感器的成本差不多，但是对于大型多通道系统，IEPE加速度计的成本要低得多，因为它们不要求专用的低噪线缆和电荷放大器。此外，IEPE加速度计更易于使用，因为它们的操作和维护要简单得多。
五、加速度计信号调理
当选择被DAQ设备测量加速度计时，需要考虑以下几点，以确保满足您所有的信号调理要求：
放大，以提高测量分辨率和信噪比；
电流激励，为IEPE传感器的电荷放大器供电；
AC耦合，以消除直流偏置、提高分辨率，并充分利用输入设备的整个量程；
滤波，以除去外部高频噪音；
正确接地，以消除不同接地电位之间的电流所产生的噪声；
动态范围，以测量加速度计的完整振幅范围。
