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工業(yè)級加速度傳感器解析-傳感器產(chǎn)品技術(shù)

  傳感器是獲得*準有效數(shù)據(jù)的**一觸點;它們在將原始物理量轉(zhuǎn)換為便于測量計算的數(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*的動態(tài)數(shù)據(jù)。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(jié)合應(yīng)用和相關(guān)產(chǎn)品數(shù)據(jù),將一些體會和經(jīng)驗做一個簡單的分享。

  1.什么是加速度傳感器?

  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(yīng)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*二定律得出加速度值。從感應(yīng)機理上分為壓電式、電容式、電感式、應(yīng)變式、壓阻式等。

  2.汽車平順性試驗應(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。

  3.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,對加速度計的量程、靈敏度、精度要求高,對于常規(guī)加速度傳感器來說,*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(yīng)運而生,它們*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。

  4.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*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。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)、負載等產(chǎn)品線。
  Brüel & Kj?r簡稱B&K,名稱與商標源于創(chuàng)始人Per VilhelmBrüel和ViggoKj?r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*密先進傳感器的研發(fā)和設(shè)計的前沿,“新”是因為該公司*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、*密傳感器(加速度、溫度、壓力等)、測量設(shè)備等豐富和扎實的產(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。

  5.工業(yè)級加速度傳感器的關(guān)鍵技術(shù)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(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?br />   響應(yīng)時間
  當被測量物體發(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*限
  指1秒內(nèi),傳感器及殼體所能承受的*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*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。實際傳感器的校準結(jié)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(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,信號衰減嚴重,而在高頻段線性度差,非線性影響較大。在實際應(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)計與生產(chǎn)制造提出了*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*業(yè)制造商在產(chǎn)品技術(shù)規(guī)格上的要求是嚴謹和苛刻的,在實際應(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*強技術(shù)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(shù)中,技術(shù)實力與研發(fā)設(shè)計能力是**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)計制造、封裝、測試、*密傳感器制造等*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**多達600多項,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),*全不同于文獻中可見的傳統(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,其工藝性*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,各項指標都達到或者優(yōu)于目前流行的各項設(shè)計。在先進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(jīng)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(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*具競爭力。但隨著*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*,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(shù)實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。
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