傳感器是獲得*準(zhǔn)有效數(shù)據(jù)的**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*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(gè)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(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*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。
2.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(gè)軸向上的振動加速度過程,用以評價(jià)汽車行駛平順性的道路試驗(yàn)。
3.工業(yè)級加速度傳感器
選擇加速度傳感器時(shí),用戶大多基于加速度量程范圍,同時(shí)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,*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*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(xì)分產(chǎn)品領(lǐng)域中逐步跟上,并在高、中、低幾個(gè)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(gè)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*的詮釋這兩個(gè)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 & Kj?r簡稱B&K,名稱與商標(biāo)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(gè)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(gè)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(jìn)傳感器的研發(fā)和設(shè)計(jì)的前沿,“新”是因?yàn)樵摴?成立了5年多的時(shí)間。雖然成立時(shí)間短,但擁有先進(jìn)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(shí)的產(chǎn)品研發(fā)和制造能力。
筆者從三個(gè)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)。
5.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(shí)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?br />
響應(yīng)時(shí)間
當(dāng)被測量物體發(fā)生變化時(shí),傳感器并不能立刻反應(yīng),普遍存在滯后,滯后的時(shí)長即響應(yīng)時(shí)間,響應(yīng)時(shí)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(gè)方向時(shí),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(shí),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(shí)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*高的要求。在實(shí)際制造過程中每一個(gè)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(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(gè)中國自主傳感器品牌,在這樣短的時(shí)間內(nèi)能將產(chǎn)品做到這樣的高度,不得不說這是一個(gè)具備*強(qiáng)技術(shù)實(shí)力的企業(yè)。畢竟在傳感器制造這個(gè)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**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、*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(shí)間里注冊**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),*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*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(gè)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(gè)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*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(fēng)云激蕩,時(shí)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。