网络课堂 | 专业基础知识培训系列4-振动传感器的这些参数你了解吗？
GB/T 7665-2005对各类型传感器进行了定义，通俗地说传感器是将一些不易直接测量的物理量（例如振动信号）转换为容易测量的物理量（例如电信号）。传感器一般包含两个部分，一部分是敏感元件，另一部分是转换元件。工程中最为常用的振动传感器是将振动物理信号转化为模拟电压信号，本部分将重点介绍振动传感器的相关技术内容。
振动传感器主要有静态、动态两类指标，主要指标有：
静态特性
灵敏度与横向灵敏度
线性度（非线性误差）
分辨力（率）
噪声
频响函数
灵敏度指的是传感器输出量的变化值与相应的被测量的变化值之比，简单来说就是传感器感受单位振动量时输出的电信号量，常用单位有pC/g、mV/g、mV/(m/ss)等，它指的是在感受到单位物理量变化时传感器输出的电信号强度。在使用灵敏度时需要注意的是工程单位的转换，比如g与m/ss的换算、V与mV的换算。
由于切割或极化方向偏差等因素影响，传感器感受到与敏感轴正交的加速度时也会输出信号，此输出信号与横向作用的加速度之比称为传感器的横向灵敏度。横向灵敏度通常以主轴灵敏度的百分数表示。图1是横向灵敏度的极坐标图，从图中可以看出，不同方向的横向灵敏度不同。有的传感器会将横向灵敏度的最小方向在传感器外壳上进行标注，使用时可将此标识对准最大横向振动方向以降低横向灵敏度的影响。
图1 横向灵敏度的极坐标表示
2线性度（非线性误差）
线性度或非线性误差表征的是传感器在幅域上的偏差，指的是校准曲线与某一规定直线一致的程度，如图2所示。这个偏差除了取决于校准曲线，还取决于拟合直线，因此在谈到线性度或非线性误差时，应同时说明其所依据的基准直线。常用的拟合直线有端基直线、最佳直线、最小二乘线等，端基直线指的是两端点之间的直线，最佳直线指的是保证传感器正反行程校准曲线对它的正负偏差相等且最小的直线，最小二乘线指的是使传感器校准数据残差平方和最小的直线。非线性误差最常见的表征形式是最大偏差与满量程的比值如式1。也有的传感器用最大输出时的偏差或不同幅值下的偏差表征非线性，如式2。
图2 非线性误差
3分辨力（率）
分辨力或分辨率是指传感器在规定测量范围内可能检测出的被测量的最小变化量，注意它的定义是最小变化量而非最小量。很多传感器都受白噪声影响，分辨率可以用方根功率谱密度(root-PSD)表示，其单位是物理信号的单位/√Hz。对于特定的被测量，实际分辨率可通过计算方根功率谱密度与测量带宽的平方根之积获得。
4噪声
任何传感器除产生输出信号外，还会产生输出噪声。很多电子器件的噪声为白噪声，因此传感器噪声也可用方根功率谱密度表示。不同类型的传感器噪声谱也有差别，有的是相对平直的谱线，有的则不是，比如压电加速度传感器，不同频带噪声能量的分布并不相同,如图3所示。
图3 某型号压电加速度传感器的噪声
分辨率与噪声看着类似，其实是有差别的，分辨率更常用方根功率谱密度与测量带宽的平方根之积，也就是频带内的有效值表征，而噪声则是用不同频率的方根功率谱密度表征，图4是某型号传感器分辨率与噪声的指标参数。噪声往往决定了传感器能测量的最小量，分辨率则决定了传感器测量的最小变化量。在实际测试中要注意区分两者的区别，尤其对于微震测试，不能仅依据分辨率来判断传感器能否满足测试要求。
图4 分辨率与噪声
对于白噪声信号，其功率谱密度(PSD)或方根功率谱密度(root-PSD)的幅值不会随着FFT点数或频率分辨率的改变而改变，但有效值谱的幅值会随着FFT点数或频率分辨率的改变而改变，而周期信号则与此相反，因此我们可以利用这点来降低噪声的影响以提高数据的信噪比。表1对比了使用不同分析点数进行分析时方根功率谱密度曲线在峰值频率及其相邻频率位置的幅值，其中使用8192点进行分析所得到的方根功率谱密度曲线如图5所示。从表1中可以看出，分析点数提高一倍频率分辨率则提高一倍，周期信号的方根功率谱密度则增加倍，也就是3dB左右，而相邻频率的噪声的方根功率谱密度则不会增加。当然，这样提高信噪比需要有更长的数据作为支持。
表1 不同分析点数下的方根功率谱密度
图5 分析点数为8192时的方根功率谱密度曲线
5频率响应
很多传感器可以看作一个单自由度系统，因此传感器也有自己的固有频率，其频率响应往往不是一条直线。传感器典型的频率响应曲线如图6所示，它分为幅频曲线与相频曲线，在频响曲线的起始段与接近共振峰的频率附近传感器的测量精度会产生较大偏差。
图6 幅频与相频曲线
如图7所示，一般将幅频曲线偏差±5%以内的频带作为传感器的工作频率范围，也有的传感器会按照±10%的偏差给出工作频率范围。工业传感器则一般以3dB以内的偏差作为工作频率范围，这些指标在传感器的规格说明书里都会给出具体值。需要说明的是，不同型号传感器的频响曲线并不相同，这种差别在工作频率的上下限附近更为明显，因此在一些对测点之间幅频相频一致性要求较高的测试项目中（比如模态测试），更建议工程师选择同型号的传感器进行测试。
图7 传感器谐振频率与频率范围的关系
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