加速度计是振动状态监测系统的核心。在选择状态监测传感技术时，加速度计能够在广泛的旋转机器上感知振动，再加上其经济的价格和易用性，具有吸引力。
虽然加速度计肯定不是状态监测系统中最昂贵的元素，但它对数据质量的影响最大。因此，加速度计的选择是优化振动测量通道信噪比的最佳时机。
了解了这一点，状态监测从业人员应该对目前加速度计可用的技术选择有一个全面的了解。压电技术已经出现了几十年，并被市场广泛接受。另一方面，微机电系统(MEMS)技术相对较新，但发展迅速，并进入状态监测市场。
简史
使用加速度计来测量加速度冲击和振动是由全球测试和测量界发展起来的，主要用于第二次世界大战后的航空航天和武器开发。事实上，第一个商业化的压电加速度计在1950年左右进入市场。第一个有记录的商业化加速度计的使用出现在20世纪20年代。该装置重近一磅，采用了惠斯通半桥结构的张紧-压缩碳环。有趣的是，它是今天MEMS传感器的早期前身。
第一个基于硅的MEMS加速度计出现在20世纪60年代，当时全球测试和测量界渴望测量更高振幅的加速度(数千g)和更快的现象(数百微秒内发生的冲击)。这些设备远远领先于他们的时代，MEMS的缩写在几年后才被创造出来。1
基于振动的状态监测在20世纪80年代开始激增，但在20世纪90年代，随着便携式振动数据收集器的发展和廉价压电(集成电子压电[IEPE])型加速度计的可用性，它的应用有所增加。
快进到今天，使用安装在旋转机器上的加速度计的便携式收集器获取振动数据的振动分析师几乎已经成为术语状态监测的同义词。在过去的几年里，除了进一步从制造过程中提取成本的努力之外，基于压电的加速度计技术的进步已经停滞不前。相比之下，基于mems的加速度计技术近年来取得了进步，这主要是由于市场对无线传感器和工业物联网(IIoT)的接受程度。
MEMS加速度计的性能已经进步到这些设备现在可以在状态监测应用中与压电加速度计竞争。因此，状态监控从业者应该评估每种技术的优缺点，以帮助确定哪种解决方案为其生产环境提供了最佳价值。
关键加速度计规格:灵敏度和频率响应
为了充分理解和正确评估加速度计的性能，需要了解灵敏度和频率响应这两个规格。
灵敏度，有时称为传感器的比例因子，表示给定加速度输入量下电压信号输出的幅值。灵敏度通常以每单位重力加速度的毫伏表示(mV/g)，市场上最常见的压电状态监测加速度计的(标称)灵敏度为100 mV/g。这意味着传感器
将输出100毫伏每g加速度，它是暴露。虽然在数据表上通常没有明确说明，但制造商保证只有一个频率(通常为100赫兹[Hz])的灵敏度。
频率响应(也称为带宽)是一种在传感器整个频率范围内指定灵敏度的方法。加速度计是一种动态传感器，对一系列频率作出反应。频率响应可以绘制成图形，以便比较不同加速度计的性能。
如图1所示，即使是两个相同型号的加速度计，其频率响应也会有微小的差异。因此，制造商在频率响应中指定一个公差带，以便在该公差范围内的一批传感器可以被归类为相同的型号。
对于状态监测应用，频率响应是最重要的考虑因素。因为加速度计的频率范围不是无限的，它将有一个较低的频率限制(通常是几赫兹)以及一个上限(通常是几千赫兹[kHz])。例如，用于状态监测应用的常用压电加速度计指定从0.5 Hz到
14 kHz(±3分贝[dB]公差)。当然，要确保这样的传感器是合适的，就需要了解要测量的机器。如果应用涉及电机驱动的离心泵，例如，电机的运行速度是多少?叶轮有多少个叶片?
预期轴承故障频率是多少?因为这些参数具有特征振动频率，了解它们将指导状态监测从业者决定加速度计需要多少频率范围，因此，选择哪种加速度计模型。
压电与MEMS:有什么不同?
直到最近，频率响应是两种加速度计之间最大的区别，与压电式加速度计相比，MEMS器件在高频上受到限制。但是MEMS技术在过去几年中得到了改进，一些MEMS加速度计现在已经接近20 kHz(±3 dB公差)的高频率范围，与压电性能相当。
有趣的是，早期的MEMS加速度计的带宽远远超过压电器件。这是因为它们最初是为需要宽带宽的快速、高振幅冲击测量而设计的，但实现这一目标的代价是低灵敏度。一些高冲击加速度计的灵敏度为10 μ V/g -太低，无法感知旋转机器的振动。
在这一点上，理解阻尼的概念很重要。加速度计是动态传感器，因此，可以建模为动态质量弹簧阻尼机械系统。加速度计制造商可以(在一定程度上)控制这些参数中的每一个，以实现他们在加速度计中寻求的性能。
压电加速度计的阻尼很小(而且是刚性的机械系统)。因此，它们往往具有较宽的带宽。早期的MEMS加速度计也被设计成小阻尼(和高刚度)，以实现宽带宽;如前所述，这是以牺牲敏感性为代价的。有效地，硅微结构应变片布置在惠斯顿电桥结构，早期的MEMS传感器本质上是欧姆的。
另一方面，今天的MEMS加速度计本质上是电容性的，它们被构造为带有可变极板电容的硅微结构，以实现更高的灵敏度。然而，这在质量-弹簧阻尼机械系统中引入了更多的阻尼，带来了带宽降低的副作用。因此，MEMS传感器的设计者必须在优化灵敏度和优化带宽之间取得平衡。
由于增加的阻尼，在任何质量弹簧阻尼系统的频率响应中发现的谐振峰比在压电传感器的频率响应中得到更好的控制。如图2所示，加速度计频率响应中的谐振峰在状态监测应用中是有问题的，因为它会产生虚假的失真信号，不能代表真实的振动。值得注意的是，高带宽电容式MEMS加速度计的频率响应类似于压电式加速度计。
功耗及噪音
电子噪声是指任何传感器产生的随机低压信号，由于某些现实世界的因素(轴承摩擦是一个类似的例子)，电子噪声是不可避免的。更高的噪声水平使得解决加速度计所看到的细微振动变得更加困难。
一段时间以来，压电加速度计被设计成具有相对较低的噪声水平(约30µV/√Hz，或微伏每根赫兹)。另一方面，电容型MEMS加速度计传统上存在较高的噪声(约500 μ V/√Hz)。但是高性能的MEMS传感器已经得到了改进，使它们能够与压电器件相媲美。
然而，功耗是MEMS技术的优势所在，这就是为什么这些类型的加速度计在电池供电的无线应用中特别有用。MEMS技术通常使用1 mA或更小的电流，而压电加速度计使用至少2 mA或更多的电流(IEPE类型)和至少18 Vdc电压。
压电加速度计多年来一直主导着振动状态监测应用，这是有原因的。频率响应、低噪声和低成本是最重要的因素。尽管如此，MEMS加速度计最近在频率响应和噪声性能方面取得了进展。除了其固有的低功耗和低成本外，基于mems的加速度计现在可以有效地与压电传感器竞争，这意味着状态监测用户在测量工厂的旋转平衡机器时应该考虑这两种技术。
参考文献
对加速度计历史的更深入的调查可以在2007年6月的《声音与振动》杂志中找到:由Patrick L. Walter撰写的加速度计的历史。伟德betvicror登陆