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《振動噪音科普專欄》如何選擇「加速規」的「靈敏度」(sensitivity)?

在振動噪音量測時,最常採用的感測器(sensor)不外是加速度規(accelerometer),在選用購買加速度規時,規格表中重要的資訊之一就是「靈敏度」(sensitivity),那麼「靈敏度」值的大小對振動量測有甚麼影響?在選用加速度規時,加速度規的「靈敏度」要注意甚麼?是大比較好呢、還是越小越好?

在先前的單元:【甚麼是「感測器」(sensor)及「物理量」(physical quantity)?】,【感測器的「靈敏度」(sensitivity)是甚麼?】,已經說明了典型的加速規之「靈敏度」為 mV/g的單位。

振動噪音量測工程師在選用加速規時,確實常會困擾,到底要如何選擇適當的「靈敏度」之加速度規?

圖示下方為屏科大機械系振動噪音實驗室的4種不同類型加速度規,其「靈敏度」取整數以便於討論說明,分別為:1 mV/g10 mV/g100 mV/g、以及 10 V/g。這4個加速度規的「靈敏度」值差異從10倍、100倍、1,000倍、到10,000倍,相差這麼多,會有甚麼影響呢?

首先,需要了解感測器(sensor)傳送到電腦,都會透過AD converter類比與數位擷取設備,一般設備可接受的電壓範圍是V=+/- 5 V

Sa為加速度規之靈敏度,單位:mV/gV為量測到的電壓,單位:mVA為實際的加速度物理量,則:A = V/Sa,或V=A*Sa。因此,取Vmax=5 V,「靈敏度」Sa分別帶入前述4個量值,則可得到度量的加速度值,參閱圖示,可分別得:Amax = Vmax/Sa = 5,000 g500 g50 g0.5 g的最大加速度。所以,加速度規的「靈敏度」大小,決定了可量測的加速度最大值。加速度規格書中,一般也都會標示可量測的最大加速度值。

其次,需要注意的是加速度規本身適用的頻寬範圍,例如 Sa=10 V/g的低頻加速度規,其適用頻寬僅在300-500Hz以內。所以,選用的加速度規,必須符合量測的頻寬需求。

第三個影響因素,是信雜比(signal noise ratio),如果量測標的物之加速度量值在30 g以內,又量測的頻寬假設都能達到要求,較佳的加速度選擇是Sa=100 mV/g,因為,選用加速度規,要考慮所量測標的物的加速度量值範圍,使得加速度規之量測訊號有較大的信雜比,可以降低AD converter error類比與數位訊號轉換的誤差,類比與數位訊號的轉換,我們再另闢單元討論。

綜合本單元的說明,選用加速度規的「靈敏度」考慮事項:

1.          加速度規的「靈敏度」大小,決定了可量測的加速度最大值。
2.          選用的加速度規,必須符合量測的頻寬需求。
3.          針對量測標的物之加速度量值範圍,選擇有較佳信雜比(signal noise ratio)的「靈敏度」之加速度規。

本單元簡單說明加速度規的「靈敏度」之影響,以及選用加速度規於實務量測的考慮事項,希望對讀者有所幫助。

以上個人看法,請多指教!

王栢村

2018.01.18