Brüel & Kjær加速度计 —— 65 年的经验
作者：Torben Licht 和 Bin Liu
01 Sep 2010
1943年，Brüel & Kjær 设计出首款使用罗息盐晶体制造的压电加速度计，这比其他公司要早四年。大半个世纪后，我们仍然对我们的加速度计遗产倍感自豪。
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科技
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三十年代
Per V. Brüel 和 Viggo Kjær 在 1939 年获得电子工程硕士学位之前就决定要共同成立一家公司。
然而，他们认为在创办公司之前要学习更多知识，并获得一些实践经验。因此，P.V. Brüel 加入了最新创办的声学实验室，成为 P.O. Pedersen 教授的助手，而 V. Kjær 则在 Danish radio industry 担任开发工程师。
1942 年，Brüel & Kjær 公司成立。首个产品是用于可听声频率范围的分析仪和生成器，而在 1943 年，公司已开始开发振动传感器，并售出首台设备。
40年代
早期滑音器结构
Per V. Brüel 一直按照美国声学学会杂志（J.A.S.A.) 中介绍的声场进行开发，直到战争爆发，导致该杂志在欧洲不可用。
在最后一期杂志中，Benjamin Baumzweiger 介绍了使用压电晶体的拾振器，Brüel 认为该产品可以测量和分析振动以及声音。
图 1 是加速度计的首份草图。这成为 4301 型，同时第一台在 1943 年售出，并迅速开发出 4302 和 4303 型（图2）。这些加速度计都采用由溶解化学品制成的罗息盐晶体。之后，晶体被切割为正确的形状，并最后由胶水组合成理想的滑音器。
50年代
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| 放大图片 | | 1955 年的加速度计（4306/4307 型） |
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陶瓷和外壳的重要性
罗息盐晶体加速度计的主要缺点是，如果出现以下情况，晶体将损坏：
- 温度超过 50-55 °C，即使时间很短
- 短时间暴露在相对湿度超过 85% 的潮湿空气
- 长期暴露在相对湿度低于30% 的干空气
- 拉伸或压缩载荷超过 15 MN/sq.m
第一个问题会造成严重的困难，例如，当将传感器留在闷热的汽车中。第二个和第三个问题可在很大程度上通过良好的封装克服，但是无法改进较低强度问题。这意味着加速度计在掉落后很容易损坏。
50 年代早期，据报道加速度计可使用全新的极化铁电陶瓷材料 —— 钛酸钡（BaTiO3）。不久，P.V. Brüel 和 C. G. Wahrman 设计出一款采用 BaTiO3 的全新加速度计，并于 1955 年推出新一代的 4306 和 4307 型加速度计。
正如横截面图纸上显示的那样，其设计巧妙之处在于使用外壳进行保护，并使用弹簧提供良好的信号质量比，同时允许所有外部力直接作用在质量上，导致所有类型的错误输出（然而，在使用本产品的数百名客户之中，没人任何人对该问题提出投诉！）当推出这款产品后，公司启动了快速更换项目，同时在设计出首个加速度计后，4308 型就被售出。这里，外壳变得非常坚硬，同时在外壳和质量之间使用了内部弹簧分离外壳的质量，并提供预加载。
很快，又开始使用另一种新材料 —— 锆钛酸铅（现在经常被成为PZT），并在 1957 年推出了 4308-9-10-11 型加速度计。 六十年代
中心螺栓和
Unigain®
60 年代是丹麦工业快速发展的年代，并在 1964 年推出了 4332、4333、4334 和 4335 型加速度计。尽管这些型号仍然使用相同的基本设计，但还是有一些改进。
在早期型号中，所有共振频率都很低，只需简单夹住滑音器。然而，随着共振频率提高到 20 kHz，这越来越取决于陶瓷盘和金属部件之间的接触面。公司在一段时间里使用了铅层以填补空间，同时提供一些共振峰值阻尼，从而降低前置放大器超载风险。
当增加工作温度和稳定性需求后，铅不再是一个良好的解决方案。因此，可通过电极的表面研磨和真空沉淀改进陶瓷盘的质量。这能够生产出高质量的表面。
产品使用了不锈钢和钛外壳，并改进了表面的加工。由钨和铜粘结的全新烧结材料被用于惯性质量应用，与使用黄铜材料相比，体积减少了一半。
可为每个传感器提供的数据极大增加，不仅能够提供单个频率响应曲线，而且还能够为每个加速度计测量和记录电压和电荷灵敏度、电容及其它们对于最高 250 °C 温度的依赖性。
1966，该系列增加了三轴 4340 型，该型号在多年后仍然在使用之中，以及微型 4336 型。对于后者，其结构原理的限制很快变得非常明显。当外壳变小，同时不太坚硬时，来自电缆、支架和声音的外部力将在输出生成明显的信号。
这使得公司开始考虑单端压缩结构，并在 60 年代末期推出了微型 4344 型与两个更大尺寸的 4339 和4343型加速度计。这些型号还提供全新的独特功能（之后被命名为Uni-Gain®）；调整为公称值 ±2% 的灵敏度。同时，公司还推出了采用氧化铝和玻璃密封的全新密封连接器。
灵敏度调整是一个非常繁琐的程序，涉及灵敏度测量、加工惯性质量以降低重量、老化和重新校准，直到灵敏度处于很小的公差内。到目前为止，在不考虑调整内置前置放大器的情况下，没有其他制造商的标准型号能够做到这点。
七十年代
DeltaShear®
十年
在 70 年代早期，公司进行了许多努力以改进压电陶瓷的稳定性和可重复性，结果就是依旧非常流行的 PZ23 材料。同时，较早型号被顶部装有中心螺栓的型号代替，从而提供较低的底部应变灵敏度，尽管代价是共振频率更低。
随着 ANSI S2.11-69 标准的出现，测量传感器上的所有参数就成为一个重要的任务。很明显的是，在这一过程中，与市场上广泛使用的剪切型相比，压缩型传感器有几个缺点。主要问题在于底部应变灵敏度和瞬间温度灵敏度，这在必须以更低频率控制振动器的情况下经常被认为是一个问题。
这些参数对于较小的传感器来说非常重要，同时重量为 0.5 克的 8307 型传感器首次采用了剪切结构。这使用了圆柱陶瓷元件（灵感来自竞争对手），同时使用了特殊材料 —— 铍来减少重量。
然而，对于较大的加速度计来说，用于 8307 型号的粘合和夹紧方法不可行，并为此建议了许多不同的配置，并尝试了其中一些。但是，公司最终使用了夹紧环来固定柱状中心柱周围的平板。该结构需要极其良好的表面、严格的尺寸控制、高强度的夹紧环材料以及使用正确的张力安装夹紧环的实用方法。
1974 年，公司为这一结构注册了专利（后来被称为DeltaShear®），同时在该计划中将尽可能多的加速度计改成这一概念。此后，该结构一直都在使用，并使用该结构生产出成千上万的产品。如今，它被视为最经典的加速度计结构之一，该结构也被我们的一些竞争对手所使用。
80年代
电子部件在内
在 70 年代末期，电子部件的开发达到了一个全新高度，这时可在正常大小的加速度计内安装非常稳定的小薄膜前置放大器。
尽管这些改进在降低最高温度、减少动态范围并降低可靠性方面存在缺点，但是，市场喜欢较低的通道价格和更少的电缆数量，以及噪声累积问题。
在最终决定使用线驱动系统之前，公司还考虑了一些系统结构。该结构使用恒定线电压为传感器供电，然后与输入信号成比例调整电流。这基本上是同一系统，曾是，同时仍将用于大部分温度和压力传感器。与电压调节系统相比，该系统的较大优势是更高的抗外部干扰能力。
公司首先推出了极为紧凑的螺口式（5克）2644 型前置放大器，这一技术在随后被用于一些加速度计中。
由于一些大型项目会尽可能利用开发能力，输入数量的可能性不是很大，同时更加简单、更加便宜的电压调节系统成为行业标准，并使用不同的名称营销。
然而，线驱动系统 在80 年代晚期和 90 年代还是取得了一些成功。这对于需要较低噪声级别和高性能的关键监控系统非常关键。
90年代
从
Δ
至
Θ
90 年代，较长的衰退期和丢失东部市场改变了 Brüel & Kjær 的状况。一些更小的公司开始得到发展，因为价格成为更加重要的市场因素。
这对于汽车行业模态分析市场来说尤为如此，因此，公司努力应对这一需求。公司对传感器结构和全新可能性进行了评估，并产生名为 ThetaShear® 的全新概念，因为它看起来是希腊字母 Θ。这基本上是倒转的 DeltaShear® 结构，其惯性质量处于中等水平，但极大减少了部件数量，从而降低生产成本，并在不牺牲太多DeltaShear® 固有参数的情况下适合模态市场的要求。为使产品更轻，同时不昂贵，外壳使用了铝合金材料。如今，钛是外壳的首选材料，正如ThetaShear® 4507 和 4508 型加速度计那样。
由于所使用系统的原因，这要求小传感器具有高灵敏度，并测量低级别，而这都需要低噪声内置前置放大器。为满足这一要求，需开发使用较常用 MOSFET 性能更好的专用输入晶体管的专用 ASICS（专用集成电路）。
最新的结构概念是源自 ThetaShear® 的独特 OrthoShear®，并允许使用一个惯性质量和一个圆柱压电元件在三个正交方向进行测量，正如名称所指定的那样，4506 和 4524 型都使用 OrthoShear® 设备。
头十年
微型芯片革命
21世纪前十年是微电子开始真正投入市场的年代。对于加速度计来说，这有三个主要的影响：
- 微处理器提供可用于解决有限元模型（FEM）的出色数字处理能力
- 在加速度计外壳内安装微型芯片 ——不仅仅 ASICS
- 微机电系统（MEMS）可被用于在芯片上安装传感器
通过计算机的计算能力，只要在主机范围内，Brüel & Kjær 工程师就可在他们自己的实验室构建和解决有限元模型（FEM）。这创建了大量传感器设计数据数据库，同时通过使用已构建传感器的测量参数验证 FEM，数学模型的“质量”将持续提高，从而需要更少原型。
在 90 年代推出的 IEEE 1451 标准集的主要特点是传感器电子数据表 (TEDS) 的定义。在 90 年代投入使用的 TEDS 是一个集成在传感器外壳内的内存设备，这可数字存储传感器识别、校准、校正数据、测量范围、制造相关信息等。与 TEDS 芯片的通信是通过信号电缆来实现的，同时在最终测试和初始校准期间，Brüel & Kjær 将在装有 TEDS 的加速度计出厂之前，为每个 TEDS 存入特定数据。
未来
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| 放大图片 | | 180ºC IEPE Accelerometer |
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通过构思全新技术可能性并提供全新创新结构，Brüel & Kjær 在加速度计历史中扮演了重要角色。但是，我们还未预见到我们在目前为止的角色。我们的传感器研究和开发团队持续改进技术状况和范围，并寻找可用于传感器革命或可能的革命的新概念和想法。例如，最近的微电子、电池技术和无线通信的极大进步预示着传感器和采集系统的美好未来。
在Brüel & Kjær，传感器是我们业务的核心部分。他们在 67 多年的时间里一直是这样 —— 几乎一生！我们的传感器的质量全球知名。这一质量来源于我们独特的经验和知识，并由一丝不苟的检测和质量控制提供支持。在本文中，我们将让您了解我们眼中的加速度计历史，并让您感觉一个传统，这是每个经过检测、离开我们丹麦工厂的传感器的一部分。
鸣谢
本文主要根据 Torben Licht 在 1996 年所写的论文。本文的内容，特别是有关 第一个十年的内容是在 Dr. P.V. Brüel 的帮助下编写的。此外，Torben Licht还要感谢 C.G. Wahrmann 所提供的信息和讨论，尤其是 50 年代，并要感谢 G. Rasmussen 提供有关 50 和 60 年代的评论。
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