不同安裝方式對壓電加速度計(jì)靈敏度的影響

周長華 馬青亮 黃鋒

（廣州計(jì)量檢測技術(shù)研究院）

0 引言

振動(dòng)是工程技術(shù)和日常生活中常見的物理現(xiàn)象。大多數(shù)情況下，振動(dòng)是有害的，它對儀器設(shè)備的精度、壽命和可靠性都有一定的影響。當(dāng)然，振動(dòng)也有可利用的一面，如應(yīng)用于輸送、清洗、磨削和監(jiān)測等場合。無論是利用振動(dòng)還是防止振動(dòng)，都須確定其量值，即能夠準(zhǔn)確測量。

1 加速度計(jì)

壓電式加速度傳感器又稱壓電加速度計(jì)，主要由質(zhì)量塊、壓電敏感元件和基座等組成，它是基于壓電晶體的壓電效應(yīng)工作的。某些晶體在一定方向上受力變形時(shí)，其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它的兩個(gè)表面上產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷；當(dāng)外力去除后，又重新恢復(fù)到不帶電狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)，具有壓電效應(yīng)的晶體稱為壓電晶體。常用的壓電晶體有石英、壓電陶瓷等[1]。

在加速度計(jì)受振時(shí)，質(zhì)量塊加在壓電元件上的力也隨之變化。當(dāng)被測振動(dòng)頻率遠(yuǎn)低于加速度計(jì)的固有頻率時(shí)，則力的變化與被測加速度成正比。

壓電加速度計(jì)屬發(fā)電型傳感器，可視為電壓源或電荷源，輸出電壓或電荷與振動(dòng)加速度的比值即為傳感器靈敏度。靈敏度有電壓靈敏度和電荷靈敏度兩種表示方法。前者是加速度計(jì)輸出電壓（mV）與所承受加速度之比；后者是加速度計(jì)輸出電荷與所承受加速度之比。靈敏度是壓電加速度計(jì)的主要技術(shù)參數(shù)。

2 加速度計(jì)的安裝及對測量的影響

2.1 加速度計(jì)安裝方式

在結(jié)構(gòu)上選擇加速度計(jì)的安裝位置，應(yīng)盡可能靠近其要求的測量部位，使它們具有同樣的振動(dòng)，且使加速度計(jì)的靈敏軸與測量方向一致，否則由于橫向靈敏度將導(dǎo)致附加誤差。加速度計(jì)的引入，將影響結(jié)構(gòu)的振動(dòng)，因此一方面要選擇重量合適的加速度計(jì)；另一方面，應(yīng)使安裝諧振頻率遠(yuǎn)離測量頻率，避免其輸出信號(hào)與加速度計(jì)所承受運(yùn)動(dòng)的比發(fā)生畸變[2]。

國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T14412-2005《機(jī)械振動(dòng)與沖擊加速度計(jì)的機(jī)械安裝》明確要求加速度計(jì)安裝的程序及要求。

常見的傳感器安裝方式有6種：磁性座、氰基丙烯酸乙酯、雙面膠帶、蜂蠟、螺絲、螺絲+硅脂。

用磁鐵安裝加速度計(jì)十分方便且容易操作，然而該方法會(huì)降低加速度計(jì)可用的頻率帶寬。磁鐵不會(huì)隨著環(huán)境的影響而改變，但是磁鐵的安裝會(huì)大幅地降低共振的頻率，因此，磁鐵安裝常用于低頻測試。加速度計(jì)重量大于50g時(shí)，可考慮用磁鐵安裝。此類加速度計(jì)一般有很高的靈敏度和很窄的帶寬，這時(shí)磁鐵引起的共振是可以忽略不計(jì)的，磁鐵的額外重量會(huì)加重運(yùn)動(dòng)物體負(fù)荷，測量時(shí)應(yīng)考慮此重量對測量造成的誤差。此安裝方式的優(yōu)點(diǎn)：使用方便，使用溫度范圍寬，支撐重量良好，可改變尺寸；缺點(diǎn)：帶寬變小，在使用磁鐵粘接加速度計(jì)時(shí)需要十分的謹(jǐn)慎。

氰基丙烯酸乙酯即502的主要成分，使用溫度范圍通常在－18°C～+121°C，它是一種用于粘合堅(jiān)固塑料的膠液，可用于粘接金屬、玻璃、橡膠和各種塑料。其優(yōu)點(diǎn)：室溫時(shí)粘接效果好，凝固時(shí)間較快，頻率響應(yīng)寬，溫度范圍寬；缺點(diǎn)：在拆卸傳感器之前需要用溶劑溶解膠才能取下傳感器，拆卸時(shí)間長，不能在粗糙表面上使用。

雙面膠帶有良好的溫度使用范圍，它類似于氰基丙烯酸乙酯可直接粘合。其優(yōu)點(diǎn)：使用方便，溫度使用范圍寬；缺點(diǎn)：振幅范圍有限，當(dāng)粘接較高或頂置接頭的加速度計(jì)時(shí)，電纜的運(yùn)動(dòng)會(huì)影響加速度計(jì)精度。

蜂蠟是一種可用于低溫或常溫的粘接劑，和氰基丙烯酸鹽一樣，在應(yīng)用溫度范圍內(nèi)有很好的頻率響應(yīng)。其優(yōu)勢：使用方便，攜帶方便，粘接迅速，拆卸方便、迅速；缺點(diǎn)：受溫度影響較大，不易涂抹均勻。

用螺絲固定，是使共振頻率能達(dá)到出廠共振頻率的最好方法。螺絲不得全部擰入基座螺孔，以免引起基座變形，影響加速度計(jì)的輸出。在安裝面上涂一層硅脂可增加不平整安裝表面的連接可靠性。需要絕緣時(shí)可用絕緣螺栓和云母墊片固定加速度計(jì)，但墊圈應(yīng)盡量簿。也可用一層簿蠟把加速度計(jì)粘在試件平整表面上[3]。

由于安裝方式的不同，連接加速度計(jì)和振動(dòng)面的介質(zhì)彈性系數(shù)k不同，k越小，共振頻率就越小，工作頻率范圍也就越小。

2.2 加速度計(jì)振動(dòng)模型

根據(jù)動(dòng)力學(xué)模型，壓電加速度計(jì)等效為線性彈簧-質(zhì)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，線性彈簧-質(zhì)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 線性彈簧-質(zhì)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

該系統(tǒng)共振頻率為

由于加速度計(jì)的質(zhì)量 m1一般只有幾十克，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于振動(dòng)面的質(zhì)量 mb，因此式（1）可以簡化為

由式（2）可以看出：在加速度計(jì)質(zhì)量不變的情況下，不同安裝方式的 k1不同，導(dǎo)致共振頻率的不同。

加速度計(jì)的使用上限頻率取決于幅頻曲線中的共振頻率，接近共振頻率時(shí)會(huì)導(dǎo)致輸出信號(hào)的畸變。一般要求，最高工作頻率應(yīng)遠(yuǎn)低于所選用加速度計(jì)的安裝諧振頻率，通常其工作頻率不大于安裝諧振頻率的20%。

3 不同安裝方式對靈敏度影響的驗(yàn)證試驗(yàn)

為進(jìn)行不同安裝方式對靈敏度影響的試驗(yàn)，將加速度計(jì)按不同的方式安裝在標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)臺(tái)面上，并同時(shí)將標(biāo)準(zhǔn)加速度計(jì)采用螺絲固定在標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)臺(tái)面上，按JJG233-2008《壓電加速度計(jì)》國家計(jì)量檢定規(guī)程中參考靈敏度的檢定方法，采用比較法對6種不同安裝方式下，壓電加速度計(jì)參考靈敏度的頻率響應(yīng)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

試驗(yàn)采用丹麥B&K公司4808型中頻標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)臺(tái)，1050型正弦信號(hào)發(fā)生器，2706型功率放大器及8305型標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)傳感器套組。分別在20Hz、40Hz、80Hz、160Hz、300Hz、500Hz、1000Hz和2000Hz 8個(gè)頻率點(diǎn)上測量加速度計(jì)的靈敏度，按式（3）計(jì)算加速度計(jì)靈敏度幅值 S2：

其中， S1為標(biāo)準(zhǔn)加速度計(jì)靈敏度幅值，為標(biāo)準(zhǔn)加速度計(jì)輸出值，mV或pC； X2為加速度計(jì)輸出值，mV或pC[4]。

按上述6種不同安裝方式進(jìn)行測量，經(jīng)過10次測量求得平均值，得到靈敏度頻率響應(yīng)，數(shù)值如表1所示。

以螺絲+蜂蠟方式160Hz時(shí)的靈敏度為基準(zhǔn)，各靈敏度頻率響應(yīng)的偏差如圖2 所示。

表1 各安裝方式下的靈敏度 單位： pC/(m·s-2)

圖2 靈敏度頻率響應(yīng)偏差

4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析及結(jié)束語

如圖2 所示，磁性座安裝方式在500Hz時(shí)，頻率響應(yīng)偏差超過了加速度計(jì)要求的2%；雙面膠帶安裝方式在1000Hz頻響有了接近5%的變化；而其它4種安裝方式在（20～2000）Hz范圍內(nèi)，頻率響應(yīng)都是比較平滑的，變化均在1%以內(nèi)。

試驗(yàn)表明：在進(jìn)行低頻（f＜300Hz）振動(dòng)測量時(shí)，6種安裝方式都能確保安裝附加偏差不超過1%。實(shí)際使用時(shí)，建議以方便的方式進(jìn)行安裝；當(dāng)要進(jìn)行頻率高于300Hz的振動(dòng)測量時(shí)，需采用氰基丙烯酸乙酯、蜂蠟、螺絲、螺絲+硅脂的安裝方式，其中螺絲、螺絲+硅脂的安裝方式最為可靠。

[1]李姣姣,王東波,趙祚喜,等.基于三軸轉(zhuǎn)臺(tái)的MEMS慣性傳感器參數(shù)測量方法[J].自動(dòng)化與信息工程,2012,33(5):10-14.

[2]李立,徐燕申,孫容照.加速度計(jì)安裝方式對振動(dòng)測量的影響[J].機(jī)械設(shè)計(jì),1989(1):30-34.

[3]GB/T14412-2005機(jī)械振動(dòng)與沖擊 加速度計(jì)的機(jī)械安裝[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2005.

[4]JJG 233-2006壓電加速度計(jì)[S].北京:中國計(jì)量出版社,2006.