（振動與沖擊傳感器）基座應變靈敏度測試方法的研究

李群

摘要：依照現有的國際標準ISO 5347-13[1]和國家標準GB/T 13823.6—1992[2]，對（振動與沖擊傳感器）基座應變靈敏度的測試現狀以及實驗數據進行分析，設計加工一整套專用的測試系統，根據檢測過程中遇到的問題，對測試系統加以改進，提高基座應變靈敏度測量的準確性和合理性。

關鍵詞：振動 基座應變 靈敏度 測試

（Vibration and Shock Sensor） Research on Test Method of Base Strain Sensitivity

Li Qun（Fujian Metrology Institute ）

Abstract： This paper is based on the existing international standard ISO 5347-13 and the national standard GB/T 13823.6—1992. The test status of the susceptor strain sensitivity and the experimental data are analyzed. A set of dedicated test system is designed and processed. According to the problems encountered during the test， the test system is improved to improve the accuracy of the susceptibility measurement of the pedestal and rationality.

Key words：? vibration， base strain， sensitivity， test

1 引言

（振動與沖擊傳感器）基座應變靈敏度的測試是基于ISO 16063-1中提到的振動與沖擊傳感器測試過程中八個亂真響應（包括磁場靈敏度、溫度靈敏度、扭矩靈敏度等）中的一種。基座應變靈敏度測試在現階段很少被人提及，是因為對于它的測試不確定的分量太多，很多人根據國際標準或國家標準中的測量方法，很難得到比較理想的實驗結果，或是得出的實驗數據并不能很好地驗證其準確性。本文深入分析了國家標準的測量方法，對測試難點進行反復論證，盡量用理論公式和實驗數據說話，將基座應變靈敏度的測試原理和測試方法進行逐一分解，為后續的基座應變靈敏度測試的改進提供新的思路和目標。為我國振動與沖擊傳感器基座應變靈敏度的測試開辟一條新的出路。

2 影響基座應變靈敏度的因素

1） 傳感器內部結構

振動傳感器的結構分為壓縮式和剪切型兩種，剪切型傳感器相對于壓縮式傳感器技術含量高，機械加工和裝配過程都比較復雜，所以售價較昂貴。在振動測量過程中，壓縮式振動傳感器的敏感元件直接安放在傳感器底座上面，兩者是面與面的接觸，所以，基座由于應變產生的形變的影響比較大。

見圖1。

而剪切型振動傳感器的敏感元件是以線的形式垂直固定在傳感器的底座上，且與傳感器的底座完全隔離，因此，它不會直接感受到傳感器的振動量以及由于基座形變產生的振動輸出。見圖2。

2） 傳感器底座面積

基座產生應變力的大小與傳感器的接觸面積有較大的關系，傳感器底座面積越大，傳導由基座產生的形變越大。若屬于壓縮式傳感器，其壓電片在底面，則底座接觸面積越大，基座應變靈敏度越大。而剪切型的傳感器敏感元件與底座沒有直接接觸，底座表面積的增大對其影響并不會太大。但通常來說，底座面積越大的傳感器，其基座應變的靈敏度也越大。

3 基于懸臂梁（自由振動）的靈敏度測量

依照國家標準GB/T 13823.6—1992《振動與沖擊傳感器的校準方法 基座應變靈敏度測試》中提到的測試方法，取一懸臂梁（長度l=1 500 mm，寬度b=76 mm，厚度h=12.5 mm），將其一端固定，另一端施加一外力做自由振動，傳感器距固定端40 mm，當材質為45#鋼時，固有頻率=4.65Hz（其中E是彈性模量，L為懸臂梁長度，I為截面慣性矩，A為橫截面積，P為密度），在傳感器四周貼應變片，前后對稱均勻分布，采用全橋放大電路。見圖3、圖4。

以廈門乃爾電子有限公司生產的CAYD149V系列加速度傳感器為例，分別對最大應變電壓輸出和加速度計幅值進行捕捉，計算該加速度的基座應變靈敏度。捕捉結果見圖5、圖6。

其中應變采集系統的系統靈敏度為：S=1V/ε，考慮到懸臂梁為自由振動，測量有效信號選取為觸發信號后0 s～2 s內的有效值。

在該時段內加速度傳感器加速度有效值為：

故加速度傳感器基座應變靈敏度為：

Sa=0.0000872gpk/με

該測試裝置最大的缺陷是由于懸臂梁的振動屬于自由振動，其振幅是處在不斷衰減的過程，因此如何采集到懸臂梁的最大振幅下被測傳感器瞬間產生的基座應變就顯得尤為困難。其次，在多次測試過程中，由于始終無法保證應變力方向和振動幅值方向的一致性，有時可能會造成應變力和加速度幅值疊加的現象，無法準確地剝離單純的自由振動幅值，使得最后的基座應變靈敏度值過大。

4 穩態正弦激勵基座應變靈敏度測量

基于以上測試方法，經過多年研究，研制出一套基于穩態正弦激勵的基座應變靈敏度測試裝置，見圖7。

懸臂梁a端為固定端，裝有被校傳感器及應變片;懸臂梁b端為自由端，受電磁激勵裝置激勵從而產生振動，運動方向為垂直紙面方向。 裝置工作時，通過上位機設定懸臂梁的振動頻率及 a 端的基座應變 ε0，并將該指令傳達給測控儀，測控儀中的信號源模塊設定對應頻率和一定幅值的電壓信號傳輸給功率放大器，功率放大器輸出驅動電磁激勵裝置產生正弦激振力，懸臂梁 b 端即產生相應頻率的受迫振動。在懸臂梁 a 端產生的應變以及被校傳感器輸出被測控儀中的數據采集器采集后，經上位機計算可以得到傳感器的基座應變靈敏度。

5 新裝置的優點

穩態正弦激勵裝置與GB/T 13823.6—1992《 振動與沖擊傳感器的校準方法 基座應變靈敏度測試》中測試方法相比，具有以下優點：

（1）此裝置將懸臂梁垂直懸掛，避免了水平放置時懸臂梁因自重而產生彎曲對校準結果的影響。

（2）此裝置通過電磁激勵的方式使得懸臂梁產生振幅穩定的受迫振動，避免了在先前裝置中因通過瞬態激勵產生自由振動導致的振幅衰減的問題。

（3）此裝置懸臂梁的振動頻率在一定范圍內可調節（0～6）Hz，可以得到多個頻率點下傳感器的基座應變靈敏度，而不局限于懸臂梁的振動固有頻率。

（4）此裝置限制了懸臂梁自由端的振幅，防止因振幅過大可能產生的塑性變形以及裝置損壞。

6 實驗結論

在實驗過程中，我們對四種不同類型傳感器進行多頻點下的基座應變靈敏度測試，實驗數據見表1、表2。

從實驗數據表1中可以看出，傳感器本身的結構類型直接關系到壓電加速度計的基座應變靈敏度大小，例如壓縮式傳感器JC-6，其基座應變靈敏度就比其他剪切式結構的傳感器大1～2個數量級，這種影響從表中的實驗數據中就可以很明顯地感知。從表2中可以看出，傳感器在（250～300）με振級時，其基座應變靈敏度最小，而在兩端會逐漸增大，且在100με時達到最大值。

另外，傳感器底座接觸面的大小也影響著基座應變靈敏度。原則上應該是基座面積越大，其影響越明顯。但從圖中得出的一些數據來看，B&K4384的底座面積比東方所9818更小，但測出的基座應變靈敏度卻更大些，顯然還有些其他因素在影響著傳感器的基座應變靈敏度的大小，我們將在后續進行更深入的研究和試驗，解開更多的困擾。

參考文獻

[1]? Methods for the calibration of vibration and shock?? ? ? ?pick-ups—Part 13： Testing of base strain sensitivity：?? ? ? ?ISO 5347-13：1993[S/OL].[1993-12-01].http：//www.? ? ? ?iso.org/standard/11359.html.

[2]? 全國機械振動與沖擊標準化技術委員會.? 振動與沖擊傳感? ? ? 器的校準方法 基座應變靈敏度測試：GB/T 13823.6—? ? ? 1992[S]. 北京：中國標準出版社， 1993.