壓電加速度計的校準分析

王春蔓

（海南省計量測試所，海南 海口 571137）

壓電加速度計是一種常用的傳感器，廣泛應用于振動監測、結構健康監測和工業自動化等領域。然而，由于環境條件的變化以及長期使用的影響，壓電加速度計的性能可能會出現漂移或偏差。因此，對壓電加速度計進行定期校準是確保其準確性和可靠性的重要手段。

1 概述

隨著現代科技的發展，將振動檢測技術應用于軍事、航空、汽車等各個產業領域。振動檢測與動態分析技術已成為機械設備和建筑結構設計、制造與應用中的主要技術手段。加速度傳感器是振動檢測系統的關鍵部件，所以對加速度傳感器的校準就顯得尤為重要。為了保證傳感器檢測結果的精度和可靠性。將校正的工作重點集中在以下兩個方面：靈敏度校正和頻率響應校正。

首先是靈敏度校準。在進行這一校準時，需要將被測傳感器與一個已知靈敏度的參考傳感器同時暴露在相同的振動條件下。通過比較兩個傳感器的輸出信號，可以確定被測傳感器的靈敏度。

其次是頻率響應校準。由于加速度傳感器在不同頻率下可能具有不同的響應特性，所以頻率響應校準也是必不可少的。校準過程中，使用特定的頻率信號源，依次改變信號頻率并記錄傳感器的輸出信號，以獲取傳感器對不同頻率振動的響應。

最后，進行校準后需要進行數據處理和分析。通過對比被測傳感器的輸出信號與參考傳感器（或標準）的測量結果，可以得出校準結果并進行修正。此外，還需要記錄和存儲校準相關的數據，以供后續驗證和參考使用。

2 壓電加速度傳感器的組成及工作原理

加速度傳感器，是一類專門用來檢測震動和沖擊加速度的電子儀器，一般和適調儀(如電荷放大器)配套應用。一般由質量塊、壓電敏感元件，以及基座等所構成。壓電加速度傳感器利用壓電器件的正壓電效應來工作。當被測振動物質上安裝加速度感應器時，質量塊受慣性運動的影響，壓電元件產生了與其受力成正比的電荷，進而把力學振動變換為可傳輸的無線電訊號。

壓電加速度傳感器使用壓電器件的正壓電效應測量。當加速度感應器被定位到被測量振動物上時，壓電元件受質量塊的慣性力影響，形成了與其受力成正比的電荷。在這里采用壓電敏感元件的理由是壓電材料可以形成電荷，并直接轉換為輸出信息的方式。壓電敏感元件可以采用多種材料，其中石英晶體和壓電陶瓷是較為常見的選項。常用的壓電陶瓷材料包括PZT（鉛鋯鈦酸鹽）和PZT-5H。這些材料具有壓電效應，即在機械應力或壓電外加電場的作用下會產生電荷。當加速度傳感器固定在振動物體上時，它會受到物體的加速度影響。由于質量塊的慣性，在物體發生加速度變化時，壓電元件產生同步的電荷變化。這樣，加速度傳感器可以將機械振動轉化為電荷信號，并通過適調儀進行放大和轉換，最終輸出可用的加速度值。壓電加速度傳感器的輸出電量與感受到的機械振動加速度的關系可以表示為以下公式：

式（1）中，Q表示壓電傳感器的輸出電量（通常是電荷或電壓），S表示壓電元件的靈敏度（與壓電材料和傳感器的設計有關），m表示質量塊的質量，a表示所受力產生的加速度。公式描述了壓電加速度傳感器的工作原理。當壓電傳感器固定在被測振動物體上時，它受到質量塊的慣性力作用，產生與所受力成正比的電量。這個電量可以通過適當的電路進行放大和轉換，以得到實際的加速度數值。需要注意的是，在高頻段，由于傳感器本身的固有頻率限制，輸出電量可能會出現衰減或失真。因此，在實際應用中，也需要考慮傳感器的頻率響應特性和校準方法。

為了進行精確檢測，加速度感應器的固有頻率必須遠大于被測振動頻率。當被測物體震動頻率遠小于加速度儀振蕩系統的固有頻率時，加速度感應器所輸出電量的瞬時值就和它所感知的機械振動加速度瞬時值成正比。也就是在極低頻狀態下，加速度感應器的輸出頻率與物體的加速度之間具有良好的線性關系。為了提高傳感器的靈敏度和準確度，在傳感器設計中，可以采用諧振器來限制傳感器的有效頻率范圍，使其更適合特定的應用場景。

綜上所述，壓電加速度傳感器是一種常見的傳感器，用于測量振動和沖擊加速度。它通過利用壓電元件的正壓電效應實現對加速度的感知和轉化為可輸出信號。在校準時，需要注意校準標準、校準頻率范圍，通過進行正確校準，可以提高加速度傳感器的測量精度和穩定性，確保其在各種應用場景下的準確可靠性。

3 中頻振動校準裝置校準壓電加速度傳感器工作原理及過程

壓電加速度傳感器具有許多優點，包括動態范圍大、頻率范圍廣、線性度好、體積小、穩定性高、不需要外部電源和易于安裝使用等。其中一個重要的環節是對壓電加速度傳感器進行校準，以確保其準確度和可靠性。在校準過程中，通常會使用振動校正裝置。振動校正裝置是一種標定儀器，能夠產生一定固定頻率的正弦信號，并通過功率放大來推動振動臺進行正弦振蕩。根據工作頻率范圍的不同，振動校正設備可分為高頻、中頻、低頻和極低頻的校準振動臺。以中頻振動校正設備為例，中頻振動校準裝置通常由信號發生器、功率放大器、振動臺和控制系統等組成。校準時，將被測壓電加速度傳感器固定在振動臺上，通過控制系統設置特定的頻率和振幅，在不同頻率下進行振動。校準過程中，需要記錄被測傳感器的輸出信號，并與標準傳感器或儀器進行對比。通過比較兩者的輸出信號，可以得出被測傳感器的靈敏度和頻率響應特性。通過校準結果和標定曲線的對比，可以進行修正，以確保傳感器的測量結果更加準確和可靠。

采用比較法進行加速度計的校準，可以將被測加速度計與標準加速度計背靠背地剛性連接。這樣，兩個加速度計接收到的振動信號將是相同的，并且它們之間的差異可以用于校準被測加速度計的準確度。

在校準過程中，需要將被測加速度計和標準加速度計同時固定在校準振動臺上，使它們能夠一起進行振動。這種背靠背的連接方式可以通過夾持裝置或其他適當的固定方法實現。

接下來，在信號發生儀中設置一個合適的頻率和幅值，用于產生校準信號。這個信號將傳遞給功率放大器，通過放大器對信號進行增強。接著，放大后的信號將驅動標準振動臺進行振動。振動臺的振動頻率和幅值應根據校準需求進行預先設定。裝置原理如圖1 所示。

圖1 中頻振動校準裝置原理圖

在選定的某一頻率（指定的）和某一指定的振動值下校準。被校傳感器的電壓輸出與所承受的振動值之比，即為被測傳感器的參考靈敏度。被測傳感器的參考靈敏度可以通過以下公式表示：

式（2）中，電壓輸出是被校傳感器在選定頻率和特定振動值下的輸出電壓，通常以毫伏（mV）為單位。

所承受的振動值代表被測傳感器在同樣條件下所測量到的振動值，一般以單位重力加速度（g）為單位。

假設被校傳感器在特定頻率為100 Hz的條件下，測得的輸出電壓為10 mV。同時，校準裝置測量到該傳感器在相同頻率下所承受的振動值為5 g。那么根據上述公式，靈敏度將為：

式（3）中，在選定的頻率和指定的振動值下，每個單位的振動值對應被測傳感器的輸出電壓增加2 mV，通過靈敏度的計算，了解到被測傳感器在特定條件下的輸出特性，并用于后續的數據分析和測量修正等工作。在特定條件下，如果每個單位的振動值對應被測壓電傳感器的輸出電壓增加2 mV，可以通過靈敏度來計算傳感器的輸出特性。

4 加速度傳感器校準時應注意的幾個問題

（1）加速度傳感器的安裝基本原則是確保傳感器能夠正確地測量振動信號，并且承受所需的加速度值。在進行校準時，被校加速度傳感器應背靠背安裝，即被測傳感器與振動臺內的標準加速度傳感器背部互相接觸，以最大限度地減小傳感器之間的干擾。此外，安裝加速度傳感器的平面應平整光潔，以確保傳感器與被測對象的緊密接觸。通常，使用鋼螺栓進行安裝是最佳方案，因為鋼螺栓具有頻響寬、承受高加速度的特點。選擇適當的安裝方式需要考慮被測對象的頻寬、加速度值和環境條件等因素。如表1 所示，在選擇適當的安裝方式時，還需考慮其他因素，例如結構的振動模式、安裝的可靠性以及維護和更換的方便性等。選擇適當的安裝方式需要綜合考慮被測對象的頻寬、加速度值和環境條件等因素，在實際應用中進行合理的選擇與安裝。

表1 加速度傳感器被測對象的頻寬、加速度值和環境條件等因素

（2）當使用鋼性螺栓安裝加速度傳感器時，建議在加速度計與振動臺安裝表面之間均勻涂抹蜂蠟或硅脂薄膜，以增加接觸剛度。這樣可有效提高傳感器與被測對象之間的機械接觸，并保持接觸的穩定性和一致性。通過增加接觸剛度，可以使傳感器在高頻段的響應曲線更加平坦，從而獲得更準確的校準結果。在使用鋼性螺栓安裝加速度傳感器時涂抹蜂蠟或硅脂薄膜對接觸剛度的影響公式如下：

式（4）中，K表示接觸剛度（單位為N/m），F表δ示施加在傳感器和被測表面之間的力（單位為N），δ表示力造成的位移量（單位為m）。通過涂抹蜂蠟或硅脂薄膜，可以增加傳感器與被測對象之間的機械接觸，提高接觸剛度。

（3）在低頻段的校準中，需要盡可能減小電纜的抖動和基座的應變。因為晃動會導致低頻段的互相干擾，影響測量結果的準確性。為了減小這種影響，可以采取一些措施，例如使用固定夾具來固定電纜，或者使用柔軟的連接材料來減少基座的應變。如表2所示，通過以上措施，可以有效減小低頻段校準中的電纜抖動和基座應變問題。固定電纜可以消除電纜的雜散振動，減少測量結果中的干擾頻率成分。使用柔軟連接材料可以減小基座應變，避免基座本身對傳感器的影響。排除外部干擾源和使用低振動環境可以進一步減小測量誤差。采用多次校準可以獲得更可靠的平均值，減小個別誤差對測量結果的影響。

表2 在低頻段校準壓電加速度傳感器時對測量結果準確性

（4）在進行輸出與輸入量的幅值比較時，可以選擇峰值、平均值或有效值作為單位。但無論選擇何種單位，必須確保輸出和輸入的單位是統一的，以便進行準確的數據分析和校準。峰值反映了信號的最大振幅。例如，在振動測試中，可以比較加速度傳感器輸出的峰值加速度與輸入振動的峰值加速度。這種比較可以幫助確定傳感器的靈敏度和效果，以及是否存在信號失真或放大問題。在進行比較之前還要考慮其他因素，如誤差源、傳感器線性度、動態響應等。因此，進行準確的數據分析和校準需要綜合考慮多種因素，并采用適當的方法和工具。技術人員應不斷加強專業知識，并熟練掌握相關技術和工具，以提高測量精度和數據可靠性。

5 結語

總而言之，正確校準壓電加速度計不僅確保了測量數據的準確性和可靠性，還可以保證設備的正常運行并為技術人員提供可靠的工具和數據支持。定期進行校準工作是一個必不可少的步驟，這一步驟對于各行各業的技術人員以及整個工程領域都發揮著重要的作用。為了應對各行各業對測量需求的多樣性，研究人員將繼續探索和創新新型的校準方法。例如，基于機器學習和人工智能的校準算法可以針對復雜環境下的干擾進行自適應校準，進一步提高校準的準確性和適用性，為工程和科學研究提供更多的數據支持和可視化展示。