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不同安装方式对压电加速度计灵敏度的影响
周长华马青亮黄锋
(广州计量检测技术研究院)
摘要:灵敏度是压电加速度计的主要参数,不同的安装方式会对其灵敏度造成一定的影响。在理论推导的
基础上,采用试验方法验证了不同安装方式对压电加速度计灵敏度的影响,对压电加速度计的使用提供指导。
关键词:振动;压电加速度计:灵敏度:安装方式
0引言
2加速度计的安装及对测量的影响
振动是工程技术和日常生活中常见的物理现
2.1加速度计安装方式
象。大多数情况下,振动是有害的,它对仪器设备
在结构上选择加速度计的安装位置,应尽可能
的精度、寿命和可靠性都有一定的影响。当然,振
靠近其要求的测量部位,使它们具有同样的振动,
动也有可利用的一面,如应用于输送、清洗、磨削
且使加速度计的灵敏轴与测量方向一致,否则由于
和监测等场合。无论是利用振动还是防止振动,都
横向灵敏度将导致附加误差。加速度计的引入,将
须确定其量值,即能够准确测量。
影响结构的振动,因此一方面要选择重量合适的加
1加速度计
速度计;另一方面,应使安装谐振频率远离测量频
率,避免其输出信号与加速度计所承受运动的比发
压电式加速度传感器又称压电加速度计,主要
生畸变2。
由质量块、压电敏感元件和基座等组成,它是基于
国家标准GB/T14412-2005《机械振动与冲击
压电晶体的压电效应工作的。某些晶体在一定方向
加速度计的机械安装》明确要求加速度计安装的程
上受力变形时,其内部会产生极化现象,同时在它
序及要求。
的两个表面上产生符号相反的电荷;当外力去除后,
常见的传感器安装方式有6种:磁性座、氯基
又重新恢复到不带电状态,这种现象称为压电效应,
丙烯酸乙酯、双面胶带、蜂蜡、螺丝、螺丝十硅脂
具有压电效应的晶体称为压电晶体。常用的压电晶
用磁铁安装加速度计十分方便且容易操作,然
体有石英、压电陶瓷等リ。
而该方法会降低加速度计可用的频率带宽。磁铁不
在加速度计受振时,质量块加在压电元件上的
会随着环境的影响而改变,但是磁铁的安装会大幅
力也随之变化。当被测振动频率远低于加速度计的
地降低共振的频率,因此,磁铁安装常用于低频测
固有频率时,则力的变化与被测加速度成正比。
试。加速度计重量大于50g时,可考虑用磁铁安装。
压电加速度计属发电型传感器,可视为电压源
此类加速度计一般有很高的灵敏度和很容的带宽,
或电荷源,输出电压或电荷与振动加速度的比值即
这时磁铁引起的共振是可以忽略不计的,磁铁的额
为传感器灵敏度。灵敏度有电压灵敏度和电荷灵敏
外重量会加重运动物体负荷,测量时应考虑此重量
度两种表示方法。前者是加速度计输出电压(mV
对测量造成的误差。此安装方式的优点:使用方便,
与所承受加速度之比;后者是加速度计输出电荷与
使用温度范围宽,支撑重量良好,可改变尺寸;缺
所承受加速度之比。灵敏度是压电加速度计的主要
点:带宽变小,在使用磁铁粘接加速度计时需要十
技术参数。
分的谨慎。
2014年第35卷第2期自动化与信息工程25
氰基丙烯酸乙酯即502的主要成分,使用温度
该系统共振频率为
范围通常在-18C~+121C,它是一种用于粘合坚
固塑料的胶液,可用于粘接金属、玻璃、橡胶和各
种塑料。其优点:室温时粘接效果好,凝固时间较
由于加速度计的质量陽1一般只有几十克,远远
决,频率响应宽,温度范围宽;缺点:在拆卸传感
小于振动面的质量mB2,因此式(1)可以简化为
器之前需要用溶剂溶解胶才能取下传感器,拆卸时
间长,不能在粗糙表面上使用。
双面胶带有良好的温度使用范围,它类似于氰
基丙烯酸乙酯可直接粘合。其优点:使用方便,温
由式(2)可以看出:在加速度计质量不变的情
度使用范围宽;缺点:振幅范围有限,当粘接较高
况下,不同安装方式的k1不同,导致共振频率的不
或顶置接头的加速度计时,电缆的运动会影响加速
度计精度。
加速度计的使用上限频率取决于幅频曲线中的
蜂蜡是一种可用于低温或常温的粘接剂,和氰
共振频率,接近共振频率时会导致输出信号的踦变。
基丙烯酸盐一样,在应用温度范围内有很好的频率
一般要求,最高工作频率应远低于所选用加速度计
响应。其优势:使用方便,携带方便,粘接迅速,
的安装谐振频率,通常其工作频率不大于安装谐振
拆卸方便、迅速;缺点:受温度影响较大,不易涂
频率的20%
抹均匀。
3不同安装方式对灵敏度影响的验证试验
用螺丝固定,是使共振频率能达到出厂共振频
为进行不同安装方式对灵敏度影响的试验,将
率的最好方法。螺丝不得全部拧入基座螺孔,以免
加速度计按不同的方式安装在标准振动台面上,并
引起基座变形,影响加速度计的输出。在安装面上
同时将标准加速度计采用螺丝固定在标准振动台面
涂一层硅脂可增加不平整安装表面的连接可靠性。
上,按JG233-2008《压电加速度计》国家计量检
需要绝缘时可用绝缘螺栓和云母垫片固定加速度
定规程中参考灵敏度的检定方法,采用比较法对6
计,但垫圈应尽量簿。也可用一层簿蜡把加速度计
种不同安装方式下,压电加速度计参考灵敏度的频
粘在试件平整表面上
率响应进行试验验证
由于安装方式的不同,连接加速度计和振动面
试验采用丹麦B&K公司4808型中频标准振动
的介质弹性系数k不同,k越小,共振频率就越小,
台,1050型正弦信号发生器,2706型功率放大器及
工作频率范围也就越小
8305型标准振动传感器套组。分别在20Hz、40Hz、
2.,2加速度计振动模型
80Hz、160Hz、300Hz、500Hz、1000Hz和2000Hz
根据动力学
8个频率点上测量加速度计的灵敏度,按式(3)计
模型,压电加速
算加速度计灵敏度幍值S2
度计等效为线性
k
S
弹簣质量系统
结构,线性弹簧
其中,S1为标准加速度计灵敏度轁值,
质量系统结构示
mV/(m-s-2)或pC/(m:s2);X1为标准加速度计
m1为加速度计:m2为振动面
意图如图1所
输出值,mV或pC:X2为加速度计输出值,mV
图1线性弹簧-质量系统结构示意图
或pC