王玲/陜西省計量科學研究院

0 引言

阻抗頭是測量機械阻抗的換能原件，是測量點阻抗必不可少的傳感器。它的性能優(yōu)劣對測試結果有著很大影響。壓電式阻抗頭是一種壓電式力和加速度的復合傳感器，可以同時測量結構同一點的力值和加速度值。眾所周知，對結構的機械阻抗的測量是對結構進行模態(tài)分析和動特性研究的基礎[1]，對于由阻抗頭獲得的機械阻抗的數據準確度要求高，所以此類傳感器的標定就越來越受到重視。利用實驗室現有的中頻振動標準裝置來標定此類傳感器動態(tài)指標（參考靈敏度、頻率響應、幅值線性度），保證了該類傳感器量值傳遞的準確性。

阻抗頭結構如圖1所示[2][3]，它是一個壓電式力傳感器和一個壓電式加速度傳感器構成的組合體，兩者背對背地安裝在同一基座上。標定時，阻抗頭安裝在中頻標準振動臺上，由阻抗頭的力輸出端和加速度輸出端分別獲得力和加速度信號。

圖1 阻抗頭的構成

1 測試方法

根據壓電式阻抗頭的原理分析，設計了阻抗頭的標定方法。

1）壓電加速度傳感器靈敏度的標定通常是在中頻振動標準裝置上進行的。將被檢加速度傳感器固定在標準振動臺上，由振動臺產生一個正弦振動量，當傳感器承受機械振動后，將產生一個與振動加速度成正比的電壓輸出，通過數字電壓表測量其輸出電壓，傳感器的加速度靈敏度S為輸出電壓與振動加速度之比。即

式中：U——傳感器的輸出電壓，mV；

a——振動加速度，m/s2

用中頻振動標準裝置依據JJG 233-2008《壓電加速度計檢定規(guī)程》[4]來標定阻抗頭加速度輸出的動態(tài)指標（參考靈敏度、頻率響應、幅值線性度）。以丹麥B&K公司型號8001，編號10486的阻抗頭為例，其標定原理如圖2所示。

標準振動臺產生振動源，標準傳感器測量振動源加速度。因為被檢傳感器為電荷輸出，所以傳感器輸出端先通過電荷放大器將電荷轉換成電壓，并通過PULSE多功能分析儀進行相應的參數設置，由傳遞函數直接獲得阻抗頭加速度輸出端動態(tài)靈敏度值[5]。以 160 Hz、20 m/s2時的靈敏度為參考靈敏度，表1和表2分別為其靈敏度頻率響應和幅值線性度。

以160 Hz、20 m/s2下的加速度靈敏度作為參考靈敏度，頻率響應、幅值線性度均符合JJG 233-2008要求。

2）壓電式力傳感器是利用壓電晶體的縱向壓電效應將力轉換成電荷信號。根據力學基本原理，用中頻比較法振動標準裝置進行標定。其原理為：中頻振動是振動臺產生一個加速度正弦波形。當在波峰時，加速度最大且方向向上；而在波谷時，加速度也同樣最大且方向向下。因此可以用標準質量塊加在被檢測的壓電式力傳感器的上方，背靠背的剛性連接，并和標準傳感器一起安裝在振動臺上。振動臺振動時，標準質量塊在波峰和波谷分別受到最大的慣性力，對被測傳感器就施加一個拉力和壓力，根據牛頓第三定律：

圖2 阻抗頭加速度輸出標定原理

表1 靈敏度頻率響應

表2 靈敏度幅值線性

通過PULSE多功能分析儀進行相應的參數設置，可以同時采集振動臺上標準加速度傳感器和被檢的力傳感器的輸出信號，選用不同的標準質量塊，將有不同的慣性力施加在被校力傳感器上，得到如下公式：

得出：s(m2a2-m1a1)=U2-U1

式中：m1——標準質量塊（98.67 g）；

m2——標準質量塊（197.38 g）；

s——被測壓電式力傳感器的靈敏度；

a1、a2——振動加速度；

U1、U2——被測壓電式力傳感器對應于m1、m2時的電壓輸出

用中頻振動標準裝置，依據JJG 632-1989《動態(tài)力傳感器》檢定規(guī)程[6]來標定阻抗頭力輸出的動態(tài)指標（參考靈敏度、頻率響應）。以丹麥B&K公司的型號8001、編號10486的阻抗頭為例，其標定原理如圖3所示。

PULSE多功能分析儀采集數據并代入式（3）得到被校傳感器160 Hz的壓向靈敏度系數如表3（電荷放大器歸一化擋為10 pC/m·s-2、衰減擋為10 mV·m·s-2）所示。

同樣原理，改變振動臺的頻率，得到如表4所示被校傳感器在各個頻率點的動態(tài)響應。

圖3 阻抗頭力輸出校準原理

表3 阻抗頭160 Hz下力值靈敏度

表4 阻抗頭力輸出的頻率響應

壓電式力傳感器的壓向靈敏度，在信號分析儀上讀取時域信號波谷的加速度值和電壓值，運用同樣的方法得到壓電式力傳感器的壓向靈敏度。以160 Hz下的力傳感器靈敏度作為參考靈敏度，頻率響應符合JJG 632-1989要求。

2 結語

本文分析了壓電式阻抗頭的原理，并利用現有的中頻振動標準裝置設計了此類傳感器的標定方法，標定了其動態(tài)指標（參考靈敏度、頻率響應、幅值線性度），保證了該類傳感器的量值傳遞的準確性。