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        2270型壓電加速度計(jì)安裝方向?qū)y(cè)量結(jié)果影響的研究

        2020-09-18 09:47:34張潔文張強(qiáng)劉科
        計(jì)測(cè)技術(shù) 2020年4期
        關(guān)鍵詞:加速度計(jì)壓電諧振

        張潔文,張強(qiáng),劉科

        (中國(guó)工程物理研究院計(jì)量測(cè)試中心,四川綿陽(yáng)621900)

        0 引言

        壓電加速度計(jì)在振動(dòng)沖擊試驗(yàn)、精密機(jī)械加工、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景的不同,將壓電加速度計(jì)分為標(biāo)準(zhǔn)壓電加速度計(jì)和工作壓電加速度計(jì)[1]。標(biāo)準(zhǔn)壓電加速度計(jì)的壓電晶體與其頂端相連,工作壓電加速度計(jì)的壓電晶體與其底面相連。

        某2270型壓電加速度計(jì)屬于標(biāo)準(zhǔn)壓電加速度計(jì),通常用來(lái)對(duì)工作加速度計(jì)開(kāi)展量值傳遞工作,也可用于振動(dòng)臺(tái)的反饋控制,其主要特性參數(shù)為靈敏度。文獻(xiàn)[2]至文獻(xiàn)[7]討論了螺栓安裝、磁座安裝、粘合劑安裝、絕緣塊安裝等不同方式對(duì)加速度計(jì)的安裝諧振頻率和靈敏度產(chǎn)生影響,但對(duì)于加速度計(jì)安裝方向并未討論。根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景的不同,壓電加速度計(jì)有兩種不同的安裝方向,本文通過(guò)理論分析與試驗(yàn)研究,討論了在沖擊法校準(zhǔn)(比較法校準(zhǔn))以及振動(dòng)法校準(zhǔn)(絕對(duì)法校準(zhǔn))下的安裝方向?qū)y(cè)量結(jié)果的影響。

        1 工作原理

        壓電加速度計(jì)利用壓電晶體的正壓電效應(yīng)(即壓電晶體輸出的電荷量與其所受交變慣性力的大小成正比[1])進(jìn)行工作。當(dāng)壓電加速度計(jì)受到交變力作用時(shí),壓電晶體的加速度與其所受交變力的關(guān)系表示為

        式中:F為壓電晶體受到的交變力;m為壓電晶體的質(zhì)量;a為壓電晶體的加速度。

        壓電晶體輸出的電荷量與其所受交變力關(guān)系表示為

        式中:dij為與壓電晶體特性相關(guān)的常數(shù);Q為電荷量。

        2 結(jié)構(gòu)及簡(jiǎn)化模型

        2270型壓電加速度計(jì)內(nèi)視圖如圖1所示。采用倒裝式結(jié)構(gòu),基座與加速度計(jì)的頂部相連,彈簧、壓電元件、質(zhì)量塊安裝于基座上,此結(jié)構(gòu)形式,保證了該加速度計(jì)在各種應(yīng)用場(chǎng)景下均有良好的特性[8]。

        圖1 2270型壓電加速度計(jì)內(nèi)視圖

        為便于分析,可將其簡(jiǎn)化為二階彈簧振子模型[9],如圖2所示。

        圖2 2270型壓電加速度計(jì)簡(jiǎn)化模型

        其振動(dòng)方程可表示為

        式中:m為質(zhì)量;c為阻尼系數(shù);k為剛度系數(shù);x為壓電晶體的位移;F(t)為作用于壓電加速度計(jì)的外力。

        當(dāng)初始狀態(tài)為0,對(duì)式(3)進(jìn)行拉普拉斯變換,可得其傳遞函數(shù)為

        假設(shè)安裝基座的質(zhì)量為無(wú)窮大,典型的壓電加速度計(jì)的無(wú)阻尼固有頻率fn可表示為

        考慮實(shí)際工作情況,當(dāng)安裝基座質(zhì)量有限時(shí),安裝諧振頻率fB可表示為

        式中:B為安裝基座的質(zhì)量。當(dāng)安裝基座的質(zhì)量為被校加速度計(jì)質(zhì)量的10倍以上,相比被校加速度計(jì)的安裝諧振頻率,安裝基座的諧振頻率較高。

        3 安裝諧振頻率對(duì)靈敏度影響分析

        根據(jù)式(4)建立的傳遞函數(shù),將壓電加速度計(jì)的靈敏度設(shè)為1,對(duì)阻尼比為0.3,安裝諧振頻率fB為30,100 kHz的壓電加速計(jì)分別進(jìn)行仿真分析,如圖3所示。

        圖3 不同安裝諧振頻率下被校加速度計(jì)輸出信號(hào)與輸入信號(hào)比值隨輸入信號(hào)頻率變化曲線

        圖3 表明,安裝諧振頻率過(guò)低會(huì)導(dǎo)致加速度計(jì)的靈敏度頻率響應(yīng)較差,具體表現(xiàn)為輸入信號(hào)頻率較高時(shí),輸出信號(hào)異常偏大,導(dǎo)致計(jì)算出的被校加速度計(jì)靈敏度偏大[10]。

        4 安裝方向?qū)y(cè)量結(jié)果影響試驗(yàn)

        4.1 沖擊法校準(zhǔn)試驗(yàn)

        如圖4(a)所示,將被校加速度計(jì)UP方向向下、標(biāo)準(zhǔn)加速度計(jì)UP方向向上,使用螺栓剛性安裝在沖擊臺(tái)POP上,此方向?yàn)闆_擊法背靠背安裝;如圖4(b)所示,將被校加速度計(jì)UP方向向上、參考加速度計(jì)UP方向向上,使用螺栓剛性安裝在沖擊臺(tái)POP上,此方向?yàn)闆_擊法正向安裝;兩種安裝方向的校準(zhǔn)結(jié)果如表1所示。

        圖4 加速度計(jì)沖擊法校準(zhǔn)安裝方向

        表1 沖擊法校準(zhǔn)在不同安裝方向下的校準(zhǔn)結(jié)果

        在相同試驗(yàn)條件下,開(kāi)展了多組重復(fù)試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果與表1中的試驗(yàn)結(jié)果相近,以表1數(shù)據(jù)為例進(jìn)行分析,比較兩種安裝方向的校準(zhǔn)結(jié)果可知:與背靠背安裝相比,正向安裝的靈敏度及靈敏度幅值線性度偏大。這是由于正向安裝下,被校加速度計(jì)的殼體不是絕對(duì)的剛體,導(dǎo)致被校加速度計(jì)的安裝諧振頻率降低,兩只加速度計(jì)的振動(dòng)量級(jí)不同,根據(jù)分析,安裝諧振頻率降低,會(huì)導(dǎo)致被校加速度計(jì)在高頻段靈敏度偏大,且隨著加速度變大,脈寬降低,脈沖信號(hào)中所含的高頻信號(hào)增多,被校加速度計(jì)甚至?xí)l(fā)生諧振,靈敏度異常;而背靠背安裝保證了兩只傳感器的安裝諧振頻率一致,兩者的振動(dòng)量級(jí)相同,校準(zhǔn)結(jié)果合理。

        因此,使用沖擊法(比較法)校準(zhǔn)加速度計(jì)時(shí),應(yīng)將被校加速度計(jì)與標(biāo)準(zhǔn)加速度計(jì)背靠背安裝在沖擊臺(tái)上。

        4.2 振動(dòng)法校準(zhǔn)試驗(yàn)

        振動(dòng)法校準(zhǔn)試驗(yàn)的基本原理是使用被校加速度計(jì)和激光干涉儀同時(shí)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)臺(tái)輸出的同一振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行測(cè)量,根據(jù)二者測(cè)量結(jié)果計(jì)算被校加速度計(jì)的靈敏度,實(shí)現(xiàn)對(duì)壓電加速度計(jì)靈敏度的校準(zhǔn)。

        圖5 加速度計(jì)振動(dòng)法校準(zhǔn)安裝方向

        如圖5(a)所示,將被校加速度計(jì)下底面與標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面使用螺紋連接,測(cè)量鏡貼在被校加速度計(jì)上底面上,激光照射在測(cè)量鏡上,此方向?yàn)檎駝?dòng)法正向安裝;如圖5(b)所示,將被校加速度計(jì)上底面與標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面使用螺紋連接,測(cè)量鏡貼在標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)臺(tái)上,激光照射在測(cè)量鏡上,此方向?yàn)檎駝?dòng)法倒置安裝。兩種安裝方向的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)如表2所示。

        相同的試驗(yàn)條件下,開(kāi)展了多組重復(fù)試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果與表2中的試驗(yàn)結(jié)果相近,以表2數(shù)據(jù)為例進(jìn)行分析,比較兩種安裝方向的校準(zhǔn)結(jié)果。正向安裝時(shí),加速度計(jì)所測(cè)量的加速度與激光所測(cè)的加速度相同,均為加速度計(jì)上底面所感受的加速度,未出現(xiàn)由于諧振頻率不一致導(dǎo)致的被校加速度計(jì)與激光法所測(cè)的加速度不一致現(xiàn)象,因此,校準(zhǔn)結(jié)果正常。倒置安裝的被校加速度計(jì)靈敏度頻率響應(yīng)特性較差,輸入信號(hào)頻率大于5000 Hz時(shí)的靈敏度相對(duì)于160 Hz時(shí)的靈敏度,已經(jīng)有10%以上的正向偏差。原因在于,被校加速度計(jì)并非與標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)臺(tái)剛性連接,其安裝諧振頻率比安裝基座的諧振頻率低,而此時(shí)激光法所測(cè)的加速度為安裝基座的加速度,因此二者的諧振頻率不一致,導(dǎo)致了被校加速度計(jì)與激光所測(cè)的加速度不同,對(duì)于同一振動(dòng)輸入,被校加速度計(jì)的測(cè)量結(jié)果偏大,因此,加速度計(jì)的靈敏度會(huì)異常偏大,且輸入信號(hào)頻率越高(低于被校加速度計(jì)的安裝諧振頻率),靈敏度越大。

        因此,使用振動(dòng)法(絕對(duì)法)校準(zhǔn)2270型加速度計(jì)或與其具有相似倒裝結(jié)構(gòu)的加速度計(jì)時(shí),應(yīng)將被校加速度計(jì)正向安裝于標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面,并將激光照射于被校加速度計(jì)的上底面。

        表2 振動(dòng)法校準(zhǔn)在不同安裝方向下的校準(zhǔn)結(jié)果

        5 結(jié)論

        在標(biāo)準(zhǔn)加速度計(jì)的計(jì)量校準(zhǔn)和應(yīng)用中,不合理的安裝方向會(huì)導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果錯(cuò)誤。JJG 233-2008《壓電加速度計(jì)檢定規(guī)程》對(duì)使用比較法校準(zhǔn)時(shí)的加速度計(jì)安裝進(jìn)行了規(guī)定,但未解釋其原因,針對(duì)絕對(duì)法校準(zhǔn)的加速度計(jì)安裝及激光測(cè)振儀安裝則未做詳細(xì)說(shuō)明。針對(duì)這一問(wèn)題,本文介紹了壓電加速度計(jì)的工作原理,分析了2270型壓電式加速度計(jì)的結(jié)構(gòu)形式,討論了安裝方向以及安裝諧振頻率對(duì)于被校壓電加速度計(jì)靈敏度的影響,然后開(kāi)展了試驗(yàn)研究。通過(guò)理論分析、試驗(yàn)研究,得出了在對(duì)標(biāo)準(zhǔn)加速度計(jì)進(jìn)行沖擊(比較法)校準(zhǔn)以及振動(dòng)(絕對(duì)法)校準(zhǔn)時(shí)的正確安裝方向,對(duì)于開(kāi)展標(biāo)準(zhǔn)加速度計(jì)校準(zhǔn)工作有重要參考意義。

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