王玲 鄭慧慧 贠韞 / 陜西省計(jì)量科學(xué)研究院

0 引言

壓電加速度計(jì)是常見的振動(dòng)類傳感器，廣泛應(yīng)用于振動(dòng)噪聲控制領(lǐng)域，如航空航天、汽車和船舶、建筑測量、機(jī)械制造、旋轉(zhuǎn)機(jī)械和電力系統(tǒng)。壓電加速度計(jì)根據(jù)壓電元件所處的不同位置分為標(biāo)準(zhǔn)壓電加速度計(jì)和工作用壓電加速度計(jì)。標(biāo)準(zhǔn)壓電加速度計(jì)的壓電元件在加速度計(jì)的頂端，工作用壓電加速度計(jì)的壓電元件在其底端[1-3]。

1 工作原理

壓電加速度計(jì)主要由質(zhì)量塊、壓電元件和基座組成，利用壓電元件的正壓電效應(yīng)進(jìn)行工作。即當(dāng)加速度計(jì)測振時(shí)，壓電元件受到質(zhì)量塊的慣性力作用，產(chǎn)生與所受力成正比的電荷，該電荷與質(zhì)量塊的加速度成正比[4]。

2 8305型標(biāo)準(zhǔn)壓電加速度計(jì)結(jié)構(gòu)

丹麥B&K公司生產(chǎn)的8305型壓電加速度計(jì)（以下簡稱壓電加速度計(jì)）屬于標(biāo)準(zhǔn)壓電加速度計(jì)，其解剖圖如圖1所示。雙端安裝，采用PZ100石英晶體壓電元件，內(nèi)部結(jié)構(gòu)為倒置中心壓縮式設(shè)計(jì)，主要由基座、中心螺桿、壓電轉(zhuǎn)換元件、慣性質(zhì)量塊和預(yù)緊簧片組成，外殼與慣性質(zhì)量塊、彈簧系統(tǒng)不直接接觸，可隔離一部分外界非振動(dòng)因素造成的干擾，同時(shí)，倒置中心壓縮式又將慣性質(zhì)量塊、壓電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)倒掛在加速度計(jì)頂部的基座上，有效地隔離來自安裝面的大基座應(yīng)變信號的干擾[5-7]。

圖1 壓電加速度計(jì)解剖圖

3 壓電加速度計(jì)的安裝方向?qū)y量結(jié)果的影響的試驗(yàn)

加速度計(jì)校準(zhǔn)安裝時(shí)，要求盡可能靠近其壓電元件端，使其具有同樣的振動(dòng)量級。通過理論分析與試驗(yàn)，討論用比較法校準(zhǔn)壓電加速度計(jì)時(shí)的安裝方向?qū)y量結(jié)果的影響。

3.1 試驗(yàn)方法

根據(jù)壓電加速度計(jì)的原理分析，為研究用比較法校準(zhǔn)壓電加速度計(jì)時(shí)的安裝方向?qū)ζ浼铀俣褥`敏度測量結(jié)果的影響，設(shè)計(jì)試驗(yàn)方法為：以2020年福建省計(jì)量科學(xué)研究院主導(dǎo)的中頻振動(dòng)加速度計(jì)計(jì)量比對為例，比對樣品型號為8305型的壓電加速度計(jì)。采用比較法，使用中頻振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)裝置（如圖2所示）。裝置由4808型標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)臺，2719型功率放大器、8305型參考壓電加速度計(jì)、2692型電荷放大器、PULSE3560C動(dòng)態(tài)信號分析儀組成。被校壓電加速度計(jì)的靈敏度幅值測量值S2：

圖2 中頻比較法振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)裝置

式中：S1—— 標(biāo)準(zhǔn)加速度計(jì)的靈敏度幅值；

S2—— 被校加速度計(jì)的靈敏度幅值；

V1—— 標(biāo)準(zhǔn)加速度計(jì)輸出值 ；

V2—— 被校加速度計(jì)輸出值

按兩個(gè)相反的方向?qū)⒈恍弘娂铀俣扔?jì)安裝在參考加速度計(jì)上進(jìn)行兩組試驗(yàn)。試驗(yàn)一，按圖3所示安裝被校壓電加速度計(jì)，參考加速度計(jì)（UP）向上、被校電加速度計(jì)（UP）向下，使用螺栓剛性連接，安裝在標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)臺上，即比較法背靠背安裝。為了保證良好的剛性連接，被校壓電加速度計(jì)底面涂一層硅脂，安裝力矩為2 Nm。試驗(yàn)二，按照圖4所示安裝被校壓電加速度計(jì)，參考加速度計(jì)和被校壓電加速度計(jì)均按（UP）向上方向用螺栓剛性連接，安裝在標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)臺上，即比較法正向安裝。同樣，被校壓電加速度計(jì)底面涂一層硅脂，安裝力矩為2 Nm。

圖3 背靠背安裝

圖4 正向安裝

3.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

兩種安裝方向下，被校壓電加速度計(jì)的靈敏度（以160 Hz為參考點(diǎn)）頻率響應(yīng)見表1。

表1 靈敏度頻率響應(yīng)

在160 Hz、100 m/s2條件下的靈敏度幅值作為參考靈敏度，由表1可知，被校壓電加速度計(jì)用背靠背安裝法的頻率響應(yīng)優(yōu)于正向安裝法的頻率響應(yīng)。并且，正向安裝法在3 000 Hz以上頻率響應(yīng)不滿足JJG 233-2008《壓電加速度計(jì)檢定規(guī)程》中標(biāo)準(zhǔn)加速度計(jì)頻率響應(yīng)要求。這是由于標(biāo)準(zhǔn)壓電加速度計(jì)的殼體并不是絕對的剛體，且8305型的壓電加速度計(jì)等標(biāo)準(zhǔn)型壓電加速度計(jì)的結(jié)構(gòu)特殊，正向安裝法兩只加速度計(jì)的壓電元件振動(dòng)量級不同，尤其在中高頻時(shí)會(huì)導(dǎo)致被校壓電加速度計(jì)靈敏度幅值偏大[8]。而背靠背安裝法保證了兩只加速度計(jì)壓電元件的振動(dòng)量級相同。因此，采用比較法校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)型壓電加速度計(jì)時(shí)，應(yīng)將被校壓電加速度計(jì)與參考壓電加速度計(jì)背靠背安裝于標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)臺上進(jìn)行測量。

4 結(jié)語

本文介紹了壓電加速度計(jì)的工作原理以及8305型標(biāo)準(zhǔn)壓電加速度計(jì)的結(jié)構(gòu)形式，討論了比較法中安裝方向?qū)Ρ恍?biāo)準(zhǔn)壓電加速度計(jì)靈敏度幅值的影響，并進(jìn)行了試驗(yàn)。通過理論分析，得出了在對標(biāo)準(zhǔn)壓電加速度計(jì)進(jìn)行比較法校準(zhǔn)時(shí)選擇合理的安裝方向，能夠保證標(biāo)準(zhǔn)壓電加速度計(jì)靈敏度有良好的頻率響應(yīng)特性。