王春蔓

（海南省計(jì)量測(cè)試所，海南 ?？?571137）

壓電加速度計(jì)是一種常用的傳感器，廣泛應(yīng)用于振動(dòng)監(jiān)測(cè)、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)和工業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域。然而，由于環(huán)境條件的變化以及長期使用的影響，壓電加速度計(jì)的性能可能會(huì)出現(xiàn)漂移或偏差。因此，對(duì)壓電加速度計(jì)進(jìn)行定期校準(zhǔn)是確保其準(zhǔn)確性和可靠性的重要手段。

1 概述

隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，將振動(dòng)檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用于軍事、航空、汽車等各個(gè)產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域。振動(dòng)檢測(cè)與動(dòng)態(tài)分析技術(shù)已成為機(jī)械設(shè)備和建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造與應(yīng)用中的主要技術(shù)手段。加速度傳感器是振動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，所以對(duì)加速度傳感器的校準(zhǔn)就顯得尤為重要。為了保證傳感器檢測(cè)結(jié)果的精度和可靠性。將校正的工作重點(diǎn)集中在以下兩個(gè)方面：靈敏度校正和頻率響應(yīng)校正。

首先是靈敏度校準(zhǔn)。在進(jìn)行這一校準(zhǔn)時(shí)，需要將被測(cè)傳感器與一個(gè)已知靈敏度的參考傳感器同時(shí)暴露在相同的振動(dòng)條件下。通過比較兩個(gè)傳感器的輸出信號(hào)，可以確定被測(cè)傳感器的靈敏度。

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

最后，進(jìn)行校準(zhǔn)后需要進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析。通過對(duì)比被測(cè)傳感器的輸出信號(hào)與參考傳感器（或標(biāo)準(zhǔn)）的測(cè)量結(jié)果，可以得出校準(zhǔn)結(jié)果并進(jìn)行修正。此外，還需要記錄和存儲(chǔ)校準(zhǔn)相關(guān)的數(shù)據(jù)，以供后續(xù)驗(yàn)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(cè)震動(dòng)和沖擊加速度的電子儀器，一般和適調(diào)儀(如電荷放大器)配套應(yīng)用。一般由質(zhì)量塊、壓電敏感元件，以及基座等所構(gòu)成。壓電加速度傳感器利用壓電器件的正壓電效應(yīng)來工作。當(dāng)被測(cè)振動(dòng)物質(zhì)上安裝加速度感應(yīng)器時(shí)，質(zhì)量塊受慣性運(yùn)動(dòng)的影響，壓電元件產(chǎn)生了與其受力成正比的電荷，進(jìn)而把力學(xué)振動(dòng)變換為可傳輸?shù)臒o線電訊號(hào)。

壓電加速度傳感器使用壓電器件的正壓電效應(yīng)測(cè)量。當(dāng)加速度感應(yīng)器被定位到被測(cè)量振動(dòng)物上時(shí)，壓電元件受質(zhì)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(zhuǎn)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(xiàng)。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(yīng)，即在機(jī)械應(yīng)力或壓電外加電場(chǎng)的作用下會(huì)產(chǎn)生電荷。當(dāng)加速度傳感器固定在振動(dòng)物體上時(shí)，它會(huì)受到物體的加速度影響。由于質(zhì)量塊的慣性，在物體發(fā)生加速度變化時(shí)，壓電元件產(chǎn)生同步的電荷變化。這樣，加速度傳感器可以將機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)化為電荷信號(hào)，并通過適調(diào)儀進(jìn)行放大和轉(zhuǎn)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(jī)械振動(dòng)加速度的關(guān)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(shè)計(jì)有關(guān)），m表示質(zhì)量塊的質(zhì)量，a表示所受力產(chǎn)生的加速度。公式描述了壓電加速度傳感器的工作原理。當(dāng)壓電傳感器固定在被測(cè)振動(dòng)物體上時(shí)，它受到質(zhì)量塊的慣性力作用，產(chǎn)生與所受力成正比的電量。這個(gè)電量可以通過適當(dāng)?shù)碾娐愤M(jìn)行放大和轉(zhuǎn)換，以得到實(shí)際的加速度數(shù)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(huì)出現(xiàn)衰減或失真。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，也需要考慮傳感器的頻率響應(yīng)特性和校準(zhǔn)方法。

為了進(jìn)行精確檢測(cè)，加速度感應(yīng)器的固有頻率必須遠(yuǎn)大于被測(cè)振動(dòng)頻率。當(dāng)被測(cè)物體震動(dòng)頻率遠(yuǎn)小于加速度儀振蕩系統(tǒng)的固有頻率時(shí)，加速度感應(yīng)器所輸出電量的瞬時(shí)值就和它所感知的機(jī)械振動(dòng)加速度瞬時(shí)值成正比。也就是在極低頻狀態(tài)下，加速度感應(yīng)器的輸出頻率與物體的加速度之間具有良好的線性關(guān)系。為了提高傳感器的靈敏度和準(zhǔn)確度，在傳感器設(shè)計(jì)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(yīng)用場(chǎng)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(cè)量振動(dòng)和沖擊加速度。它通過利用壓電元件的正壓電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)加速度的感知和轉(zhuǎn)化為可輸出信號(hào)。在校準(zhǔn)時(shí)，需要注意校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)、校準(zhǔn)頻率范圍，通過進(jìn)行正確校準(zhǔn)，可以提高加速度傳感器的測(cè)量精度和穩(wěn)定性，確保其在各種應(yīng)用場(chǎng)景下的準(zhǔn)確可靠性。

3 中頻振動(dòng)校準(zhǔn)裝置校準(zhǔn)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(yōu)點(diǎn)，包括動(dòng)態(tài)范圍大、頻率范圍廣、線性度好、體積小、穩(wěn)定性高、不需要外部電源和易于安裝使用等。其中一個(gè)重要的環(huán)節(jié)是對(duì)壓電加速度傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)，以確保其準(zhǔn)確度和可靠性。在校準(zhǔn)過程中，通常會(huì)使用振動(dòng)校正裝置。振動(dòng)校正裝置是一種標(biāo)定儀器，能夠產(chǎn)生一定固定頻率的正弦信號(hào)，并通過功率放大來推動(dòng)振動(dòng)臺(tái)進(jìn)行正弦振蕩。根據(jù)工作頻率范圍的不同，振動(dòng)校正設(shè)備可分為高頻、中頻、低頻和極低頻的校準(zhǔn)振動(dòng)臺(tái)。以中頻振動(dòng)校正設(shè)備為例，中頻振動(dòng)校準(zhǔn)裝置通常由信號(hào)發(fā)生器、功率放大器、振動(dòng)臺(tái)和控制系統(tǒng)等組成。校準(zhǔn)時(shí)，將被測(cè)壓電加速度傳感器固定在振動(dòng)臺(tái)上，通過控制系統(tǒng)設(shè)置特定的頻率和振幅，在不同頻率下進(jìn)行振動(dòng)。校準(zhǔn)過程中，需要記錄被測(cè)傳感器的輸出信號(hào)，并與標(biāo)準(zhǔn)傳感器或儀器進(jìn)行對(duì)比。通過比較兩者的輸出信號(hào)，可以得出被測(cè)傳感器的靈敏度和頻率響應(yīng)特性。通過校準(zhǔn)結(jié)果和標(biāo)定曲線的對(duì)比，可以進(jìn)行修正，以確保傳感器的測(cè)量結(jié)果更加準(zhǔn)確和可靠。

采用比較法進(jìn)行加速度計(jì)的校準(zhǔn)，可以將被測(cè)加速度計(jì)與標(biāo)準(zhǔn)加速度計(jì)背靠背地剛性連接。這樣，兩個(gè)加速度計(jì)接收到的振動(dòng)信號(hào)將是相同的，并且它們之間的差異可以用于校準(zhǔn)被測(cè)加速度計(jì)的準(zhǔn)確度。

在校準(zhǔn)過程中，需要將被測(cè)加速度計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)加速度計(jì)同時(shí)固定在校準(zhǔn)振動(dòng)臺(tái)上，使它們能夠一起進(jìn)行振動(dòng)。這種背靠背的連接方式可以通過夾持裝置或其他適當(dāng)?shù)墓潭ǚ椒▽?shí)現(xiàn)。

接下來，在信號(hào)發(fā)生儀中設(shè)置一個(gè)合適的頻率和幅值，用于產(chǎn)生校準(zhǔn)信號(hào)。這個(gè)信號(hào)將傳遞給功率放大器，通過放大器對(duì)信號(hào)進(jìn)行增強(qiáng)。接著，放大后的信號(hào)將驅(qū)動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)臺(tái)進(jìn)行振動(dòng)。振動(dòng)臺(tái)的振動(dòng)頻率和幅值應(yīng)根據(jù)校準(zhǔn)需求進(jìn)行預(yù)先設(shè)定。裝置原理如圖1 所示。

圖1 中頻振動(dòng)校準(zhǔn)裝置原理圖

在選定的某一頻率（指定的）和某一指定的振動(dòng)值下校準(zhǔn)。被校傳感器的電壓輸出與所承受的振動(dòng)值之比，即為被測(cè)傳感器的參考靈敏度。被測(cè)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(dòng)值下的輸出電壓，通常以毫伏（mV）為單位。

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

假設(shè)被校傳感器在特定頻率為100 Hz的條件下，測(cè)得的輸出電壓為10 mV。同時(shí)，校準(zhǔn)裝置測(cè)量到該傳感器在相同頻率下所承受的振動(dòng)值為5 g。那么根據(jù)上述公式，靈敏度將為：

式（3）中，在選定的頻率和指定的振動(dòng)值下，每個(gè)單位的振動(dòng)值對(duì)應(yīng)被測(cè)傳感器的輸出電壓增加2 mV，通過靈敏度的計(jì)算，了解到被測(cè)傳感器在特定條件下的輸出特性，并用于后續(xù)的數(shù)據(jù)分析和測(cè)量修正等工作。在特定條件下，如果每個(gè)單位的振動(dòng)值對(duì)應(yīng)被測(cè)壓電傳感器的輸出電壓增加2 mV，可以通過靈敏度來計(jì)算傳感器的輸出特性。

4 加速度傳感器校準(zhǔn)時(shí)應(yīng)注意的幾個(gè)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(cè)量振動(dòng)信號(hào)，并且承受所需的加速度值。在進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)，被校加速度傳感器應(yīng)背靠背安裝，即被測(cè)傳感器與振動(dòng)臺(tái)內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)平整光潔，以確保傳感器與被測(cè)對(duì)象的緊密接觸。通常，使用鋼螺栓進(jìn)行安裝是最佳方案，因?yàn)殇撀菟ň哂蓄l響寬、承受高加速度的特點(diǎn)。選擇適當(dāng)?shù)陌惭b方式需要考慮被測(cè)對(duì)象的頻寬、加速度值和環(huán)境條件等因素。如表1 所示，在選擇適當(dāng)?shù)陌惭b方式時(shí)，還需考慮其他因素，例如結(jié)構(gòu)的振動(dòng)模式、安裝的可靠性以及維護(hù)和更換的方便性等。選擇適當(dāng)?shù)陌惭b方式需要綜合考慮被測(cè)對(duì)象的頻寬、加速度值和環(huán)境條件等因素，在實(shí)際應(yīng)用中進(jìn)行合理的選擇與安裝。

表1 加速度傳感器被測(cè)對(duì)象的頻寬、加速度值和環(huán)境條件等因素

（2）當(dāng)使用鋼性螺栓安裝加速度傳感器時(shí)，建議在加速度計(jì)與振動(dòng)臺(tái)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(cè)對(duì)象之間的機(jī)械接觸，并保持接觸的穩(wěn)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(yīng)曲線更加平坦，從而獲得更準(zhǔn)確的校準(zhǔn)結(jié)果。在使用鋼性螺栓安裝加速度傳感器時(shí)涂抹蜂蠟或硅脂薄膜對(duì)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(xiàn)表δ示施加在傳感器和被測(cè)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(cè)對(duì)象之間的機(jī)械接觸，提高接觸剛度。

（3）在低頻段的校準(zhǔn)中，需要盡可能減小電纜的抖動(dòng)和基座的應(yīng)變。因?yàn)榛蝿?dòng)會(huì)導(dǎo)致低頻段的互相干擾，影響測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)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(yīng)變。如表2所示，通過以上措施，可以有效減小低頻段校準(zhǔn)中的電纜抖動(dòng)和基座應(yīng)變問題。固定電纜可以消除電纜的雜散振動(dòng)，減少測(cè)量結(jié)果中的干擾頻率成分。使用柔軟連接材料可以減小基座應(yīng)變，避免基座本身對(duì)傳感器的影響。排除外部干擾源和使用低振動(dòng)環(huán)境可以進(jìn)一步減小測(cè)量誤差。采用多次校準(zhǔn)可以獲得更可靠的平均值，減小個(gè)別誤差對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。

表2 在低頻段校準(zhǔn)壓電加速度傳感器時(shí)對(duì)測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確性

（4）在進(jìn)行輸出與輸入量的幅值比較時(shí)，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(tǒng)一的，以便進(jìn)行準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)分析和校準(zhǔn)。峰值反映了信號(hào)的最大振幅。例如，在振動(dòng)測(cè)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(dòng)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(hào)失真或放大問題。在進(jìn)行比較之前還要考慮其他因素，如誤差源、傳感器線性度、動(dòng)態(tài)響應(yīng)等。因此，進(jìn)行準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)分析和校準(zhǔn)需要綜合考慮多種因素，并采用適當(dāng)?shù)姆椒ê凸ぞ摺＜夹g(shù)人員應(yīng)不斷加強(qiáng)專業(yè)知識(shí)，并熟練掌握相關(guān)技術(shù)和工具，以提高測(cè)量精度和數(shù)據(jù)可靠性。

5 結(jié)語

總而言之，正確校準(zhǔn)壓電加速度計(jì)不僅確保了測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性，還可以保證設(shè)備的正常運(yùn)行并為技術(shù)人員提供可靠的工具和數(shù)據(jù)支持。定期進(jìn)行校準(zhǔn)工作是一個(gè)必不可少的步驟，這一步驟對(duì)于各行各業(yè)的技術(shù)人員以及整個(gè)工程領(lǐng)域都發(fā)揮著重要的作用。為了應(yīng)對(duì)各行各業(yè)對(duì)測(cè)量需求的多樣性，研究人員將繼續(xù)探索和創(chuàng)新新型的校準(zhǔn)方法。例如，基于機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能的校準(zhǔn)算法可以針對(duì)復(fù)雜環(huán)境下的干擾進(jìn)行自適應(yīng)校準(zhǔn)，進(jìn)一步提高校準(zhǔn)的準(zhǔn)確性和適用性，為工程和科學(xué)研究提供更多的數(shù)據(jù)支持和可視化展示。