振動加速度傳感器

一、振動參數(shù)測量的內(nèi)容與振動測試系統(tǒng)的組成

振動測試是動態(tài)測試的典型內(nèi)容之一，一般包含以下三個方面的內(nèi)容。

（1）振動系統(tǒng)振動參數(shù)的測試，包括測量振動物體 上某點的位移、振動速度、振動加速度、效率和相位等參數(shù)，了解被測對象的振動狀態(tài)，評定等級和尋找振源，對設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測、分析、診斷和預(yù)測。

（2）振動系統(tǒng)特性參數(shù)的測試。以某種激振力作用在被測對象上，使它產(chǎn)生受迫振動，測量輸入（激勵）和輸出（被測對象振動響應(yīng)），從而確定被測對象的振動力學(xué)參數(shù)或動態(tài)性能，如固有頻率、阻尼、剛度、頻率響應(yīng)和模態(tài)等參數(shù)。

（3）機(jī)械動力強(qiáng)度和模擬環(huán)境振動試驗，即按規(guī)定的振動條件，對設(shè)備進(jìn)行振動例行試驗，用以檢查設(shè)備的耐振壽命、性能穩(wěn)定性以及設(shè)計、制造、安裝的合理性。

不同的振動測試系統(tǒng)，使用不同類型的振動加速度傳感器，如磁電式速度傳感器配用微積分放大器進(jìn)行測試；壓電式加速度傳感器，配用電荷放大器進(jìn)行振動參數(shù)測試。

本篇只介紹目前最常用的壓電式加速度傳感器與電荷放大器組成的振動測試系統(tǒng)。壓電式加速度傳感器的工作原理是基于壓電效應(yīng)。

二、壓電效應(yīng)與逆壓電效應(yīng)

某些電介質(zhì)，當(dāng)沿著一定方向?qū)ζ涫┝κ顾冃螘r，其內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在它的表面上便產(chǎn)生符號相反的電荷，當(dāng)外力去掉后，又重新恢復(fù)到不帶電狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。當(dāng)作用力方向改變時，電荷的極性也隨之改變。有時人們把這種機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的現(xiàn)象，稱為“正壓電效應(yīng)”。相反，當(dāng)在電介質(zhì)極化方向施加電場時，這些電介質(zhì)也會產(chǎn)生變形，這種現(xiàn)象稱為“逆壓電效應(yīng)”（電致伸縮放應(yīng)）。壓電材料能實現(xiàn)機(jī)電能量的相互轉(zhuǎn)換。

晶體的壓電效應(yīng)可用圖1加以說明。圖1（a）所示是晶體具有壓電效應(yīng)的示意圖。一些晶體不受外力作用時，晶體的正負(fù)電荷中心相重合，單位體積中的電矩（極化強(qiáng)度）等于零，晶體對外不呈現(xiàn)極性。而在外力作用下晶體變形時，正負(fù)電荷的中心發(fā)生分離，這時單位體積的電矩不再為零，晶體表現(xiàn)出極性。圖1（b）中，另外一些晶體由于具有中心對稱的結(jié)構(gòu)，無論外力如何作用，晶體正負(fù)電荷的中心總是重合在一起，因此這些晶體不會出現(xiàn)壓電效應(yīng)。

圖1（a）具有壓電效應(yīng)的晶體

圖1（b）不具有壓電效應(yīng)的晶體

壓電材料可以分為兩大類：壓電晶體和壓電陶瓷。壓電材料的主要特性參數(shù)如下。

① 壓電常數(shù)。它是衡量材料壓電效應(yīng)強(qiáng)弱的參數(shù)，直接關(guān)系到壓電輸出的靈敏度。

② 彈性常數(shù)。壓電材料的彈性常數(shù)、剛度決定著壓電器件的固有頻率相動態(tài)特性。

③ 介電常數(shù)。對于一定形狀、尺寸的壓電元件，其固有電容與介電常數(shù)有關(guān)，而固有電容又影響著壓電傳感器的頻率下限。

④ 機(jī)械耦合系數(shù)。在壓電效應(yīng)中，其值等于轉(zhuǎn)換輸出能量（如電能）與輸入能量（如機(jī)械能）之比的平方根，它是衡量壓電材料電能量轉(zhuǎn)換效率的一個重要參數(shù)。

⑤ 電阻。壓電材料的絕緣電阻將減少電荷泄漏，從而改善壓電傳感器的低頻特性。

⑥ 居里點。壓電材料開始喪失壓電特性的溫度。

三、壓電式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)與使用

壓電式加速度傳感器是基于某種晶體材料的壓電效應(yīng)而制成的慣性傳感器。傳感器受振時，質(zhì)量塊加在壓電元件上的力隨之變化，當(dāng)被測振動頻率遠(yuǎn)低于傳感器的固有頻率時，這個力的變化與被測振動的加速度成正比。由于壓電效應(yīng).在壓電元件中便產(chǎn)生了與被測加速度成正比的電荷量。

（1）壓電式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)

如圖2所示，壓電式加速度傳感器主要由壓電元件P、質(zhì)量塊M、壓緊彈簧S和基座B等組成。壓電式加速度傳感器形式較多，圖（a）為外緣固定型，其彈簧外緣固定在殼體上，此結(jié)構(gòu)因底座與殼體構(gòu)成了彈簧質(zhì)量系統(tǒng)的一部分，故易受到外界溫度與噪聲的影響，以及安裝緊固時底座變形引起的影響，這些都直接影響加速度的輸出；圖（b）為中間固定型，壓電元件、質(zhì)量塊和壓緊彈簧固定在一個中心桿上，壓電元件的預(yù)緊力由中心桿上部的蝶形彈簧調(diào)整，殼體僅起屏蔽作用，消除了殼體變形帶來的影響；圖（c）為倒置中間固定型，這種結(jié)構(gòu)的中心桿不直接與基座相連接，可以避免基座變形帶來的影響，但其殼體壁部分也容易產(chǎn)生彈性變形，故其共振頻率較低；圖（d）為剪切型，它是將一個圓筒狀壓電元件粘結(jié)在中心架上，并在壓電元件的外圓又粘結(jié)一個圓筒狀質(zhì)量塊，當(dāng)傳感器受到沿軸向的振動時，壓電元件受到剪切應(yīng)力而產(chǎn)生電荷，這種結(jié)構(gòu)有利于降低基座變形及外界溫度變化與噪聲的影響，有很高的共振頻率和靈敏度，且橫向靈敏度小。

圖2 壓電式加速度傳感器結(jié)構(gòu)形式

（2）壓電式加速度傳感器的主要性能參數(shù)

① 靈敏度。壓電式加速度傳感器既可看成一個電荷源，又可以看成一個電壓源，故其靈敏度也可以分別用電荷靈敏度和電壓靈敏度來表示。電荷靈敏度是指單位加速度所產(chǎn)生的電荷量值大小，可表示為：

式中

Sq——電荷靈敏度（Pc/g）；

q——加速度傳感器輸出電荷（Pc）；

a——傳感器所受加速度（g為重力加速度本位）。

電壓靈敏度是指單位加速度所產(chǎn)生的電壓量值大小，可表示為

式中

Su——電壓靈敏度（mV/g）；

U——加速度傳感器輸出電壓（mV）。

對于某一給定壓電材料的壓電式加速度傳感器，其靈敏度隨質(zhì)量塊的增大而增大。一般說來，加速度傳感器尺寸越大，靈敏度越高，其固有頻率越低。

② 頻率響應(yīng)范圍。由慣性式加速度傳感器的響應(yīng)條件的分析可知，加速度傳感器的使用頻率上限取決于其共振頻率。由于壓電式加速度傳感器的阻尼甚小（一般ξ ≤0.1），上限頻率約為共振頻率的30%時，幅值誤差可小于10%；上限頻率約為共振頻率的20%時，幅值誤差可小于5%；所以，壓電式加速度傳感器的固有頻率越高，其可用的頻率范圍越寬。質(zhì)量小的傳感器，其固有頻率高，則高頻性能好，但由于其靈敏度低，故低頻性能差；質(zhì)量大的傳感器則相反。振動測試時可根據(jù)實際測試要求選擇。

壓電式加速度傳感器可測量的下限頻率不取決于傳感器本身，而取決于所采用測量系統(tǒng)的低頻特性。壓電元件工作時產(chǎn)生的電荷量是極其微弱的，而測量系統(tǒng)不可避免地要產(chǎn)生電荷泄漏，從而造成測量誤差。關(guān)鍵是要測定這樣微弱的電荷（或電壓），以及如何把電荷泄漏減少到測量準(zhǔn)確度所要求的限度以內(nèi)。電壓放大器實際就是一個高輸入阻抗的比例放大器，其電路比較簡單，但輸出受連接電纜對地電容的影響，適用于一般振動測量。電荷放大器以電容作負(fù)反饋，使用中基本上不受電纜電容的影響，輸入阻抗也更高，其下限截止頻率更低。一般電荷放大器可達(dá)到0.01Hz數(shù)量級，最低的可達(dá)到準(zhǔn)靜態(tài)的程度。

圖3所示是某壓電式加速度傳感器的幅頻特性曲線，其可用的頻率范圍在特性曲線平直段。對于某些測試項目，如結(jié)構(gòu)傳遞函數(shù)的測量、現(xiàn)場動平衡測試等，不僅要求滿足幅值測量精度，而且要求相移也在容許范圍內(nèi)?？紤]相移后，使用頻率范圍要比只考慮幅值時更窄些。

圖3 壓電式加速度傳感器幅頻特性曲線

③ 橫向靈敏度。由于壓電材料本身的下均勻性與不規(guī)則性，所以當(dāng)壓電式加速度傳感器橫向受振時，也會產(chǎn)生一定的輸出，其大小用橫向靈敏度表示。一般規(guī)定，橫向靈敏度不得大于主靈敏度的3%。

（3）壓電式加速度傳感器的安裝

壓電式加速度傳感器的使用上限頻率受其共振頻率的限制，所以出廠時均給出頻率響應(yīng)曲線。由于頻率響應(yīng)曲線與安裝方法關(guān)系很大，所以若安裝方法不當(dāng)，如結(jié)合力不夠、組合面粗糙、安裝螺釘孔與安裝面不垂直等，都會使共振頻率下降，從而降低傳感器的使用上限頻率。常用于固定加速度傳感器的安裝方法很多，如圖4所示，用鋼制雙頭螺栓將傳感器固定于光潔平面上是最好的方法，擰緊螺栓時，應(yīng)防止基座變形而影響輸出。在結(jié)合面之間涂一薄層硅脂，可以增加安裝剛度，有利于高頻響應(yīng)。需要絕緣時，可用絕緣螺栓和極薄的云母墊圈來固定傳感器。用粘接螺栓和粘接劑固定傳感器的方法也很方便，其可測的上限頻率不得高于5kHz。在低溫條件下可用一層薄蠟來黏附傳感器。用雙面膠紙?zhí)娲辰觿﹣砉潭▊鞲衅饕彩切兄行У霓k法。手持探針測振的方法只能用于1kHz以下的近似探測，多測點時比較方便。采用專用永久磁鐵來固定傳感器使用方便，多在低頻測量中使用。當(dāng)然，探針與磁鐵會形成附加質(zhì)量，在輕小系統(tǒng)上測試時要注意其影響。

圖4 加速度傳感器的固定方法

四、振動加速度測量系統(tǒng)的基本組成

（1）測振系統(tǒng)的組成

因為振動基本參數(shù)的測量其被測對象是振動的，所以這類測試的振動傳感器可根據(jù)測試的要求安裝在被測對象測點上。常用測振系統(tǒng)原理如圖5所示。

圖5 測振系統(tǒng)原理圖

對于壓電加速度傳感器，工作受振后直接有電荷或電壓輸出，但由于傳感器輸出的電信號均較微弱，所以為了能夠推動記錄設(shè)備，必須對信號進(jìn)行放大。測振放大器是測試系統(tǒng)中傳感器與記錄器的中間環(huán)節(jié)，其輸入特性必須滿足傳感器的要求，而其輸出特性又必須與記錄儀器相匹配。壓電式加速度傳感器，其輸出電信號必須進(jìn)行預(yù)放大再輸入放大器，因為壓電式加速度傳感器是一個能產(chǎn)生電荷的高內(nèi)阻發(fā)電元件，但由于產(chǎn)生的電荷的總量級較小，難以直接傳輸；同時，一般測量儀器的輸入阻抗不可能很高，此微弱電荷又極易在測量電路的輸入電阻上被釋放掉，所以要求連接壓電式加速度傳感器的測量或放大裝置（如電壓放大器或電荷放大器）必須有較高的輸入阻抗，并且將壓電式加速度傳感器的高輸出阻抗變換為低輸出阻抗，以便與主放大器連接。由于這類預(yù)放大裝置都是作為測量系統(tǒng)的前級放大，故統(tǒng)稱為前置放大器。測振放大器除了有放大作用外，常兼有積分、微分和濾波等功能。

根據(jù)振動測試的目的和要求，可以把經(jīng)過放大的電信號直接輸入指示記錄儀器，將振動的時間歷程記錄顯示出來；也可以把該信號先輸入到分析儀器進(jìn)行必要的參數(shù)統(tǒng)計分析，如頻譜分析、相關(guān)分析及功率譜分析等，然后再記錄顯示。

（2）測試系統(tǒng)與測試儀器的選擇

在振動加速度測試中合理選擇測振儀器與測試系統(tǒng)十分重要，選擇不當(dāng)往往會得出錯誤的結(jié)果。這里主要考慮以下幾個方面。

① 頻率范圍。根據(jù)被測對象振動的頻率范圍確定各測試環(huán)節(jié)（振動傳感器、前置放大器、主放大器及指示記錄儀器等）的頻率響應(yīng)特性。選用加速度傳感器時，傳感器固有頻率應(yīng)該是被測振動信號中最高頻率的3～5倍，其他各測試環(huán)節(jié)中，不同的測試儀器其頻率響應(yīng)特性不同，可以測量的頻率范圍也不一樣，選擇儀器時應(yīng)注意。相位有要求的測試項目（如作虛實頻頻譜、幅相圖、振型等測量），除了應(yīng)該注意傳感器的相頻特性外，還要注意放大器，特別是帶微積分網(wǎng)絡(luò)的放大器的相頻特性和測試系統(tǒng)中所有其他儀器的相頻特性，因為所測得的激勵和響應(yīng)之間的相位已包括了測試系統(tǒng)中所有儀器的相移。

② 振級大小和測試精度要求。根據(jù)被測振動幅值的最大值和最小值確定各環(huán)節(jié)的動態(tài)范圍，并確定各環(huán)節(jié)及總的測試精度；不能片面選用高靈敏度的儀器，加速度傳感器靈敏度隨質(zhì)量塊的增大而增大。但是其固有頻率卻隨之降低，這就意味著使用上限頻率的降低，對試件而言附加質(zhì)量也增大了。此外，儀器的靈敏度越高，量程范圍也越小，抗干擾能力越差，選用時應(yīng)特別注意。

③ 試件質(zhì)量與剛度大小。以此確定傳感器型式、質(zhì)量及有關(guān)固定方法。

④ 測試環(huán)境。如溫度、濕度等，以此確定傳感器的裝配方法及系統(tǒng)接地等。

此外，還應(yīng)該考慮測試系統(tǒng)內(nèi)各個環(huán)節(jié)之間的配合關(guān)系，包括各環(huán)節(jié)間的阻抗匹配關(guān)系、靈敏度匹配關(guān)系、測試精度匹配關(guān)系等。