不同安裝方式對壓電加速度計靈敏度的影響

周長華 馬青亮 黃鋒

（廣州計量檢測技術(shù)研究院）

0 引言

振動是工程技術(shù)和日常生活中常見的物理現(xiàn)象。大多數(shù)情況下，振動是有害的，它對儀器設備的精度、壽命和可靠性都有一定的影響。當然，振動也有可利用的一面，如應用于輸送、清洗、磨削和監(jiān)測等場合。無論是利用振動還是防止振動，都須確定其量值，即能夠準確測量。

1 加速度計

壓電式加速度傳感器又稱壓電加速度計，主要由質(zhì)量塊、壓電敏感元件和基座等組成，它是基于壓電晶體的壓電效應工作的。某些晶體在一定方向上受力變形時，其內(nèi)部會產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在它的兩個表面上產(chǎn)生符號相反的電荷；當外力去除后，又重新恢復到不帶電狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為壓電效應，具有壓電效應的晶體稱為壓電晶體。常用的壓電晶體有石英、壓電陶瓷等[1]。

在加速度計受振時，質(zhì)量塊加在壓電元件上的力也隨之變化。當被測振動頻率遠低于加速度計的固有頻率時，則力的變化與被測加速度成正比。

壓電加速度計屬發(fā)電型傳感器，可視為電壓源或電荷源，輸出電壓或電荷與振動加速度的比值即為傳感器靈敏度。靈敏度有電壓靈敏度和電荷靈敏度兩種表示方法。前者是加速度計輸出電壓（mV）與所承受加速度之比；后者是加速度計輸出電荷與所承受加速度之比。靈敏度是壓電加速度計的主要技術(shù)參數(shù)。

2 加速度計的安裝及對測量的影響

2.1 加速度計安裝方式

在結(jié)構(gòu)上選擇加速度計的安裝位置，應盡可能靠近其要求的測量部位，使它們具有同樣的振動，且使加速度計的靈敏軸與測量方向一致，否則由于橫向靈敏度將導致附加誤差。加速度計的引入，將影響結(jié)構(gòu)的振動，因此一方面要選擇重量合適的加速度計；另一方面，應使安裝諧振頻率遠離測量頻率，避免其輸出信號與加速度計所承受運動的比發(fā)生畸變[2]。

國家標準GB/T14412-2005《機械振動與沖擊加速度計的機械安裝》明確要求加速度計安裝的程序及要求。

常見的傳感器安裝方式有6種：磁性座、氰基丙烯酸乙酯、雙面膠帶、蜂蠟、螺絲、螺絲+硅脂。

用磁鐵安裝加速度計十分方便且容易操作，然而該方法會降低加速度計可用的頻率帶寬。磁鐵不會隨著環(huán)境的影響而改變，但是磁鐵的安裝會大幅地降低共振的頻率，因此，磁鐵安裝常用于低頻測試。加速度計重量大于50g時，可考慮用磁鐵安裝。此類加速度計一般有很高的靈敏度和很窄的帶寬，這時磁鐵引起的共振是可以忽略不計的，磁鐵的額外重量會加重運動物體負荷，測量時應考慮此重量對測量造成的誤差。此安裝方式的優(yōu)點：使用方便，使用溫度范圍寬，支撐重量良好，可改變尺寸；缺點：帶寬變小，在使用磁鐵粘接加速度計時需要十分的謹慎。

氰基丙烯酸乙酯即502的主要成分，使用溫度范圍通常在－18°C～+121°C，它是一種用于粘合堅固塑料的膠液，可用于粘接金屬、玻璃、橡膠和各種塑料。其優(yōu)點：室溫時粘接效果好，凝固時間較快，頻率響應寬，溫度范圍寬；缺點：在拆卸傳感器之前需要用溶劑溶解膠才能取下傳感器，拆卸時間長，不能在粗糙表面上使用。

雙面膠帶有良好的溫度使用范圍，它類似于氰基丙烯酸乙酯可直接粘合。其優(yōu)點：使用方便，溫度使用范圍寬；缺點：振幅范圍有限，當粘接較高或頂置接頭的加速度計時，電纜的運動會影響加速度計精度。

蜂蠟是一種可用于低溫或常溫的粘接劑，和氰基丙烯酸鹽一樣，在應用溫度范圍內(nèi)有很好的頻率響應。其優(yōu)勢：使用方便，攜帶方便，粘接迅速，拆卸方便、迅速；缺點：受溫度影響較大，不易涂抹均勻。

用螺絲固定，是使共振頻率能達到出廠共振頻率的最好方法。螺絲不得全部擰入基座螺孔，以免引起基座變形，影響加速度計的輸出。在安裝面上涂一層硅脂可增加不平整安裝表面的連接可靠性。需要絕緣時可用絕緣螺栓和云母墊片固定加速度計，但墊圈應盡量簿。也可用一層簿蠟把加速度計粘在試件平整表面上[3]。

由于安裝方式的不同，連接加速度計和振動面的介質(zhì)彈性系數(shù)k不同，k越小，共振頻率就越小，工作頻率范圍也就越小。

2.2 加速度計振動模型

根據(jù)動力學模型，壓電加速度計等效為線性彈簧-質(zhì)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，線性彈簧-質(zhì)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 線性彈簧-質(zhì)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

該系統(tǒng)共振頻率為

由于加速度計的質(zhì)量 m1一般只有幾十克，遠遠小于振動面的質(zhì)量 mb，因此式（1）可以簡化為

由式（2）可以看出：在加速度計質(zhì)量不變的情況下，不同安裝方式的 k1不同，導致共振頻率的不同。

加速度計的使用上限頻率取決于幅頻曲線中的共振頻率，接近共振頻率時會導致輸出信號的畸變。一般要求，最高工作頻率應遠低于所選用加速度計的安裝諧振頻率，通常其工作頻率不大于安裝諧振頻率的20%。

3 不同安裝方式對靈敏度影響的驗證試驗

為進行不同安裝方式對靈敏度影響的試驗，將加速度計按不同的方式安裝在標準振動臺面上，并同時將標準加速度計采用螺絲固定在標準振動臺面上，按JJG233-2008《壓電加速度計》國家計量檢定規(guī)程中參考靈敏度的檢定方法，采用比較法對6種不同安裝方式下，壓電加速度計參考靈敏度的頻率響應進行試驗驗證。

試驗采用丹麥B&K公司4808型中頻標準振動臺，1050型正弦信號發(fā)生器，2706型功率放大器及8305型標準振動傳感器套組。分別在20Hz、40Hz、80Hz、160Hz、300Hz、500Hz、1000Hz和2000Hz 8個頻率點上測量加速度計的靈敏度，按式（3）計算加速度計靈敏度幅值 S2：

其中， S1為標準加速度計靈敏度幅值，為標準加速度計輸出值，mV或pC； X2為加速度計輸出值，mV或pC[4]。

按上述6種不同安裝方式進行測量，經(jīng)過10次測量求得平均值，得到靈敏度頻率響應，數(shù)值如表1所示。

以螺絲+蜂蠟方式160Hz時的靈敏度為基準，各靈敏度頻率響應的偏差如圖2 所示。

表1 各安裝方式下的靈敏度 單位： pC/(m·s-2)

圖2 靈敏度頻率響應偏差

4 試驗數(shù)據(jù)分析及結(jié)束語

如圖2 所示，磁性座安裝方式在500Hz時，頻率響應偏差超過了加速度計要求的2%；雙面膠帶安裝方式在1000Hz頻響有了接近5%的變化；而其它4種安裝方式在（20～2000）Hz范圍內(nèi)，頻率響應都是比較平滑的，變化均在1%以內(nèi)。

試驗表明：在進行低頻（f＜300Hz）振動測量時，6種安裝方式都能確保安裝附加偏差不超過1%。實際使用時，建議以方便的方式進行安裝；當要進行頻率高于300Hz的振動測量時，需采用氰基丙烯酸乙酯、蜂蠟、螺絲、螺絲+硅脂的安裝方式，其中螺絲、螺絲+硅脂的安裝方式最為可靠。

[1]李姣姣,王東波,趙祚喜,等.基于三軸轉(zhuǎn)臺的MEMS慣性傳感器參數(shù)測量方法[J].自動化與信息工程,2012,33(5):10-14.

[2]李立,徐燕申,孫容照.加速度計安裝方式對振動測量的影響[J].機械設計,1989(1):30-34.

[3]GB/T14412-2005機械振動與沖擊 加速度計的機械安裝[S].北京:中國標準出版社,2005.

[4]JJG 233-2006壓電加速度計[S].北京:中國計量出版社,2006.