壓電加速度計振動激勵法和沖擊激勵法校準的比較*

潘良明劉一胡紅波/ .上海市計量測試技術(shù)研究院；.中國計量科學研究院

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壓電加速度計振動激勵法和沖擊激勵法校準的比較*

潘良明1劉一1胡紅波2/ 1.上海市計量測試技術(shù)研究院；2.中國計量科學研究院

摘 要介紹振動激勵法和沖擊激勵法校準壓電加速度計的工作原理，通過對壓電加速度計靈敏度的校準試驗比較兩種校準方法的測試結(jié)果，并對測試結(jié)果的異同進行分析。試驗結(jié)果表明，在壓電加速度計允許使用頻率范圍內(nèi)，兩種校準方法的校準結(jié)果具有較好的一致性。本研究對選擇合適的壓電加速度計校準方法具有一定的借鑒作用。

關(guān)鍵詞壓電加速度計；校準；振動激勵法；沖擊激勵法

0　引言

壓電加速度計廣泛應用于機動車、船舶和航天航空等領域，其加速度從5×10-5m/s2到1×106m/s2均有計量需求[1,2]。壓電加速度計的工作原理是，利用壓電敏感元件的壓電效應產(chǎn)生與施加的加速度成正比的電信號輸出[3,4,5]。壓電加速度計的校準主要有振動激勵法（以下簡稱振動法）和沖擊激勵法（以下簡稱沖擊法）兩種。振動法受限于振動臺的推力以及結(jié)構(gòu)設計等原因，其最大加速度一般不超過1×102m/s2，對于更大的加速度一般通過沖擊法實現(xiàn)。振動法和沖擊法都是成熟的方法，目前對兩種校準方法比較性研究的文獻較少。本文通過對振動法和沖擊法的校準原理進行闡述，并通過對同一壓電加速度計進行校準，對校準結(jié)果進行分析與比較，說明振動法和沖擊法校準的異同，同時闡述其校準結(jié)果異同的原因。

1　振動法和沖擊法的校準原理

振動法和沖擊法校準原理都是利用壓電加速度計的壓電效應，通過比較壓電加速度計的輸出信號與振動臺裝置或沖擊加速度裝置所產(chǎn)生加速度的比值得到壓電加速度計的靈敏度[2]，即：

Q —— 壓電加速度計輸出信號；

a —— 振動或沖擊加速度

標準GB/T 20485.11-2006和GB/T 20485.21-2007規(guī)定了振動校準的方法和設備。振動法采用正弦激勵信號，屬于相對穩(wěn)態(tài)的信號，是在單一頻率下進行的相對穩(wěn)態(tài)的測量；標準GB/T 20485.13-2007和GB/T 20485.22-2008規(guī)定了沖擊校準的方法和設備。沖擊脈沖是一個近似正弦、半正弦正矢或高斯的加速度波形，是一個瞬態(tài)信號[3,6]。

振動法和沖擊法使用的裝置是依據(jù)標準GB/T 20485.11-2006和GB/T 20485.13-2007的要求建立的振動標準裝置和沖擊標準裝置[7,8]。振動法校準的原理是，利用激光干涉儀測量振動臺臺面的振動量，同時通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)得到被校加速度計在此振動量下的電荷或電壓輸出量，從而實現(xiàn)對壓電加速度計靈敏度幅值的測量，其原理框圖見圖1；沖擊法校準的原理是，利用激光干涉儀測量沖擊激勵源的位移，經(jīng)采集系統(tǒng)處理后計算出沖擊加速度，同時通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)得到被校加速度計在此沖擊下的電荷或電壓輸出量，從而實現(xiàn)對壓電加速度計靈敏度幅值的測量，其原理框圖見圖2。

圖1　壓電加速度計振動法校準原理

圖2　壓電加速度計沖擊法校準原理

2　振動法和沖擊法校準試驗結(jié)果分析

分別在振動標準裝置和沖擊標準裝置上對同一壓電加速計進行校準試驗。試驗使用美國ENDEVCO公司2270M8標準壓電加速度計，分別進行如下試驗：（1）在頻率范圍10 ～ 20 000 Hz內(nèi)進行振動法校準；（2）在沖擊加速度100～100 000 m/s2內(nèi)進行沖擊法校準，其測試結(jié)果見表1和表2。

從表1數(shù)據(jù)可以看出，采用振動法校準時，在振動頻率10～10 000 Hz時，各頻率點的靈敏度與參考點的靈敏度偏差小于5%，說明壓電加速度計在允許頻率范圍內(nèi)具有良好的頻率響應特性。但隨著頻率的增高，靈敏度與參考點的靈敏度差值逐漸增大。文中選用的壓電加速度計在20 000 Hz時其偏差超過20%。從表2數(shù)據(jù)可以看出，采用沖擊法校準時，在100～100 000 m/s2沖擊加速度范圍內(nèi)，各加速度點的靈敏度與參考點的靈敏度小于1.0%，說明壓電加速度計在其允許使用加速度范圍內(nèi)具有良好的幅值線性度。

3　振動法和沖擊法校準異同性分析

振動激勵信號是單一頻率的正弦信號，而沖擊激勵信號是一個與脈沖寬度相關(guān)的沖擊波形，近似于半正弦脈沖信號，可視為兩個正弦信號的疊加[3,4]，其加速度表達式分別為

表1　振動法校準壓電加速度計靈敏度

表2　沖擊法校準壓電加速度計靈敏度

式中：a —— 振動加速度或沖擊加速度；

A —— 振動加速度或沖擊加速度峰值；

f —— 振動頻率；

t —— 振動中指時間，沖擊中指脈沖時間；

τ —— 脈沖寬度

將振動激勵信號和沖擊激勵信號進行快速傅立葉（FFT）變換，即將其信號從時域信號轉(zhuǎn)變?yōu)轭l域信號。圖3和圖4分別為160 Hz時振動激勵信號產(chǎn)生的波形及其對應頻譜和典型的沖擊激勵信號產(chǎn)生的沖擊波形及其對應頻譜。

從圖3可以看出，振動激勵信號基本是單一頻率的信號，除激勵信號頻率點外其余頻率點均可忽略。從圖4可以看出，沖擊激勵信號實際上包含了不同的頻率成分，在脈沖時間約為1.45 ms時，其對應的頻率成分不超過2 kHz。

圖3　振動激勵產(chǎn)生的沖擊波形及其頻譜

圖4　沖擊激勵產(chǎn)生的沖擊波形及其頻譜

對照表1和表2，所選用的壓電加速度計振動法校準的靈敏度在10～100 000 Hz頻率范圍內(nèi)與沖擊法校準結(jié)果具有較好的一致性。這是因為壓電加速度計在允許使用頻率范圍內(nèi)具有良好的頻率響應特性；而沖擊法在脈沖時間4.0～0.1 ms內(nèi)，其對應的頻率成分通常未超出壓電加速度計的可使用頻率范圍，因而沖擊校準結(jié)果能與所選用的壓電加速度計頻率范圍內(nèi)的振動校準結(jié)果相一致。但當振動頻率越來越高時，其靈敏度也逐漸增大，這是由壓電加速度計本身頻率響應特性所決定的，即接近共振頻率點時其輸出增大，在共振點處達到最大，這也是在高頻段，即頻率范圍（100 000～20 000 Hz時）兩種方法測試結(jié)果存在較大偏差的原因。

4　結(jié)語

振動法和沖擊法是壓電加速度計校準時常用的兩種方法。本文對兩種校準方法進行了初步的探索和研究，通過試驗，將兩種方法的測試結(jié)果進行了比較，并對測試結(jié)果的異同進行了分析。通過比較可以得出結(jié)論：在壓電加速度計允許使用頻率范圍內(nèi)，兩種校準方法的校準結(jié)果具有較好的一致性。例如文中所選用的標準壓電加速度計在頻率10～2 000 Hz時，兩種校準方法靈敏度校準結(jié)果與各自的參考點靈敏度之差小于0.5%，而且兩者之差小于0.5%。本文對壓電加速度計如何選擇合適的校準方法有較好的借鑒作用。

參考文獻

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[10] 全國機械振動與沖擊標準化技術(shù)委員會. GB/T 20485.22-2008[S].北京：中國標準出版社，2008.

式中：S —— 壓電加速度計靈敏度；

Comparison of vibration excitation method and shock excitation method for piezoelectric accelerometer calibration

Pan Liangming1, Liu Yi1, Hu Hongbo2
（1. Shanghai Institute of Measurement and Testing Technology; 2. National Institute of Metrology）

Abstract:The principles of vibration excitation method and shock excitation method for piezoelectric accelerometer calibration are introduced. Through calibration experiments for the sensitivity reponse rate of piezoelectric accelerometer, the calibration results of two methods are compared, and the similarities and differences of which are analyzed. The experimental results verified that calibration results of two methods have good consistency within the allowed frequency range of piezoelectric accelerometer. The research possesses certain reference meaning to the choice of suitable calibration methods for piezoelectric accelerometers.

Key words:piezoelectric accelerometer; calibration; vibration excitation method; shock excitation method

* 基金項目：上海市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局科技計劃項目（2015-33）