標(biāo)準(zhǔn)壓電加速度計(jì)的安裝方向?qū)ζ錅y(cè)量結(jié)果的影響

董平 丁耀芳 / ．江蘇省計(jì)量科學(xué)研究院；．中科院南京天文儀器有限公司

標(biāo)準(zhǔn)壓電加速度計(jì)的安裝方向?qū)ζ錅y(cè)量結(jié)果的影響

董平1丁耀芳2/ 1．江蘇省計(jì)量科學(xué)研究院；2．中科院南京天文儀器有限公司

以BK8305型標(biāo)準(zhǔn)壓電加速度計(jì)為例，設(shè)計(jì)了背靠背法、倒置法兩種安裝方向的比較實(shí)驗(yàn)。以B&K公司的PULSE 3560C動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀和標(biāo)準(zhǔn)加速度計(jì)套組8305/2626為檢測(cè)工具，通過兩種測(cè)量結(jié)果的比較，研究標(biāo)準(zhǔn)壓電加速度計(jì)的安裝方向?qū)ζ錅y(cè)量結(jié)果的影響。

標(biāo)準(zhǔn)壓電加速度計(jì)，靈敏度，安裝方向，測(cè)量結(jié)果

0 引言

壓電式加速度計(jì)是常見的振動(dòng)類傳感器，用于測(cè)量振動(dòng)和沖擊的加速度，廣泛應(yīng)用于振動(dòng)噪聲控制領(lǐng)域，諸如航空航天、船舶制造、環(huán)保執(zhí)法、建筑測(cè)量、機(jī)械制造、衛(wèi)生防疫、旋轉(zhuǎn)機(jī)械和電力系統(tǒng)。壓電加速度計(jì)根據(jù)壓電敏感元件所處的位置不同分為：工作用壓電加速度計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)壓電加速度計(jì)。工作用壓電加速度計(jì)的壓電元件在加速度計(jì)的底端，標(biāo)準(zhǔn)壓電加速度計(jì)的壓電元件在頂端。丹麥B&K公司生產(chǎn)的8305型壓電加速度計(jì)就屬于標(biāo)準(zhǔn)壓電加速度計(jì)，是進(jìn)行量值傳遞的主要標(biāo)準(zhǔn)器。其主要參數(shù)是靈敏度，行業(yè)內(nèi)對(duì)其靈敏度測(cè)量時(shí)的安裝方向有兩種截然不同的方法，為研究哪種安裝方式更加可靠，設(shè)計(jì)這兩種方法的比較實(shí)驗(yàn)就顯得非常必要。

1 壓電加速度計(jì)的工作原理

壓電加速度計(jì)主要由質(zhì)量塊、壓電敏感元件和基座等組成，利用壓電敏感元件的正壓電效應(yīng)工作[1]，即：當(dāng)加速度計(jì)被固定在被測(cè)振動(dòng)物體上時(shí)，壓電元件收到質(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。當(dāng)被測(cè)振動(dòng)頻率遠(yuǎn)低于加速度計(jì)振動(dòng)系統(tǒng)的固有頻率時(shí)，加速度計(jì)敏感元件產(chǎn)生的電荷量同加速度計(jì)基座絕對(duì)加速度值成正比，因此加速度計(jì)輸出電量的瞬時(shí)值與它所受到的機(jī)械振動(dòng)加速度瞬時(shí)值成正比。

2 一般壓電加速度計(jì)的安裝方式

加速度計(jì)在安裝時(shí)，要求選擇盡可能靠近其要求的測(cè)量部位，使其具有同樣的振動(dòng)，且使加速度計(jì)的靈敏軸與測(cè)量方向一致，否則由于橫向靈敏度將導(dǎo)致附加誤差。GB/T 14412-2005《機(jī)械振動(dòng)與沖擊加速度計(jì)的機(jī)械安裝》明確了加速度計(jì)的安裝程序及要求。常見的安裝方式有6種：磁性座、氰基丙烯酸乙酯、雙面膠帶、蜂蠟、螺絲、螺絲+硅脂。其中，螺絲固定的方式，是使共振頻率達(dá)到出廠共振頻率的最好方式。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(jì)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[1]。

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

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為研究標(biāo)準(zhǔn)壓電加速度計(jì)的安裝方向?qū)铀俣褥`敏度測(cè)量結(jié)果的影響，特設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)。將被測(cè)標(biāo)準(zhǔn)壓電加速度計(jì)按相反的兩個(gè)方向安裝在參考標(biāo)準(zhǔn)壓電加速度計(jì)上，采用絕對(duì)比較法，測(cè)量被測(cè)標(biāo)準(zhǔn)壓電機(jī)速度計(jì)的靈敏度頻率響應(yīng)并計(jì)算其En值。以2011年中測(cè)院組織的CNAS M0042壓電加速度計(jì)校準(zhǔn)能力驗(yàn)證為例，比對(duì)樣品：型號(hào)為8305，其靈敏度指定值和測(cè)量不確定度見表1。

表1 被測(cè)標(biāo)準(zhǔn)壓電機(jī)速度計(jì)的靈敏度指定值和測(cè)量不確定度

試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)器采用丹麥B&K公司4808型中頻標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)臺(tái)，2719型功率放大器，8305型標(biāo)準(zhǔn)壓電加速度計(jì)，2626型電荷放大器，B&K PULSE 3560C動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀。分別在20 Hz、40 Hz、80 Hz、160 Hz、315 Hz、630 Hz、1 000 Hz、2 000 Hz頻率點(diǎn)上測(cè)量被測(cè)8305加速度計(jì)的靈敏度。按照式（1）計(jì)算加速度計(jì)的靈敏度幅值實(shí)測(cè)值S2：

式中：S1——參考標(biāo)準(zhǔn)加速度計(jì)的靈敏度幅值，pC/ m·s-2；

S2——被測(cè)標(biāo)準(zhǔn)加速度計(jì)的靈敏度幅值實(shí)測(cè)值，pC/m·s-2；

X1——參考標(biāo)準(zhǔn)加速度計(jì)輸出值，mV；

X2——被測(cè)標(biāo)準(zhǔn)加速度計(jì)輸出值[2]，mV

安裝時(shí)，被測(cè)加速度計(jì)底面涂一層硅脂以保證其良好的剛性連接，安裝力矩為2 N·m。開啟振動(dòng)臺(tái)，當(dāng)幅值和頻率穩(wěn)定后，用B&K PULSE 3560C動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀采用正弦逐點(diǎn)法測(cè)量被測(cè)加速度計(jì)靈敏度。電荷放大器B&K 2626靈敏度檔置1pC/Unit，放大檔置0.01 Volt/ Unit。

按照式（2）計(jì)算En值

式中：S2——被測(cè)標(biāo)準(zhǔn)加速度計(jì)的靈敏度幅值實(shí)測(cè)值，pC/m·s-2；

Sref——被測(cè)標(biāo)準(zhǔn)加速度計(jì)的靈敏度指定值，pC/m·s-2；

U2——被測(cè)標(biāo)準(zhǔn)加速度計(jì)的靈敏度幅值實(shí)測(cè)值的擴(kuò)展不確定度；

Uref——被測(cè)標(biāo)準(zhǔn)加速度計(jì)的靈敏度指定值的擴(kuò)展不確定度

1）實(shí)驗(yàn)一

按照?qǐng)D1所示連接儀器，將被測(cè)加速度計(jì)與參考加速度計(jì)標(biāo)注UP方向背靠背用螺栓剛性安裝在標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)臺(tái)4808上面。

圖1 背靠背法安裝示意圖

2）實(shí)驗(yàn)二

按照?qǐng)D2所示連接儀器，將被測(cè)加速度計(jì)接觸面與參考加速度計(jì)接觸面用螺栓剛性安裝在標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)臺(tái)4808上面。參考?jí)弘娂铀俣扔?jì)8305 UP方向向上，被測(cè)加速度計(jì)8305 UP方向向下倒置。

圖2 倒置法安裝示意圖

3.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2和表3。

表2 背靠背法安裝的試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表3 倒置法安裝的試驗(yàn)數(shù)據(jù)

4 結(jié)語

由表2、表3數(shù)據(jù)可以看出，按照傳感器的UP方向背靠背安裝法的結(jié)果優(yōu)于倒置安裝法的結(jié)果。標(biāo)準(zhǔn)壓電加速度計(jì)在測(cè)量時(shí)的安裝方向?qū)Y(jié)果在1 000 Hz以上的高頻測(cè)量上表現(xiàn)顯著，倒置法的結(jié)果在2 000 Hz甚至接近0.7的危險(xiǎn)值。綜上所述，在做標(biāo)準(zhǔn)壓電加速度計(jì)測(cè)量時(shí)，優(yōu)先推薦按照兩個(gè)傳感器UP標(biāo)注方向,也就是背靠背法進(jìn)行安裝測(cè)量。

[1]周長(zhǎng)華，馬青亮，黃鋒.不同安裝方式對(duì)加速度計(jì)靈敏度的影響[J].自動(dòng)化與信息工程，2014，35（2）：25-28.

[2]潘良明，劉立群.壓電加速度計(jì)校準(zhǔn)時(shí)不同安裝方式的比較[J].上海計(jì)量測(cè)試，2013（6）：15-17.

[3]李翠，李效民，鐘美芳.壓電式加速度傳感器的智能應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2010（10）：231-234.

[4]全國機(jī)械振動(dòng)與沖擊標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).GB/T 14412-2005 機(jī)械振動(dòng)與沖擊 加速度計(jì)的機(jī)械安裝[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2005.

[5]鐘美芳.振動(dòng)傳感器加速度示值測(cè)量結(jié)果的不確定度評(píng)定[J].中國測(cè)試技術(shù)，2006（5）：143-144.

Research of installation direction in fl uence on measurement results of standard piezoelectric accelerometer

Dong Ping1，Ding Yaofang2
（1.Jiangsu Institute of Metrology；2. Nanjing Astronomical Instrument Co Ltd）

In order to verify the effect of the two kinds of installation directions on the measurement results, this paper based on the BK8305 standard piezoelectric accelerometer as an example, designs a comparison experiment of back to back method and inversion method. Used B&K company's Pulse 3560C Dynamic Signal Analyzer and the standard accelerometer set 8305/2626 as the testing tools, through the comparison results, research the influence on the measurement results caused by standard piezoelectric accelerometer installation directions.

standard piezoelectric accelerometer; sensitivity; installation direction; measurement result