壓電式傳感器精確測(cè)試低頻振動(dòng)實(shí)驗(yàn)研究

秦夢(mèng)澤 張勇

1. 中國(guó)石油大學(xué)（北京）克拉瑪依校區(qū)工學(xué)院機(jī)械系，新疆克拉瑪依 834000；2. 鞍山鋼鐵集團(tuán)公司，遼寧鞍山 114001

一、前言

壓電式加速度傳感器具有價(jià)格低廉、頻帶寬、靈敏度高、信噪比高、工作可靠和重量輕等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于中、高頻的振動(dòng)測(cè)試（一般振動(dòng)頻率不低于5Hz）[1]。由于結(jié)晶器振動(dòng)的工作頻率一般為2Hz ～3Hz，在這種低頻振動(dòng)的情況下，不宜采用普通的磁電式速度傳感器來(lái)測(cè)量其速度和加速度，使用加速度傳感器比較合理。

本文通過(guò)改變調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器，改變功率放大器輸入信號(hào)頻率和幅值的方法改變標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)臺(tái)的振動(dòng)頻率和振幅，利用標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)臺(tái)（廉價(jià)的常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)臺(tái)一般適用于中、高頻測(cè)振傳感器的標(biāo)定）實(shí)現(xiàn)對(duì)低頻振動(dòng)條件下測(cè)振傳感器的標(biāo)定，用壓電式加速度傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)低頻振動(dòng)進(jìn)行測(cè)試。對(duì)于在工程應(yīng)用中進(jìn)行低頻振動(dòng)測(cè)試具有重要意義。

二、壓電式加速度傳感器的低頻振動(dòng)標(biāo)定技術(shù)

1、常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)臺(tái)在低頻振動(dòng)條件下的測(cè)試結(jié)果

實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有某公司的ESS-015標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)臺(tái)裝置，其技術(shù)指標(biāo)中工作頻率范圍是5Hz～10000Hz。該振動(dòng)臺(tái)出廠時(shí)附帶了一個(gè)經(jīng)過(guò)標(biāo)定的壓電式加速度傳感器（型號(hào)CA-YD-117），作為對(duì)振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)標(biāo)定時(shí)的比對(duì)基準(zhǔn)。

利用CA-YD-117加速度傳感器測(cè)試振動(dòng)臺(tái)在不同信號(hào)輸入情況下的振動(dòng)情況，用計(jì)算機(jī)記錄振動(dòng)波形。在輸入信號(hào)頻率為5Hz和2Hz下測(cè)振系統(tǒng)輸出的加速度波形分別如圖1所示。

通過(guò)以上不同頻率條件下得到的加速度信號(hào)波形可以看出，該振動(dòng)臺(tái)在振動(dòng)頻率為5Hz時(shí)，測(cè)得的加速度波形已有較小的畸變；當(dāng)振動(dòng)頻率為2Hz時(shí)，測(cè)得的加速度波形有明顯的畸變。進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)證明：振動(dòng)頻率越低，測(cè)得的加速度波形畸變?cè)絿?yán)重。

鑒于測(cè)振傳感器輸出信號(hào)產(chǎn)生畸變的原因不能排除基準(zhǔn)傳感器自身存在問(wèn)題，需要另選一個(gè)相對(duì)客觀、更為準(zhǔn)確的傳感器作為基準(zhǔn)傳感器。

2、標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)臺(tái)的低頻振動(dòng)特性測(cè)試與分析

為了驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)臺(tái)是否可以作為低頻實(shí)驗(yàn)的振動(dòng)設(shè)備，下面通過(guò)ST-2型電渦流傳感器來(lái)測(cè)量振動(dòng)臺(tái)的振動(dòng)情況，電渦流傳感器在不同的振動(dòng)頻率下測(cè)得振動(dòng)臺(tái)位移的輸出波形如圖2所示。

從圖2振動(dòng)臺(tái)位移曲線(xiàn)可以看出，在不同的低頻振動(dòng)條件下，電渦流傳感器測(cè)得的振動(dòng)臺(tái)的振動(dòng)位移曲線(xiàn)比較規(guī)則，沒(méi)有明顯的畸變情況發(fā)生。由于電渦流傳感器是以相對(duì)、非接觸方式測(cè)量振動(dòng)臺(tái)的低頻振動(dòng)，并且其低頻特性很好，用其測(cè)試得到的振動(dòng)臺(tái)低頻振動(dòng)的位移曲線(xiàn)是可信的。因此可以判定，在低頻振動(dòng)（1Hz～5Hz）條件下，振動(dòng)臺(tái)的振動(dòng)基本是標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)。

3、信號(hào)調(diào)理的效果

為了改善壓電式加速度傳感器5Hz以下低頻振動(dòng)測(cè)試信號(hào)畸變情況，在上述實(shí)驗(yàn)裝置中添加了信號(hào)調(diào)理硬件裝置來(lái)對(duì)絕對(duì)式（接觸式）的壓電式加速度傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行濾波和平滑處理，以減少或消除信號(hào)中的干擾成分。本實(shí)驗(yàn)選用了YE3760A型雙通道低通濾波器。通過(guò)低通濾波和平滑處理等信號(hào)調(diào)理后得到波形如圖3所示。

把圖3所示波形與圖2相比較，可以看出，經(jīng)過(guò)硬件信號(hào)調(diào)理后振動(dòng)臺(tái)在低頻振動(dòng)條件下，CA-YD-117加速度傳感器輸出波形畸變較小，絕對(duì)式（接觸式）傳感器測(cè)振所產(chǎn)生的畸變得到了很大程度的改善。在有限點(diǎn)處的輕度畸變?nèi)匀淮嬖?，但?duì)整個(gè)波形的幅度和頻率等特征參數(shù)的測(cè)量影響較小。

通過(guò)查閱低頻振動(dòng)相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)了解到，在低頻振動(dòng)條件下，只要不影響整個(gè)波形的特征參數(shù)的精度，在固定的有限點(diǎn)出現(xiàn)畸變的情況是允許的。當(dāng)然，在這種情況下，必須使用非接觸式測(cè)振傳感器作為基準(zhǔn)傳感器[2-3]。

4、低頻振動(dòng)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)裝置

該振動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置包括信號(hào)發(fā)生器、功率放大器、標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)臺(tái)、信號(hào)放大器與調(diào)理器、模數(shù)轉(zhuǎn)換卡和計(jì)算機(jī)等，如圖4所示。

其中，標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)臺(tái)（型號(hào)ESS-015）的工作頻率范圍是5Hz～ 10000Hz。為了使該標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)臺(tái)能夠用于低頻振動(dòng)（1Hz～5Hz）測(cè)振傳感器的精確標(biāo)定，采用相對(duì)式（非接觸）傳感器（電渦流式傳感器）作為對(duì)測(cè)振傳感器標(biāo)定時(shí)的比對(duì)基準(zhǔn)。壓電式加速度傳感器的信號(hào)調(diào)理器由電荷放大器（型號(hào)YE5858B）和低通濾波器（型號(hào)YE3760A）組成。標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)臺(tái)上安裝傳感器的情況見(jiàn)圖5。

5、實(shí)驗(yàn)方法

調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器改變功率放大器輸入信號(hào)頻率和幅值，改變標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)臺(tái)的振動(dòng)頻率和振幅。在標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)臺(tái)上，安裝的電渦流傳感器用于測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)臺(tái)的頻率和振幅；安裝了3個(gè)被標(biāo)定的壓電式加速度傳感器，其中1號(hào)、2號(hào)和3號(hào)傳感器的靈敏度分別為5.33pC/ms-2、48.75pC/ms-2、253.2pC/ms-2。在實(shí)驗(yàn)中，標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)臺(tái)實(shí)現(xiàn)頻率為1Hz、2Hz、3Hz、4Hz、5Hz的振動(dòng)，在每個(gè)振動(dòng)頻率下有4種振幅。

標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)臺(tái)實(shí)現(xiàn)的振動(dòng)頻率、振幅及對(duì)應(yīng)的加速度、3個(gè)傳感器的輸出信號(hào)的情況見(jiàn)表1。

6、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

（1）被標(biāo)定傳感器的輸出信號(hào)情況

實(shí)驗(yàn)中使用的電荷放大器采用“歸一化”的信號(hào)放大方式。盡管3個(gè)被標(biāo)定傳感器的靈敏度各不相同，在同一加速度條件下，經(jīng)過(guò)放大的3個(gè)傳感器輸出信號(hào)幅值基本相同。

（2）被標(biāo)定傳感器的輸出特性

通過(guò)表1不能直接看出3個(gè)被標(biāo)定傳感器在1Hz～5Hz振動(dòng)條件下信號(hào)輸出的特點(diǎn)。由表1可以得到每個(gè)被標(biāo)定傳感器的輸出特性為：

式中，a0—實(shí)驗(yàn)中標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)臺(tái)的加速度，mm/s2；

U —在加速度a0條件下被標(biāo)定傳感器的輸出信號(hào)幅值，mV。

用式（1）對(duì)表1中的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可以得到各個(gè)被標(biāo)定傳感器的輸出特性情況，見(jiàn)表2。

表1 標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)臺(tái)的振動(dòng)參數(shù)和被標(biāo)定傳感器輸出信號(hào)

表中，f0—標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)臺(tái)的振動(dòng)頻率；

A0—標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)臺(tái)的振幅；

a0—標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)臺(tái)的加速度；

U1—1號(hào)加速度傳感器的輸出電壓信號(hào)；

U2—2號(hào)加速度傳感器的輸出電壓信號(hào)；

U3—3號(hào)加速度傳感器的輸出電壓信號(hào)。

表2 被標(biāo)定傳感器的輸出特性情況

表中，Ca1—1號(hào)加速度傳感器的輸出特性；

Ca2—2號(hào)加速度傳感器的輸出特性；

Ca3—3號(hào)加速度傳感器的輸出特性。

由表2可以看出：

A.當(dāng)振動(dòng)頻率為4Hz和5Hz時(shí)，每個(gè)被標(biāo)定傳感器在不同的加速度條件下輸出特性都非常穩(wěn)定；

B.當(dāng)振動(dòng)頻率為2Hz和3Hz時(shí)，每個(gè)被標(biāo)定傳感器的輸出特性有隨加速度減小而增大的趨勢(shì)；

C.當(dāng)振動(dòng)頻率為1Hz時(shí)，每個(gè)被標(biāo)定傳感器在不同的加速度條件下輸出特性都不穩(wěn)定。

（3）被標(biāo)定傳感器的平均輸出特性

如果用每個(gè)被標(biāo)定傳感器在每個(gè)頻率下的輸出特性平均值，可以得到3個(gè)被標(biāo)定傳感器的平均輸出特性曲線(xiàn)，如圖6所示。

在圖6中，曲線(xiàn)1～3是1～3號(hào)加速度傳感器的平均輸出特性曲線(xiàn)。3條曲線(xiàn)表現(xiàn)出相同的規(guī)律性：

A.當(dāng)振動(dòng)頻率為4Hz和5Hz時(shí)，每個(gè)被標(biāo)定傳感器的平均輸出特性變化較小；

B.當(dāng)振動(dòng)頻率為1Hz～3Hz時(shí)，每個(gè)被標(biāo)定傳感器的平均輸出特性比振動(dòng)頻率為4Hz和5Hz時(shí)的平均輸出特性增大5.5%～13%。

三、標(biāo)定實(shí)驗(yàn)結(jié)論

1、實(shí)驗(yàn)中被標(biāo)定的是3個(gè)普通壓電式加速度傳感器，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有普遍性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，普通壓電式加速度傳感器可以用于1Hz～5Hz的低頻振動(dòng)測(cè)試。

2、針對(duì)結(jié)晶器振動(dòng)頻率為2Hz～3Hz的工況條件，對(duì)壓電式加速度傳感器進(jìn)行振動(dòng)頻率為2Hz～3Hz的標(biāo)定，可以得到較好的振動(dòng)測(cè)試效果。