壓電加速度傳感器電激勵自校準方法研究

陳 樂

(92493部隊60分隊，遼寧 葫蘆島 125000)

1 引 言

壓電加速度傳感器在風力發(fā)電安全、機械設備故障診斷、地震預警等領域的振動監(jiān)測方面應用廣泛[1～3],定期對傳感器進行校準工作可以保證其靈敏度的準確性,從而保證其測量數(shù)據(jù)的有效、可靠。目前振動傳感器的校準工作大多在實驗室環(huán)境下進行,但是實驗室校準周期長、費用高、操作復雜[4],普通用戶更需要現(xiàn)場或原位在線校準方法[5～7]。目前振動傳感器的現(xiàn)場校準方法主要使用帶有驅(qū)動端口的振動傳感器,自上世紀60年代,中國地震局工程力學研究所開始陸續(xù)研制701型、MJ型等動圈換能伺服式加速度計,通過內(nèi)置校準線圈實現(xiàn)現(xiàn)場校準[8],適用范圍一般是在10 Hz以下,高于此頻率誤差會逐漸增大。魯敏介紹的一種自校準壓電加速度計,在5～2 000 Hz范圍的頻響不平度優(yōu)于0.4 dB,但具體方法和實驗缺少說明[9]。

本文以帶驅(qū)動端口的壓電加速度傳感器為對象,提出一種自校準方法,說明了壓電加速度傳感器具體的自校準原理、方法、步驟,通過采用電激勵方式對帶有驅(qū)動端口的壓電加速度傳感器進行自校準試驗,基于已知的驅(qū)動壓電元件的轉(zhuǎn)換靈敏度,實現(xiàn)傳感器現(xiàn)場原位校準,并與標準振動臺校準方法對比驗證,以表明自校準方法的可行性,解決目前加速度傳感器存在的定期校準困難、校準高成本、長期工作需求無法滿足等問題。

2 壓電加速度計自校準原理

圖1所示為剪切型壓電加速度計的基本結(jié)構(gòu),其內(nèi)部包括連接驅(qū)動端口的驅(qū)動壓電組件與連接信號端口的敏感壓電組件,正弦電壓激勵信號輸入驅(qū)動壓電組件由于逆壓電效應而產(chǎn)生壓電驅(qū)動力,作用于連接組件的慣性質(zhì)量塊與敏感壓電組件,產(chǎn)生內(nèi)部振動,敏感壓電組件產(chǎn)生電荷信號。通過電激勵提供內(nèi)部振源模擬外界振動激勵[10],可以實現(xiàn)壓電加速度計的靈敏度和其頻率響應等特性的校準。

圖1 剪切型壓電加速度計的基本結(jié)構(gòu)

壓電加速度計的校準原理如圖2所示,壓電加速度計正常工作時的傳遞函數(shù)Ha(s)[11]為:

(1)

圖2 壓電加速度計的校準原理圖

式中:Ha(s)=H1(s)·H2(s)·H3(s)為內(nèi)部慣性質(zhì)量元件、壓電轉(zhuǎn)換元件和外部電荷放大器信號傳遞鏈組成的傳遞函數(shù)。

根據(jù)壓電加速度計的頻響特性,當其固有頻率遠大于振動體的振動頻率,且電荷放大器轉(zhuǎn)換系數(shù)在全頻段不變假設為1 mV/pC,即每1 pC電荷輸入量轉(zhuǎn)換為1 mV的電壓輸出,加速度計的靈敏度即Ha(s)近似為一常數(shù)[12],即

Ha(s)=md15

(2)

式中:m為加速度計的慣性質(zhì)量;d15為敏感壓電元件的壓電系數(shù)。

由式(2)可知,當所給的振動頻率遠小于其固有頻率時,傳感器靈敏度基本是由質(zhì)量、壓電系數(shù)決定的定值。傳感器具體運動形式為在振動激勵A(s)時,其內(nèi)部質(zhì)量塊由于存在慣性力Fi并且作用于壓電敏感元件而使其產(chǎn)生形變,由于元件存在正壓電效應而產(chǎn)生輸出電信號E(s)[13]。

通過自校準試驗在傳感器驅(qū)動端口施加電激勵信號Ue(s),可以利用內(nèi)部驅(qū)動元件存在的逆壓電效應而產(chǎn)生驅(qū)動力Fd為:

(3)

在激勵電壓頻率遠小于其固有頻率時,產(chǎn)生的驅(qū)動力Fd作用于壓電敏感元件并產(chǎn)生輸出電信號E(s),因此等效模擬了由于外界振動輸入而產(chǎn)生的慣性力Fi,由式(1)、(2)可知慣性力Fi公式為:

Fi=mA(s)

(4)

由式(3)、式(4)可知,自校準試驗測量的輸出電信號E(s)與電激勵信號Ue(s)比值為:

(5)

Hβ(s)=He(s)·Hα(s)

(6)

通過式(6)相比可知,壓電加速度計靈敏度與自校準傳遞函數(shù)之間相差了驅(qū)動壓電元件的傳遞函數(shù)He(s)。因此本文的自校準原理即通過自校準試驗得到壓電加速度計的電激勵靈敏度|Hβ(s)|和通過對驅(qū)動壓電組件的轉(zhuǎn)換靈敏度|He(s)|測定,得到壓電加速度計的靈敏度幅值為:

(7)

此外,在頻率增大接近或大于固有頻率的情況下,由于振動激勵作用在敏感元件上的力不再單純是慣性力,而是受到內(nèi)部剛度、阻尼因素的影響,同樣在電激勵下,內(nèi)部的等效剛度在高頻范圍也受到阻尼等因素影響,不再為定值,兩者之間的關系更加復雜,但都與內(nèi)部剛度、阻尼因素相關,因此自校準試驗結(jié)果的變化在一定程度上也能反映所測加速度計頻率特性質(zhì)量的好壞。

3 自校準方法與步驟

首先在實驗室環(huán)境下通過振動臺校準方法(如激光干涉法[14]、比較法[15]等),確定加速度計的幅頻特性,然后通過電激勵得到相應頻率下的驅(qū)動壓電元件的轉(zhuǎn)換靈敏度,最后在現(xiàn)場環(huán)境下,通過電激勵驅(qū)動壓電元件對加速度計進行校準。

3.1 加速度計振動臺校準

為實現(xiàn)振動標準的傳遞,需要建立所測的振動量值與加速度計輸出電荷信號的關系,因此在實驗室環(huán)境下按照國際標準中的激光干涉法、比較法等振動校準方法對加速度計的靈敏度進行不同頻率范圍下的校準。圖3為加速度計振動臺校準方法原理圖,加速度計安裝在振動臺上,其靈敏軸與振動臺振動方向平行,安裝采用螺釘加硅脂的方式[16],激勵頻率使用加速度計的工作頻帶,5～10 000 Hz,波形選用正弦波,按照1/3倍頻程校準加速度計的靈敏度:

圖3 加速度計振動臺校準方法原理圖

S=E/A

(8)

式中:S為加速度計靈敏度;E為加速度計輸出電荷信號經(jīng)信號調(diào)理儀轉(zhuǎn)換的電壓信號;A為振動臺對傳感器底座施加的加速激勵。

3.2 加速度計驅(qū)動壓電元件轉(zhuǎn)換靈敏度

在完成加速度計幅頻特性校準后,對加速度計驅(qū)動元件轉(zhuǎn)換靈敏度進行測定。通過對驅(qū)動端口輸入正弦電壓信號激勵,激勵頻率為5～10 000 Hz,按照1/3倍頻程測量加速度計信號端口的輸出電信號,結(jié)合式(4),可實現(xiàn)對轉(zhuǎn)換靈敏度的幅頻特性測量,即:

(9)

式中:Se為驅(qū)動壓電元件的轉(zhuǎn)換靈敏度:Ue為輸入激勵電壓。

3.3 加速度計現(xiàn)場校準

在加速度計的現(xiàn)場安裝原位,利用帶有信號發(fā)生功能和調(diào)理采集功能的便攜式裝置對傳感器進行電激勵測試,測量不同頻點下的電激勵信號與傳感器輸出信號比值,利用已知的驅(qū)動壓電元件的轉(zhuǎn)換靈敏度,得到該加速度計的靈敏度Sx為:

(10)

式中:Uex為輸入的激勵電壓信號;Ex為傳感器輸出電荷信號經(jīng)信號調(diào)理儀轉(zhuǎn)換的電壓信號;Se為驅(qū)動壓電元件的轉(zhuǎn)換靈敏度。

4 自校準試驗結(jié)果分析

4.1 加速度計靈敏度誤差

按照第3節(jié)所介紹的自校準方法的具體步驟,對111L30型壓電加速度計進行了校準試驗。如圖4所示,采用激光干涉法在振動臺上對該加速度計進行了5～10 000 Hz頻率范圍內(nèi)的靈敏度幅頻測試。采用INV3062C數(shù)據(jù)采集儀和RIGOL DG4162信號發(fā)生器根據(jù)相應頻點對加速度計進行了驅(qū)動壓電元件的電激勵測試得到其轉(zhuǎn)換靈敏度幅值,并進行傳感器安裝原位的電激勵自校準試驗得到各個頻點下傳感器的靈敏度,并采用振動臺校準方法校準傳感器靈敏度進行對比驗證。

圖4 加速度計靈敏度幅頻測試圖

表1為振動臺靈敏度校準結(jié)果和自校準試驗得到的靈敏度校準結(jié)果,可見,在5～10 000 Hz頻率范圍內(nèi),自校準靈敏度結(jié)果與振動臺靈敏度校準結(jié)果一致,誤差在±2%以內(nèi)。

表1 振動臺和自校準方法得到的靈敏度結(jié)果對比

3.2 自校準方法的不確定度分析

自校準不確定度主要包括:振動臺方法校準加速度計靈敏度的不確定度、驅(qū)動壓電元件轉(zhuǎn)換靈敏度測量的不確定度、現(xiàn)場原位電激勵測量的不確定度。采用振動臺方法校準加速度計靈敏度的不確定度主要由振動臺校準設備和采集設備的不確定度決定[17],采用激光干涉法靈敏度校準的擴展不確定度為1%(k=2)。驅(qū)動壓電元件轉(zhuǎn)換靈敏度Se測量的不確定度主要來源如表2和表3所示。

表2 驅(qū)動壓電元件轉(zhuǎn)換靈敏度Se測量的不確定度

表3 現(xiàn)場原位電激勵測量的不確定度主要來源

因此,加速度計電激勵自校準得到的靈敏度結(jié)果的相對擴展測量不確定度 (k=2)為:

urel(Sx)=kurel(Sx)=3.02%

(11)

5 總 結(jié)

本文采用電激勵的自校準方法能夠?qū)崿F(xiàn)帶驅(qū)動端口的壓電加速度傳感器的高精度校準。通過電學量的測量方法保證自校準方法的校準精度。被校準的壓電加速度傳感器在校準過程中無需拆卸即可準確實現(xiàn)靈敏度校準,有效地解決了傳感器無法定期校準的問題,且減小了校準環(huán)境變化引入的校準誤差并縮短了校準時間。此外,驅(qū)動壓電元件的轉(zhuǎn)換靈敏度的變化會影響校準精度,其內(nèi)部有效的慣性質(zhì)量、剛度以及驅(qū)動壓電元件的壓電系數(shù)不會保持恒定不變,還應通過環(huán)境實驗、傳感器老化實驗驗證以證明加速度計的自校準方法的長期可行性。