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勞易測 振動加速度傳感器
振動測試是動態測試的典型內容之一，一般包含以下三個方面的內容。
（1）振動系統振動參數的測試，包括測量振動物體 上某點的位移、振動速度、振動加速度、效率和相位等參數，了解被測對象的振動狀態，評定等級和尋找振源，對設備進行監測、分析、診斷和預測。
（2）振動系統特性參數的測試。以某種激振力作用在被測對象上，使它產生受迫振動，測量輸入（激勵）和輸出（被測對象振動響應），從而確定被測對象的振動力學參數或動態性能，如固有頻率、阻尼、剛度、頻率響應和模態等參數。
（3）機械動力強度和模擬環境振動試驗，即按規定的振動條件，對設備進行振動例行試驗，用以檢查設備的耐振壽命、性能穩定性以及設計、制造、安裝的合理性。
不同的振動測試系統，使用不同類型的振動加速度傳感器，如磁電式速度傳感器配用微積分放大器進行測試；壓電式加速度傳感器，配用電荷放大器進行振動參數測試。
本篇只介紹目前*常用的壓電式加速度傳感器與電荷放大器組成的振動測試系統。壓電式加速度傳感器的工作原理是基于壓電效應。
二、壓電效應與逆壓電效應
某些電介質，當沿著一定方向對其施力使它變形時，其內部就產生極化現象，同時在它的表面上便產生符號相反的電荷，當外力去掉后，又重新恢復到不帶電狀態，這種現象稱為壓電效應。當作用力方向改變時，電荷的極性也隨之改變。有時人們把這種機械能轉化為電能的現象，稱為“正壓電效應”。相反，當在電介質極化方向施加電場時，這些電介質也會產生變形，這種現象稱為“逆壓電效應”（電致伸縮放應）。壓電材料能實現機電能量的相互轉換。
晶體的壓電效應可用圖1加以說明。圖1（a）所示是晶體具有壓電效應的示意圖。一些晶體不受外力作用時，晶體的正負電荷中心相重合，單位體積中的電矩（極化強度）等于零，晶體對外不呈現極性。而在外力作用下晶體變形時，正負電荷的中心發生分離，這時單位體積的電矩不再為零，晶體表現出極性。圖1（b）中，另外一些晶體由于具有中心對稱的結構，無論外力如何作用，晶體正負電荷的中心總是重合在一起，因此這些晶體不會出現壓電效應。
圖1（a）具有壓電效應的晶體
圖1（b）不具有壓電效應的晶體
壓電材料可以分為兩大類：壓電晶體和壓電陶瓷。壓電材料的主要特性參數如下。
① 壓電常數。它是衡量材料壓電效應強弱的參數，直接關系到壓電輸出的靈敏度。
② 彈性常數。壓電材料的彈性常數、剛度決定著壓電器件的固有頻率相動態特性。
③ 介電常數。對于一定形狀、尺寸的壓電元件，其固有電容與介電常數有關，而固有電容又影響著壓電傳感器的頻率下限。
④ 機械耦合系數。在壓電效應中，其值等于轉換輸出能量（如電能）與輸入能量（如機械能）之比的平方根，它是衡量壓電材料電能量轉換效率的一個重要參數。
⑤ 電阻。壓電材料的絕緣電阻將減少電荷泄漏，從而改善壓電傳感器的低頻特性。
⑥ 居里點。壓電材料開始喪失壓電特性的溫度。
三、壓電式加速度傳感器的結構與使用
壓電式加速度傳感器是基于某種晶體材料的壓電效應而制成的慣性傳感器。傳感器受振時，質量塊加在壓電元件上的力隨之變化，當被測振動頻率遠低于傳感器的固有頻率時，這個力的變化與被測振動的加速度成正比。由于壓電效應.在壓電元件中便產生了與被測加速度成正比的電荷量。
（1）壓電式加速度傳感器的結構
如圖2所示，壓電式加速度傳感器主要由壓電元件P、質量塊M、壓緊彈簧S和基座B等組成。壓電式加速度傳感器形式較多，圖（a）為外緣固定型，其彈簧外緣固定在殼體上，此結構因底座與殼體構成了彈簧質量系統的一部分，故易受到外界溫度與噪聲的影響，以及安裝緊固時底座變形引起的影響，這些都直接影響加速度的輸出；圖（b）為中間固定型，壓電元件、質量塊和壓緊彈簧固定在一個中心桿上，壓電元件的預緊力由中心桿上部的蝶形彈簧調整，殼體僅起屏蔽作用，消除了殼體變形帶來的影響；圖（c）為倒置中間固定型，這種結構的中心桿不直接與基座相連接，可以避免基座變形帶來的影響，但其殼體壁部分也容易產生彈性變形，故其共振頻率較低；圖（d）為剪切型，它是將一個圓筒狀壓電元件粘結在中心架上，并在壓電元件的外圓又粘結一個圓筒狀質量塊，當傳感器受到沿軸向的振動時，壓電元件受到剪切應力而產生電荷，這種結構有利于降低基座變形及外界溫度變化與噪聲的影響，有很高的共振頻率和靈敏度，且橫向靈敏度小。
圖2 壓電式加速度傳感器結構形式
（2）壓電式加速度傳感器的主要性能參數
① 靈敏度。壓電式加速度傳感器既可看成一個電荷源，又可以看成一個電壓源，故其靈敏度也可以分別用電荷靈敏度和電壓靈敏度來表示。電荷靈敏度是指單位加速度所產生的電荷量值大小，可表示為：
式中
Sq——電荷靈敏度（Pc/g）；
q——加速度傳感器輸出電荷（Pc）；
a——傳感器所受加速度（g為重力加速度本位）。
電壓靈敏度是指單位加速度所產生的電壓量值大小，可表示為
式中
Su——電壓靈敏度（mV/g）；
U——加速度傳感器輸出電壓（mV）。
對于某一給定壓電材料的壓電式加速度傳感器，其靈敏度隨質量塊的增大而增大。一般說來，加速度傳感器尺寸越大，靈敏度越高，其固有頻率越低。
② 頻率響應范圍。由慣性式加速度傳感器的響應條件的分析可知，加速度傳感器的使用頻率上限取決于其共振頻率。由于壓電式加速度傳感器的阻尼甚小（一般ξ ≤0.1），上限頻率約為共振頻率的30%時，幅值誤差可小于10%；上限頻率約為共振頻率的20%時，幅值誤差可小于5%；所以，壓電式加速度傳感器的固有頻率越高，其可用的頻率范圍越寬。質量小的傳感器，其固有頻率高，則高頻性能好，但由于其靈敏度低，故低頻性能差；質量大的傳感器則相反。振動測試時可根據實際測試要求選擇。
壓電式加速度傳感器可測量的下限頻率不取決于傳感器本身，而取決于所采用測量系統的低頻特性。壓電元件工作時產生的電荷量是極其微弱的，而測量系統不可避免地要產生電荷泄漏，從而造成測量誤差。關鍵是要測定這樣微弱的電荷（或電壓），以及如何把電荷泄漏減少到測量準確度所要求的限度以內。電壓放大器實際就是一個高輸入阻抗的比例放大器，其電路比較簡單，但輸出受連接電纜對地電容的影響，適用于一般振動測量。電荷放大器以電容作負反饋，使用中基本上不受電纜電容的影響，輸入阻抗也更高，其下限截止頻率更低。一般電荷放大器可達到0.01Hz數量級，*低的可達到準靜態的程度。
圖3所示是某壓電式加速度傳感器的幅頻特性曲線，其可用的頻率范圍在特性曲線平直段。對于某些測試項目，如結構傳遞函數的測量、現場動平衡測試等，不僅要求滿足幅值測量精度，而且要求相移也在容許范圍內。考慮相移后，使用頻率范圍要比只考慮幅值時更窄些。
圖3 壓電式加速度傳感器幅頻特性曲線
③ 橫向靈敏度。由于壓電材料本身的下均勻性與不規則性，所以當壓電式加速度傳感器橫向受振時，也會產生一定的輸出，其大小用橫向靈敏度表示。一般規定，橫向靈敏度不得大于主靈敏度的3%。
（3）壓電式加速度傳感器的安裝
壓電式加速度傳感器的使用上限頻率受其共振頻率的限制，所以出廠時均給出頻率響應曲線。由于頻率響應曲線與安裝方法關系很大，所以若安裝方法不當，如結合力不夠、組合面粗糙、安裝螺釘孔與安裝面不垂直等，都會使共振頻率下降，從而降低傳感器的使用上限頻率。常用于固定加速度傳感器的安裝方法很多，如圖4所示，用鋼制雙頭螺栓將傳感器固定于光潔平面上是*好的方法，擰緊螺栓時，應防止基座變形而影響輸出。在結合面之間涂一薄層硅脂，可以增加安裝剛度，有利于高頻響應。需要絕緣時，可用絕緣螺栓和極薄的云母墊圈來固定傳感器。用粘接螺栓和粘接劑固定傳感器的方法也很方便，其可測的上限頻率不得高于5kHz。在低溫條件下可用一層薄蠟來黏附傳感器。用雙面膠紙替代粘接劑來固定傳感器也是行之有效的辦法。手持探針測振的方法只能用于1kHz以下的近似探測，多測點時比較方便。采用永J磁鐵來固定傳感器使用方便，多在低頻測量中使用。當然，探針與磁鐵會形成附加質量，在輕小系統上測試時要注意其影響。
圖4 加速度傳感器的固定方法
四、振動加速度測量系統的基本組成
（1）測振系統的組成
因為振動基本參數的測量其被測對象是振動的，所以這類測試的振動傳感器可根據測試的要求安裝在被測對象測點上。常用測振系統原理如圖5所示。
圖5 測振系統原理圖
對于壓電加速度傳感器，工作受振后直接有電荷或電壓輸出，但由于傳感器輸出的電信號均較微弱，所以為了能夠推動記錄設備，必須對信號進行放大。測振放大器是測試系統中傳感器與記錄器的中間環節，其輸入特性必須滿足傳感器的要求，而其輸出特性又必須與記錄儀器相匹配。壓電式加速度傳感器，其輸出電信號必須進行預放大再輸入放大器，因為壓電式加速度傳感器是一個能產生電荷的高內阻發電元件，但由于產生的電荷的總量級較小，難以直接傳輸；同時，一般測量儀器的輸入阻抗不可能很高，此微弱電荷又極易在測量電路的輸入電阻上被釋放掉，所以要求連接壓電式加速度傳感器的測量或放大裝置（如電壓放大器或電荷放大器）必須有較高的輸入阻抗，并且將壓電式加速度傳感器的高輸出阻抗變換為低輸出阻抗，以便與主放大器連接。由于這類預放大裝置都是作為測量系統的前級放大，故統稱為前置放大器。測振放大器除了有放大作用外，常兼有積分、微分和濾波等功能。
根據振動測試的目的和要求，可以把經過放大的電信號直接輸入指示記錄儀器，將振動的時間歷程記錄顯示出來；也可以把該信號先輸入到分析儀器進行必要的參數統計分析，如頻譜分析、相關分析及功率譜分析等，然后再記錄顯示。
（2）測試系統與測試儀器的選擇
在振動加速度測試中合理選擇測振儀器與測試系統十分重要，選擇不當往往會得出錯誤的結果。這里主要考慮以下幾個方面。
① 頻率范圍。根據被測對象振動的頻率范圍確定各測試環節（振動傳感器、前置放大器、主放大器及指示記錄儀器等）的頻率響應特性。選用加速度傳感器時，傳感器固有頻率應該是被測振動信號中*高頻率的3～5倍，其他各測試環節中，不同的測試儀器其頻率響應特性不同，可以測量的頻率范圍也不一樣，選擇儀器時應注意。相位有要求的測試項目（如作虛實頻頻譜、幅相圖、振型等測量），除了應該注意傳感器的相頻特性外，還要注意放大器，特別是帶微積分網絡的放大器的相頻特性和測試系統中所有其他儀器的相頻特性，因為所測得的激勵和響應之間的相位已包括了測試系統中所有儀器的相移。
② 振級大小和測試精度要求。根據被測振動幅值的*大值和*小值確定各環節的動態范圍，并確定各環節及總的測試精度；不能片面選用高靈敏度的儀器，加速度傳感器靈敏度隨質量塊的增大而增大。但是其固有頻率卻隨之降低，這就意味著使用上限頻率的降低，對試件而言附加質量也增大了。此外，儀器的靈敏度越高，量程范圍也越小，抗*力越差，選用時應特別注意。
③ 試件質量與剛度大小。以此確定傳感器型式、質量及有關固定方法。
④ 測試環境。如溫度、濕度等，以此確定傳感器的裝配方法及系統接地等。
此外，還應該考慮測試系統內各個環節之間的配合關系，包括各環節間的阻抗匹配關系、靈敏度匹配關系、測試精度匹配關系等。
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