振动加速度传感器

一、振动参数测量的内容与振动测试系统的组成

振动测试是动态测试的典型内容之一，一般包含以下三个方面的内容。

（1）振动系统振动参数的测试，包括测量振动物体 上某点的位移、振动速度、振动加速度、效率和相位等参数，了解被测对象的振动状态，评定等级和寻找振源，对设备进行监测、分析、诊断和预测。

（2）振动系统特性参数的测试。以某种激振力作用在被测对象上，使它产生受迫振动，测量输入（激励）和输出（被测对象振动响应），从而确定被测对象的振动力学参数或动态性能，如固有频率、阻尼、刚度、频率响应和模态等参数。

（3）机械动力强度和模拟环境振动试验，即按规定的振动条件，对设备进行振动例行试验，用以检查设备的耐振寿命、性能稳定性以及设计、制造、安装的合理性。

不同的振动测试系统，使用不同类型的振动加速度传感器，如磁电式速度传感器配用微积分放大器进行测试；压电式加速度传感器，配用电荷放大器进行振动参数测试。

本篇只介绍目前最常用的压电式加速度传感器与电荷放大器组成的振动测试系统。压电式加速度传感器的工作原理是基于压电效应。

二、压电效应与逆压电效应

某些电介质，当沿着一定方向对其施力使它变形时，其内部就产生极化现象，同时在它的表面上便产生符号相反的电荷，当外力去掉后，又重新恢复到不带电状态，这种现象称为压电效应。当作用力方向改变时，电荷的极性也随之改变。有时人们把这种机械能转化为电能的现象，称为“正压电效应”。相反，当在电介质极化方向施加电场时，这些电介质也会产生变形，这种现象称为“逆压电效应”（电致伸缩放应）。压电材料能实现机电能量的相互转换。

晶体的压电效应可用图1加以说明。图1（a）所示是晶体具有压电效应的示意图。一些晶体不受外力作用时，晶体的正负电荷中心相重合，单位体积中的电矩（极化强度）等于零，晶体对外不呈现极性。而在外力作用下晶体变形时，正负电荷的中心发生分离，这时单位体积的电矩不再为零，晶体表现出极性。图1（b）中，另外一些晶体由于具有中心对称的结构，无论外力如何作用，晶体正负电荷的中心总是重合在一起，因此这些晶体不会出现压电效应。

图1（a）具有压电效应的晶体

图1（b）不具有压电效应的晶体

压电材料可以分为两大类：压电晶体和压电陶瓷。压电材料的主要特性参数如下。

① 压电常数。它是衡量材料压电效应强弱的参数，直接关系到压电输出的灵敏度。

② 弹性常数。压电材料的弹性常数、刚度决定着压电器件的固有频率相动态特性。

③ 介电常数。对于一定形状、尺寸的压电元件，其固有电容与介电常数有关，而固有电容又影响着压电传感器的频率下限。

④ 机械耦合系数。在压电效应中，其值等于转换输出能量（如电能）与输入能量（如机械能）之比的平方根，它是衡量压电材料电能量转换效率的一个重要参数。

⑤ 电阻。压电材料的绝缘电阻将减少电荷泄漏，从而改善压电传感器的低频特性。

⑥ 居里点。压电材料开始丧失压电特性的温度。

三、压电式加速度传感器的结构与使用

压电式加速度传感器是基于某种晶体材料的压电效应而制成的惯性传感器。传感器受振时，质量块加在压电元件上的力随之变化，当被测振动频率远低于传感器的固有频率时，这个力的变化与被测振动的加速度成正比。由于压电效应.在压电元件中便产生了与被测加速度成正比的电荷量。

（1）压电式加速度传感器的结构

如图2所示，压电式加速度传感器主要由压电元件P、质量块M、压紧弹簧S和基座B等组成。压电式加速度传感器形式较多，图（a）为外缘固定型，其弹簧外缘固定在壳体上，此结构因底座与壳体构成了弹簧质量系统的一部分，故易受到外界温度与噪声的影响，以及安装紧固时底座变形引起的影响，这些都直接影响加速度的输出；图（b）为中间固定型，压电元件、质量块和压紧弹簧固定在一个中心杆上，压电元件的预紧力由中心杆上部的蝶形弹簧调整，壳体仅起屏蔽作用，消除了壳体变形带来的影响；图（c）为倒置中间固定型，这种结构的中心杆不直接与基座相连接，可以避免基座变形带来的影响，但其壳体壁部分也容易产生弹性变形，故其共振频率较低；图（d）为剪切型，它是将一个圆筒状压电元件粘结在中心架上，并在压电元件的外圆又粘结一个圆筒状质量块，当传感器受到沿轴向的振动时，压电元件受到剪切应力而产生电荷，这种结构有利于降低基座变形及外界温度变化与噪声的影响，有很高的共振频率和灵敏度，且横向灵敏度小。

图2 压电式加速度传感器结构形式

（2）压电式加速度传感器的主要性能参数

① 灵敏度。压电式加速度传感器既可看成一个电荷源，又可以看成一个电压源，故其灵敏度也可以分别用电荷灵敏度和电压灵敏度来表示。电荷灵敏度是指单位加速度所产生的电荷量值大小，可表示为：

式中

Sq——电荷灵敏度（Pc/g）；

q——加速度传感器输出电荷（Pc）；

a——传感器所受加速度（g为重力加速度本位）。

电压灵敏度是指单位加速度所产生的电压量值大小，可表示为

式中

Su——电压灵敏度（mV/g）；

U——加速度传感器输出电压（mV）。

对于某一给定压电材料的压电式加速度传感器，其灵敏度随质量块的增大而增大。一般说来，加速度传感器尺寸越大，灵敏度越高，其固有频率越低。

② 频率响应范围。由惯性式加速度传感器的响应条件的分析可知，加速度传感器的使用频率上限取决于其共振频率。由于压电式加速度传感器的阻尼甚小（一般ξ ≤0.1），上限频率约为共振频率的30%时，幅值误差可小于10%；上限频率约为共振频率的20%时，幅值误差可小于5%；所以，压电式加速度传感器的固有频率越高，其可用的频率范围越宽。质量小的传感器，其固有频率高，则高频性能好，但由于其灵敏度低，故低频性能差；质量大的传感器则相反。振动测试时可根据实际测试要求选择。

压电式加速度传感器可测量的下限频率不取决于传感器本身，而取决于所采用测量系统的低频特性。压电元件工作时产生的电荷量是极其微弱的，而测量系统不可避免地要产生电荷泄漏，从而造成测量误差。关键是要测定这样微弱的电荷（或电压），以及如何把电荷泄漏减少到测量准确度所要求的限度以内。电压放大器实际就是一个高输入阻抗的比例放大器，其电路比较简单，但输出受连接电缆对地电容的影响，适用于一般振动测量。电荷放大器以电容作负反馈，使用中基本上不受电缆电容的影响，输入阻抗也更高，其下限截止频率更低。一般电荷放大器可达到0.01Hz数量级，最低的可达到准静态的程度。

图3所示是某压电式加速度传感器的幅频特性曲线，其可用的频率范围在特性曲线平直段。对于某些测试项目，如结构传递函数的测量、现场动平衡测试等，不仅要求满足幅值测量精度，而且要求相移也在容许范围内。考虑相移后，使用频率范围要比只考虑幅值时更窄些。

图3 压电式加速度传感器幅频特性曲线

③ 横向灵敏度。由于压电材料本身的下均匀性与不规则性，所以当压电式加速度传感器横向受振时，也会产生一定的输出，其大小用横向灵敏度表示。一般规定，横向灵敏度不得大于主灵敏度的3%。

（3）压电式加速度传感器的安装

压电式加速度传感器的使用上限频率受其共振频率的限制，所以出厂时均给出频率响应曲线。由于频率响应曲线与安装方法关系很大，所以若安装方法不当，如结合力不够、组合面粗糙、安装螺钉孔与安装面不垂直等，都会使共振频率下降，从而降低传感器的使用上限频率。常用于固定加速度传感器的安装方法很多，如图4所示，用钢制双头螺栓将传感器固定于光洁平面上是最好的方法，拧紧螺栓时，应防止基座变形而影响输出。在结合面之间涂一薄层硅脂，可以增加安装刚度，有利于高频响应。需要绝缘时，可用绝缘螺栓和极薄的云母垫圈来固定传感器。用粘接螺栓和粘接剂固定传感器的方法也很方便，其可测的上限频率不得高于5kHz。在低温条件下可用一层薄蜡来黏附传感器。用双面胶纸替代粘接剂来固定传感器也是行之有效的办法。手持探针测振的方法只能用于1kHz以下的近似探测，多测点时比较方便。采用专用永久磁铁来固定传感器使用方便，多在低频测量中使用。当然，探针与磁铁会形成附加质量，在轻小系统上测试时要注意其影响。

图4 加速度传感器的固定方法

四、振动加速度测量系统的基本组成

（1）测振系统的组成

因为振动基本参数的测量其被测对象是振动的，所以这类测试的振动传感器可根据测试的要求安装在被测对象测点上。常用测振系统原理如图5所示。

图5 测振系统原理图

对于压电加速度传感器，工作受振后直接有电荷或电压输出，但由于传感器输出的电信号均较微弱，所以为了能够推动记录设备，必须对信号进行放大。测振放大器是测试系统中传感器与记录器的中间环节，其输入特性必须满足传感器的要求，而其输出特性又必须与记录仪器相匹配。压电式加速度传感器，其输出电信号必须进行预放大再输入放大器，因为压电式加速度传感器是一个能产生电荷的高内阻发电元件，但由于产生的电荷的总量级较小，难以直接传输；同时，一般测量仪器的输入阻抗不可能很高，此微弱电荷又极易在测量电路的输入电阻上被释放掉，所以要求连接压电式加速度传感器的测量或放大装置（如电压放大器或电荷放大器）必须有较高的输入阻抗，并且将压电式加速度传感器的高输出阻抗变换为低输出阻抗，以便与主放大器连接。由于这类预放大装置都是作为测量系统的前级放大，故统称为前置放大器。测振放大器除了有放大作用外，常兼有积分、微分和滤波等功能。

根据振动测试的目的和要求，可以把经过放大的电信号直接输入指示记录仪器，将振动的时间历程记录显示出来；也可以把该信号先输入到分析仪器进行必要的参数统计分析，如频谱分析、相关分析及功率谱分析等，然后再记录显示。

（2）测试系统与测试仪器的选择

在振动加速度测试中合理选择测振仪器与测试系统十分重要，选择不当往往会得出错误的结果。这里主要考虑以下几个方面。

① 频率范围。根据被测对象振动的频率范围确定各测试环节（振动传感器、前置放大器、主放大器及指示记录仪器等）的频率响应特性。选用加速度传感器时，传感器固有频率应该是被测振动信号中最高频率的3～5倍，其他各测试环节中，不同的测试仪器其频率响应特性不同，可以测量的频率范围也不一样，选择仪器时应注意。相位有要求的测试项目（如作虚实频频谱、幅相图、振型等测量），除了应该注意传感器的相频特性外，还要注意放大器，特别是带微积分网络的放大器的相频特性和测试系统中所有其他仪器的相频特性，因为所测得的激励和响应之间的相位已包括了测试系统中所有仪器的相移。

② 振级大小和测试精度要求。根据被测振动幅值的最大值和最小值确定各环节的动态范围，并确定各环节及总的测试精度；不能片面选用高灵敏度的仪器，加速度传感器灵敏度随质量块的增大而增大。但是其固有频率却随之降低，这就意味着使用上限频率的降低，对试件而言附加质量也增大了。此外，仪器的灵敏度越高，量程范围也越小，抗干扰能力越差，选用时应特别注意。

③ 试件质量与刚度大小。以此确定传感器型式、质量及有关固定方法。

④ 测试环境。如温度、湿度等，以此确定传感器的装配方法及系统接地等。

此外，还应该考虑测试系统内各个环节之间的配合关系，包括各环节间的阻抗匹配关系、灵敏度匹配关系、测试精度匹配关系等。

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