8305型標準壓電加速度計安裝方向對測量結果的影響

王玲 鄭慧慧 贠韞 / 陜西省計量科學研究院

0 引言

壓電加速度計是常見的振動類傳感器，廣泛應用于振動噪聲控制領域，如航空航天、汽車和船舶、建筑測量、機械制造、旋轉機械和電力系統。壓電加速度計根據壓電元件所處的不同位置分為標準壓電加速度計和工作用壓電加速度計。標準壓電加速度計的壓電元件在加速度計的頂端，工作用壓電加速度計的壓電元件在其底端[1-3]。

1 工作原理

壓電加速度計主要由質量塊、壓電元件和基座組成，利用壓電元件的正壓電效應進行工作。即當加速度計測振時，壓電元件受到質量塊的慣性力作用，產生與所受力成正比的電荷，該電荷與質量塊的加速度成正比[4]。

2 8305型標準壓電加速度計結構

丹麥B&K公司生產的8305型壓電加速度計（以下簡稱壓電加速度計）屬于標準壓電加速度計，其解剖圖如圖1所示。雙端安裝，采用PZ100石英晶體壓電元件，內部結構為倒置中心壓縮式設計，主要由基座、中心螺桿、壓電轉換元件、慣性質量塊和預緊簧片組成，外殼與慣性質量塊、彈簧系統不直接接觸，可隔離一部分外界非振動因素造成的干擾，同時，倒置中心壓縮式又將慣性質量塊、壓電轉換系統倒掛在加速度計頂部的基座上，有效地隔離來自安裝面的大基座應變信號的干擾[5-7]。

圖1 壓電加速度計解剖圖

3 壓電加速度計的安裝方向對測量結果的影響的試驗

加速度計校準安裝時，要求盡可能靠近其壓電元件端，使其具有同樣的振動量級。通過理論分析與試驗，討論用比較法校準壓電加速度計時的安裝方向對測量結果的影響。

3.1 試驗方法

根據壓電加速度計的原理分析，為研究用比較法校準壓電加速度計時的安裝方向對其加速度靈敏度測量結果的影響，設計試驗方法為：以2020年福建省計量科學研究院主導的中頻振動加速度計計量比對為例，比對樣品型號為8305型的壓電加速度計。采用比較法，使用中頻振動標準裝置（如圖2所示）。裝置由4808型標準振動臺，2719型功率放大器、8305型參考壓電加速度計、2692型電荷放大器、PULSE3560C動態信號分析儀組成。被校壓電加速度計的靈敏度幅值測量值S2：

圖2 中頻比較法振動標準裝置

式中：S1—— 標準加速度計的靈敏度幅值；

S2—— 被校加速度計的靈敏度幅值；

V1—— 標準加速度計輸出值 ；

V2—— 被校加速度計輸出值

按兩個相反的方向將被校壓電加速度計安裝在參考加速度計上進行兩組試驗。試驗一，按圖3所示安裝被校壓電加速度計，參考加速度計（UP）向上、被校電加速度計（UP）向下，使用螺栓剛性連接，安裝在標準振動臺上，即比較法背靠背安裝。為了保證良好的剛性連接，被校壓電加速度計底面涂一層硅脂，安裝力矩為2 Nm。試驗二，按照圖4所示安裝被校壓電加速度計，參考加速度計和被校壓電加速度計均按（UP）向上方向用螺栓剛性連接，安裝在標準振動臺上，即比較法正向安裝。同樣，被校壓電加速度計底面涂一層硅脂，安裝力矩為2 Nm。

圖3 背靠背安裝

圖4 正向安裝

3.2 試驗數據

兩種安裝方向下，被校壓電加速度計的靈敏度（以160 Hz為參考點）頻率響應見表1。

表1 靈敏度頻率響應

在160 Hz、100 m/s2條件下的靈敏度幅值作為參考靈敏度，由表1可知，被校壓電加速度計用背靠背安裝法的頻率響應優于正向安裝法的頻率響應。并且，正向安裝法在3 000 Hz以上頻率響應不滿足JJG 233-2008《壓電加速度計檢定規程》中標準加速度計頻率響應要求。這是由于標準壓電加速度計的殼體并不是絕對的剛體，且8305型的壓電加速度計等標準型壓電加速度計的結構特殊，正向安裝法兩只加速度計的壓電元件振動量級不同，尤其在中高頻時會導致被校壓電加速度計靈敏度幅值偏大[8]。而背靠背安裝法保證了兩只加速度計壓電元件的振動量級相同。因此，采用比較法校準標準型壓電加速度計時，應將被校壓電加速度計與參考壓電加速度計背靠背安裝于標準振動臺上進行測量。

4 結語

本文介紹了壓電加速度計的工作原理以及8305型標準壓電加速度計的結構形式，討論了比較法中安裝方向對被校標準壓電加速度計靈敏度幅值的影響，并進行了試驗。通過理論分析，得出了在對標準壓電加速度計進行比較法校準時選擇合理的安裝方向，能夠保證標準壓電加速度計靈敏度有良好的頻率響應特性。