不同安装方式对压电加速度计灵敏度的影响

周长华 马青亮 黄锋

（广州计量检测技术研究院）

0 引言

振动是工程技术和日常生活中常见的物理现象。大多数情况下，振动是有害的，它对仪器设备的精度、寿命和可靠性都有一定的影响。当然，振动也有可利用的一面，如应用于输送、清洗、磨削和监测等场合。无论是利用振动还是防止振动，都须确定其量值，即能够准确测量。

1 加速度计

压电式加速度传感器又称压电加速度计，主要由质量块、压电敏感元件和基座等组成，它是基于压电晶体的压电效应工作的。某些晶体在一定方向上受力变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个表面上产生符号相反的电荷；当外力去除后，又重新恢复到不带电状态，这种现象称为压电效应，具有压电效应的晶体称为压电晶体。常用的压电晶体有石英、压电陶瓷等[1]。

在加速度计受振时，质量块加在压电元件上的力也随之变化。当被测振动频率远低于加速度计的固有频率时，则力的变化与被测加速度成正比。

压电加速度计属发电型传感器，可视为电压源或电荷源，输出电压或电荷与振动加速度的比值即为传感器灵敏度。灵敏度有电压灵敏度和电荷灵敏度两种表示方法。前者是加速度计输出电压（mV）与所承受加速度之比；后者是加速度计输出电荷与所承受加速度之比。灵敏度是压电加速度计的主要技术参数。

2 加速度计的安装及对测量的影响

2.1 加速度计安装方式

在结构上选择加速度计的安装位置，应尽可能靠近其要求的测量部位，使它们具有同样的振动，且使加速度计的灵敏轴与测量方向一致，否则由于横向灵敏度将导致附加误差。加速度计的引入，将影响结构的振动，因此一方面要选择重量合适的加速度计；另一方面，应使安装谐振频率远离测量频率，避免其输出信号与加速度计所承受运动的比发生畸变[2]。

国家标准GB/T14412-2005《机械振动与冲击加速度计的机械安装》明确要求加速度计安装的程序及要求。

常见的传感器安装方式有6种：磁性座、氰基丙烯酸乙酯、双面胶带、蜂蜡、螺丝、螺丝+硅脂。

用磁铁安装加速度计十分方便且容易操作，然而该方法会降低加速度计可用的频率带宽。磁铁不会随着环境的影响而改变，但是磁铁的安装会大幅地降低共振的频率，因此，磁铁安装常用于低频测试。加速度计重量大于50g时，可考虑用磁铁安装。此类加速度计一般有很高的灵敏度和很窄的带宽，这时磁铁引起的共振是可以忽略不计的，磁铁的额外重量会加重运动物体负荷，测量时应考虑此重量对测量造成的误差。此安装方式的优点：使用方便，使用温度范围宽，支撑重量良好，可改变尺寸；缺点：带宽变小，在使用磁铁粘接加速度计时需要十分的谨慎。

氰基丙烯酸乙酯即502的主要成分，使用温度范围通常在－18°C～+121°C，它是一种用于粘合坚固塑料的胶液，可用于粘接金属、玻璃、橡胶和各种塑料。其优点：室温时粘接效果好，凝固时间较快，频率响应宽，温度范围宽；缺点：在拆卸传感器之前需要用溶剂溶解胶才能取下传感器，拆卸时间长，不能在粗糙表面上使用。

双面胶带有良好的温度使用范围，它类似于氰基丙烯酸乙酯可直接粘合。其优点：使用方便，温度使用范围宽；缺点：振幅范围有限，当粘接较高或顶置接头的加速度计时，电缆的运动会影响加速度计精度。

蜂蜡是一种可用于低温或常温的粘接剂，和氰基丙烯酸盐一样，在应用温度范围内有很好的频率响应。其优势：使用方便，携带方便，粘接迅速，拆卸方便、迅速；缺点：受温度影响较大，不易涂抹均匀。

用螺丝固定，是使共振频率能达到出厂共振频率的最好方法。螺丝不得全部拧入基座螺孔，以免引起基座变形，影响加速度计的输出。在安装面上涂一层硅脂可增加不平整安装表面的连接可靠性。需要绝缘时可用绝缘螺栓和云母垫片固定加速度计，但垫圈应尽量簿。也可用一层簿蜡把加速度计粘在试件平整表面上[3]。

由于安装方式的不同，连接加速度计和振动面的介质弹性系数k不同，k越小，共振频率就越小，工作频率范围也就越小。

2.2 加速度计振动模型

根据动力学模型，压电加速度计等效为线性弹簧-质量系统结构，线性弹簧-质量系统结构示意图如图1所示。

图1 线性弹簧-质量系统结构示意图

该系统共振频率为

由于加速度计的质量 m1一般只有几十克，远远小于振动面的质量 mb，因此式（1）可以简化为

由式（2）可以看出：在加速度计质量不变的情况下，不同安装方式的 k1不同，导致共振频率的不同。

加速度计的使用上限频率取决于幅频曲线中的共振频率，接近共振频率时会导致输出信号的畸变。一般要求，最高工作频率应远低于所选用加速度计的安装谐振频率，通常其工作频率不大于安装谐振频率的20%。

3 不同安装方式对灵敏度影响的验证试验

为进行不同安装方式对灵敏度影响的试验，将加速度计按不同的方式安装在标准振动台面上，并同时将标准加速度计采用螺丝固定在标准振动台面上，按JJG233-2008《压电加速度计》国家计量检定规程中参考灵敏度的检定方法，采用比较法对6种不同安装方式下，压电加速度计参考灵敏度的频率响应进行试验验证。

试验采用丹麦B&K公司4808型中频标准振动台，1050型正弦信号发生器，2706型功率放大器及8305型标准振动传感器套组。分别在20Hz、40Hz、80Hz、160Hz、300Hz、500Hz、1000Hz和2000Hz 8个频率点上测量加速度计的灵敏度，按式（3）计算加速度计灵敏度幅值 S2：

其中， S1为标准加速度计灵敏度幅值，为标准加速度计输出值，mV或pC； X2为加速度计输出值，mV或pC[4]。

按上述6种不同安装方式进行测量，经过10次测量求得平均值，得到灵敏度频率响应，数值如表1所示。

以螺丝+蜂蜡方式160Hz时的灵敏度为基准，各灵敏度频率响应的偏差如图2 所示。

表1 各安装方式下的灵敏度 单位： pC/(m·s-2)

图2 灵敏度频率响应偏差

4 试验数据分析及结束语

如图2 所示，磁性座安装方式在500Hz时，频率响应偏差超过了加速度计要求的2%；双面胶带安装方式在1000Hz频响有了接近5%的变化；而其它4种安装方式在（20～2000）Hz范围内，频率响应都是比较平滑的，变化均在1%以内。

试验表明：在进行低频（f＜300Hz）振动测量时，6种安装方式都能确保安装附加偏差不超过1%。实际使用时，建议以方便的方式进行安装；当要进行频率高于300Hz的振动测量时，需采用氰基丙烯酸乙酯、蜂蜡、螺丝、螺丝+硅脂的安装方式，其中螺丝、螺丝+硅脂的安装方式最为可靠。

[1]李姣姣,王东波,赵祚喜,等.基于三轴转台的MEMS惯性传感器参数测量方法[J].自动化与信息工程,2012,33(5):10-14.

[2]李立,徐燕申,孙容照.加速度计安装方式对振动测量的影响[J].机械设计,1989(1):30-34.

[3]GB/T14412-2005机械振动与冲击 加速度计的机械安装[S].北京:中国标准出版社,2005.

[4]JJG 233-2006压电加速度计[S].北京:中国计量出版社,2006.