标准压电加速度计的安装方向对其测量结果的影响

董平 丁耀芳 / ．江苏省计量科学研究院；．中科院南京天文仪器有限公司

标准压电加速度计的安装方向对其测量结果的影响

董平1丁耀芳2/ 1．江苏省计量科学研究院；2．中科院南京天文仪器有限公司

以BK8305型标准压电加速度计为例，设计了背靠背法、倒置法两种安装方向的比较实验。以B&K公司的PULSE 3560C动态信号分析仪和标准加速度计套组8305/2626为检测工具，通过两种测量结果的比较，研究标准压电加速度计的安装方向对其测量结果的影响。

标准压电加速度计，灵敏度，安装方向，测量结果

0 引言

压电式加速度计是常见的振动类传感器，用于测量振动和冲击的加速度，广泛应用于振动噪声控制领域，诸如航空航天、船舶制造、环保执法、建筑测量、机械制造、卫生防疫、旋转机械和电力系统。压电加速度计根据压电敏感元件所处的位置不同分为：工作用压电加速度计和标准压电加速度计。工作用压电加速度计的压电元件在加速度计的底端，标准压电加速度计的压电元件在顶端。丹麦B&K公司生产的8305型压电加速度计就属于标准压电加速度计，是进行量值传递的主要标准器。其主要参数是灵敏度，行业内对其灵敏度测量时的安装方向有两种截然不同的方法，为研究哪种安装方式更加可靠，设计这两种方法的比较实验就显得非常必要。

1 压电加速度计的工作原理

压电加速度计主要由质量块、压电敏感元件和基座等组成，利用压电敏感元件的正压电效应工作[1]，即：当加速度计被固定在被测振动物体上时，压电元件收到质量块的惯性力作用，产生与所受力成正比的电荷，该电荷与质量块的加速度成正比。当被测振动频率远低于加速度计振动系统的固有频率时，加速度计敏感元件产生的电荷量同加速度计基座绝对加速度值成正比，因此加速度计输出电量的瞬时值与它所受到的机械振动加速度瞬时值成正比。

2 一般压电加速度计的安装方式

加速度计在安装时，要求选择尽可能靠近其要求的测量部位，使其具有同样的振动，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。GB/T 14412-2005《机械振动与冲击加速度计的机械安装》明确了加速度计的安装程序及要求。常见的安装方式有6种：磁性座、氰基丙烯酸乙酯、双面胶带、蜂蜡、螺丝、螺丝+硅脂。其中，螺丝固定的方式，是使共振频率达到出厂共振频率的最好方式。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[1]。

3 标准压电加速度计的安装方向对测量结果的影响的试验

3.1 实验设计

为研究标准压电加速度计的安装方向对加速度灵敏度测量结果的影响，特设计一个实验。将被测标准压电加速度计按相反的两个方向安装在参考标准压电加速度计上，采用绝对比较法，测量被测标准压电机速度计的灵敏度频率响应并计算其En值。以2011年中测院组织的CNAS M0042压电加速度计校准能力验证为例，比对样品：型号为8305，其灵敏度指定值和测量不确定度见表1。

表1 被测标准压电机速度计的灵敏度指定值和测量不确定度

试验标准器采用丹麦B&K公司4808型中频标准振动台，2719型功率放大器，8305型标准压电加速度计，2626型电荷放大器，B&K PULSE 3560C动态信号分析仪。分别在20 Hz、40 Hz、80 Hz、160 Hz、315 Hz、630 Hz、1 000 Hz、2 000 Hz频率点上测量被测8305加速度计的灵敏度。按照式（1）计算加速度计的灵敏度幅值实测值S2：

式中：S1——参考标准加速度计的灵敏度幅值，pC/ m·s-2；

S2——被测标准加速度计的灵敏度幅值实测值，pC/m·s-2；

X1——参考标准加速度计输出值，mV；

X2——被测标准加速度计输出值[2]，mV

安装时，被测加速度计底面涂一层硅脂以保证其良好的刚性连接，安装力矩为2 N·m。开启振动台，当幅值和频率稳定后，用B&K PULSE 3560C动态信号分析仪采用正弦逐点法测量被测加速度计灵敏度。电荷放大器B&K 2626灵敏度档置1pC/Unit，放大档置0.01 Volt/ Unit。

按照式（2）计算En值

式中：S2——被测标准加速度计的灵敏度幅值实测值，pC/m·s-2；

Sref——被测标准加速度计的灵敏度指定值，pC/m·s-2；

U2——被测标准加速度计的灵敏度幅值实测值的扩展不确定度；

Uref——被测标准加速度计的灵敏度指定值的扩展不确定度

1）实验一

按照图1所示连接仪器，将被测加速度计与参考加速度计标注UP方向背靠背用螺栓刚性安装在标准振动台4808上面。

图1 背靠背法安装示意图

2）实验二

按照图2所示连接仪器，将被测加速度计接触面与参考加速度计接触面用螺栓刚性安装在标准振动台4808上面。参考压电加速度计8305 UP方向向上，被测加速度计8305 UP方向向下倒置。

图2 倒置法安装示意图

3.2 实验数据

实验数据见表2和表3。

表2 背靠背法安装的试验数据

表3 倒置法安装的试验数据

4 结语

由表2、表3数据可以看出，按照传感器的UP方向背靠背安装法的结果优于倒置安装法的结果。标准压电加速度计在测量时的安装方向对结果在1 000 Hz以上的高频测量上表现显著，倒置法的结果在2 000 Hz甚至接近0.7的危险值。综上所述，在做标准压电加速度计测量时，优先推荐按照两个传感器UP标注方向,也就是背靠背法进行安装测量。

[1]周长华，马青亮，黄锋.不同安装方式对加速度计灵敏度的影响[J].自动化与信息工程，2014，35（2）：25-28.

[2]潘良明，刘立群.压电加速度计校准时不同安装方式的比较[J].上海计量测试，2013（6）：15-17.

[3]李翠，李效民，钟美芳.压电式加速度传感器的智能应用[J].实验室研究与探索，2010（10）：231-234.

[4]全国机械振动与冲击标准化技术委员会.GB/T 14412-2005 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.

[5]钟美芳.振动传感器加速度示值测量结果的不确定度评定[J].中国测试技术，2006（5）：143-144.

Research of installation direction in fl uence on measurement results of standard piezoelectric accelerometer

Dong Ping1，Ding Yaofang2
（1.Jiangsu Institute of Metrology；2. Nanjing Astronomical Instrument Co Ltd）

In order to verify the effect of the two kinds of installation directions on the measurement results, this paper based on the BK8305 standard piezoelectric accelerometer as an example, designs a comparison experiment of back to back method and inversion method. Used B&K company's Pulse 3560C Dynamic Signal Analyzer and the standard accelerometer set 8305/2626 as the testing tools, through the comparison results, research the influence on the measurement results caused by standard piezoelectric accelerometer installation directions.

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