压电式阻抗头的标定

王玲/陕西省计量科学研究院

0 引言

阻抗头是测量机械阻抗的换能原件，是测量点阻抗必不可少的传感器。它的性能优劣对测试结果有着很大影响。压电式阻抗头是一种压电式力和加速度的复合传感器，可以同时测量结构同一点的力值和加速度值。众所周知，对结构的机械阻抗的测量是对结构进行模态分析和动特性研究的基础[1]，对于由阻抗头获得的机械阻抗的数据准确度要求高，所以此类传感器的标定就越来越受到重视。利用实验室现有的中频振动标准装置来标定此类传感器动态指标（参考灵敏度、频率响应、幅值线性度），保证了该类传感器量值传递的准确性。

阻抗头结构如图1所示[2][3]，它是一个压电式力传感器和一个压电式加速度传感器构成的组合体，两者背对背地安装在同一基座上。标定时，阻抗头安装在中频标准振动台上，由阻抗头的力输出端和加速度输出端分别获得力和加速度信号。

图1 阻抗头的构成

1 测试方法

根据压电式阻抗头的原理分析，设计了阻抗头的标定方法。

1）压电加速度传感器灵敏度的标定通常是在中频振动标准装置上进行的。将被检加速度传感器固定在标准振动台上，由振动台产生一个正弦振动量，当传感器承受机械振动后，将产生一个与振动加速度成正比的电压输出，通过数字电压表测量其输出电压，传感器的加速度灵敏度S为输出电压与振动加速度之比。即

式中：U——传感器的输出电压，mV；

a——振动加速度，m/s2

用中频振动标准装置依据JJG 233-2008《压电加速度计检定规程》[4]来标定阻抗头加速度输出的动态指标（参考灵敏度、频率响应、幅值线性度）。以丹麦B&K公司型号8001，编号10486的阻抗头为例，其标定原理如图2所示。

标准振动台产生振动源，标准传感器测量振动源加速度。因为被检传感器为电荷输出，所以传感器输出端先通过电荷放大器将电荷转换成电压，并通过PULSE多功能分析仪进行相应的参数设置，由传递函数直接获得阻抗头加速度输出端动态灵敏度值[5]。以 160 Hz、20 m/s2时的灵敏度为参考灵敏度，表1和表2分别为其灵敏度频率响应和幅值线性度。

以160 Hz、20 m/s2下的加速度灵敏度作为参考灵敏度，频率响应、幅值线性度均符合JJG 233-2008要求。

2）压电式力传感器是利用压电晶体的纵向压电效应将力转换成电荷信号。根据力学基本原理，用中频比较法振动标准装置进行标定。其原理为：中频振动是振动台产生一个加速度正弦波形。当在波峰时，加速度最大且方向向上；而在波谷时，加速度也同样最大且方向向下。因此可以用标准质量块加在被检测的压电式力传感器的上方，背靠背的刚性连接，并和标准传感器一起安装在振动台上。振动台振动时，标准质量块在波峰和波谷分别受到最大的惯性力，对被测传感器就施加一个拉力和压力，根据牛顿第三定律：

图2 阻抗头加速度输出标定原理

表1 灵敏度频率响应

表2 灵敏度幅值线性

通过PULSE多功能分析仪进行相应的参数设置，可以同时采集振动台上标准加速度传感器和被检的力传感器的输出信号，选用不同的标准质量块，将有不同的惯性力施加在被校力传感器上，得到如下公式：

得出：s(m2a2-m1a1)=U2-U1

式中：m1——标准质量块（98.67 g）；

m2——标准质量块（197.38 g）；

s——被测压电式力传感器的灵敏度；

a1、a2——振动加速度；

U1、U2——被测压电式力传感器对应于m1、m2时的电压输出

用中频振动标准装置，依据JJG 632-1989《动态力传感器》检定规程[6]来标定阻抗头力输出的动态指标（参考灵敏度、频率响应）。以丹麦B&K公司的型号8001、编号10486的阻抗头为例，其标定原理如图3所示。

PULSE多功能分析仪采集数据并代入式（3）得到被校传感器160 Hz的压向灵敏度系数如表3（电荷放大器归一化挡为10 pC/m·s-2、衰减挡为10 mV·m·s-2）所示。

同样原理，改变振动台的频率，得到如表4所示被校传感器在各个频率点的动态响应。

图3 阻抗头力输出校准原理

表3 阻抗头160 Hz下力值灵敏度

表4 阻抗头力输出的频率响应

压电式力传感器的压向灵敏度，在信号分析仪上读取时域信号波谷的加速度值和电压值，运用同样的方法得到压电式力传感器的压向灵敏度。以160 Hz下的力传感器灵敏度作为参考灵敏度，频率响应符合JJG 632-1989要求。

2 结语

本文分析了压电式阻抗头的原理，并利用现有的中频振动标准装置设计了此类传感器的标定方法，标定了其动态指标（参考灵敏度、频率响应、幅值线性度），保证了该类传感器的量值传递的准确性。