基于压电式加速度计的冲击加速度测量方法研究

　　压电式加速度计由于具有良好的频率特性，以及量程大、结构简单、工作可靠、安装方便等一系列优点，目前已成为振动与冲击测试技术中使用最为广泛的一种传感器。据统计，众多的测振传感器中，压电式约占80%[2]。在工程中，欲测量几个重力加速度(g)到几万个重力加速度(g)，持续时间从1ms~几十个ms，而且不需更换传感器的只有压电式加速度传感器才能胜任。压电式加速度计广泛地应用于航空、航天、兵器、造船、纺织、机械及电气等各种系统的振动，以及冲击测试、信号分析、环境模拟实验、模态分析、故障诊断及优化设计等方面。

　　1 系统工作原理

　　1.1 系统工作原理

　　系统工作原理如图1所示。测量系统工作时，首先将压电式传感器安装在待测物体上，再将信号变换器外接在传感器上，当待测物体受到冲击产生加速度时，传感器产生压电效应并将加速度转变为电荷量，再由电荷放大器将电荷量转变为电压量，经过信号处理系统后测出与测量加速度成比例的电压输出。

　　1.2 压电式加速度计测量原理

　　在压电元件上，以一定的预紧力安装一个质量块，质量块上有一弹簧片，这是典型的惯性式传感器，其简化的单自由度二阶力学系统如图2所示。

　　压电式加速度计质量块的运动规律可用下式表述：

　　式中 m —质量块的质量;c —阻尼系数;k —弹性系数;x—惯性块相对于传感器基座的位移;y—基座相对大地的位移;y —振动物体的加速度，即传感器基座的振动加速度。

　　设y=y0sinωt

　　则有

　　设

　　式中，ξ 是无因次阻尼比，ωn是传感器的无阻尼谐振频率，即固有频率;ω 是物体的振动频率。压电式加速度计的阻尼比 ξ 非常小，一般为0.04，可以忽略不计。当 ωn>> ω ，即加速度计的无阻尼谐振频率远远大于物体的振动频率时，有x=y /ω2n

　　这说明，质量块的相对位移x与物体振动加速度y 成正比。

　　压电元件在质量块的惯性作用下，输出的电荷量对同一个加速度计而言，其m为常数。所以加速度计输出的电荷Q与物体被测振动加速度y 成正比，这样就达到了压电式加速度计测加速度的目的[3]

　　2 实测数据与误差分析

　　2.1 冲击加速度测量技术指标

　　最大测量范围：≥2000g

　　频响范围：1Hz～10kHz

　　冲击标定线性误差：<3%

　　准确度等级：3级

　　2.2 冲击加速度实测数据

　　在振动台以及马偕特冲击锤上安装压电式加速度传感器和信号变换器，进行实际测量，通过试验，得出时域波形以及实际测量值，如图3所示。