压电式加速度传感器在振动测量系统的应用研究

　　1　压电式加速计的测振原理

　　压电式传感器是一种机电换能器,所用的压电材料(如天然石英、人工极化陶瓷等)在受到一定的机械荷载时,会在压电材料的极化面上产生电荷,其电荷量与所受的载荷成正比。当压电晶体片受力时,晶体的两表面上聚集等量的正、负电荷,由于晶体片的绝缘电阻很高,因此压电晶体片相当于一只平行板电容器^[1-2],如图1所示。

　　其电容量为

　　晶体片上产生的电压量与作用力的关系为

　　式中:ε为压电晶体的介电常数;A为晶体片(构成极板)的面积;d为晶体片的厚度;d₃₃为压电系数;F为沿晶轴施加的力。

　　压电式加速度计的晶体片确定后,d₃₃、d、ε、A都是常数,则晶体片上产生的电压量与作用力成正比。

　　测量时,将压电式加速度计基座与试件刚性固定在一起(安装基面粗糙度不超过0·41μm)。当加速度计受振动时,由于压电片具有的压电效应,它的2个表面上就会产生交变电荷(电压)。而此交变电荷(电压)又与作用力成正比,因此交变电荷(电压)与试件的加速度成正比。这就是压电式加速度计能够将振动加速度转变成为电量进行测振的原理。

　　2　采用压电式加速度传感器的振动测试方案

　　2·1　整体方案设计

　　典型的振动测试系统由压电式加速度计、电荷放大器、动态信号分析仪组成,如图2所示。被测对象的振动加速度信号经传感器拾振,由传感器电缆将加速度信号送入该系统电荷放大器,电荷放大器将信号转换为电压信号并放大,通过数据采集测试仪采样,便实现了对信号的采集。采集得到的信号可以通过计算机实时显示、分析和处理,也可以保存以便二次处理。

　　2·2　系统组成

　　2·2·1　压电式加速度计

　　测试系统中,压电式加速度计的作用是把振动量转换成相应的电信号。为准确地进行测量,对加速度计有如下的基本要求^[3]:(1)具有较宽的动态范围,即对非常低和非常高的振动都能精确地响应;(2)具有较宽的频率响应范围;(3)在其频率响应范围内具有良好的线性度;(4)对环境干扰具有最低的灵敏度;(5)结构坚固,工作可靠,能够长时间保持稳定的特性。

　　在使用加速度计时,应特别注意灵敏度性能指标。灵敏度是指在一定机械量作用下,传感器输出的电荷(电压)数。灵敏度有2种表现方式:电荷灵敏度和电压灵敏度。由于系统加速度计是与电荷放大器连接使用,因此选用电荷灵敏度;

　　加速度计可直接安装在试件表面上,也可用安装块。无论采用何种方式安装,都应保证传感器的敏感轴向与受力方向的一致性;另外,为保证最佳的机械接触面,安装接触面要求有高平行度、平直度和低粗糙度。如果被测物表面形状复杂,需同时测量多方向的加速度或为避免试件补加工等场合,则需借助安装块进行安装。实际测试时,为了防止电缆相对运动产生摩擦而引起的“电效应”,除需选用低噪声电缆,还应把电缆牢固地固定在试件上。