（振動(dòng)與沖擊傳感器）基座應(yīng)變靈敏度測(cè)試方法的研究

李群

摘要：依照現(xiàn)有的國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 5347-13[1]和國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 13823.6—1992[2]，對(duì)（振動(dòng)與沖擊傳感器）基座應(yīng)變靈敏度的測(cè)試現(xiàn)狀以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)加工一整套專用的測(cè)試系統(tǒng)，根據(jù)檢測(cè)過程中遇到的問題，對(duì)測(cè)試系統(tǒng)加以改進(jìn)，提高基座應(yīng)變靈敏度測(cè)量的準(zhǔn)確性和合理性。

關(guān)鍵詞：振動(dòng) 基座應(yīng)變 靈敏度 測(cè)試

（Vibration and Shock Sensor） Research on Test Method of Base Strain Sensitivity

Li Qun（Fujian Metrology Institute ）

Abstract： This paper is based on the existing international standard ISO 5347-13 and the national standard GB/T 13823.6—1992. The test status of the susceptor strain sensitivity and the experimental data are analyzed. A set of dedicated test system is designed and processed. According to the problems encountered during the test， the test system is improved to improve the accuracy of the susceptibility measurement of the pedestal and rationality.

Key words：? vibration， base strain， sensitivity， test

1 引言

（振動(dòng)與沖擊傳感器）基座應(yīng)變靈敏度的測(cè)試是基于ISO 16063-1中提到的振動(dòng)與沖擊傳感器測(cè)試過程中八個(gè)亂真響應(yīng)（包括磁場靈敏度、溫度靈敏度、扭矩靈敏度等）中的一種?；鶓?yīng)變靈敏度測(cè)試在現(xiàn)階段很少被人提及，是因?yàn)閷?duì)于它的測(cè)試不確定的分量太多，很多人根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)或國家標(biāo)準(zhǔn)中的測(cè)量方法，很難得到比較理想的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，或是得出的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并不能很好地驗(yàn)證其準(zhǔn)確性。本文深入分析了國家標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)量方法，對(duì)測(cè)試難點(diǎn)進(jìn)行反復(fù)論證，盡量用理論公式和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)說話，將基座應(yīng)變靈敏度的測(cè)試原理和測(cè)試方法進(jìn)行逐一分解，為后續(xù)的基座應(yīng)變靈敏度測(cè)試的改進(jìn)提供新的思路和目標(biāo)。為我國振動(dòng)與沖擊傳感器基座應(yīng)變靈敏度的測(cè)試開辟一條新的出路。

2 影響基座應(yīng)變靈敏度的因素

1） 傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

振動(dòng)傳感器的結(jié)構(gòu)分為壓縮式和剪切型兩種，剪切型傳感器相對(duì)于壓縮式傳感器技術(shù)含量高，機(jī)械加工和裝配過程都比較復(fù)雜，所以售價(jià)較昂貴。在振動(dòng)測(cè)量過程中，壓縮式振動(dòng)傳感器的敏感元件直接安放在傳感器底座上面，兩者是面與面的接觸，所以，基座由于應(yīng)變產(chǎn)生的形變的影響比較大。

見圖1。

而剪切型振動(dòng)傳感器的敏感元件是以線的形式垂直固定在傳感器的底座上，且與傳感器的底座完全隔離，因此，它不會(huì)直接感受到傳感器的振動(dòng)量以及由于基座形變產(chǎn)生的振動(dòng)輸出。見圖2。

2） 傳感器底座面積

基座產(chǎn)生應(yīng)變力的大小與傳感器的接觸面積有較大的關(guān)系，傳感器底座面積越大，傳導(dǎo)由基座產(chǎn)生的形變?cè)酱?。若屬于壓縮式傳感器，其壓電片在底面，則底座接觸面積越大，基座應(yīng)變靈敏度越大。而剪切型的傳感器敏感元件與底座沒有直接接觸，底座表面積的增大對(duì)其影響并不會(huì)太大。但通常來說，底座面積越大的傳感器，其基座應(yīng)變的靈敏度也越大。

3 基于懸臂梁（自由振動(dòng)）的靈敏度測(cè)量

依照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 13823.6—1992《振動(dòng)與沖擊傳感器的校準(zhǔn)方法 基座應(yīng)變靈敏度測(cè)試》中提到的測(cè)試方法，取一懸臂梁（長度l=1 500 mm，寬度b=76 mm，厚度h=12.5 mm），將其一端固定，另一端施加一外力做自由振動(dòng)，傳感器距固定端40 mm，當(dāng)材質(zhì)為45#鋼時(shí)，固有頻率=4.65Hz（其中E是彈性模量，L為懸臂梁長度，I為截面慣性矩，A為橫截面積，P為密度），在傳感器四周貼應(yīng)變片，前后對(duì)稱均勻分布，采用全橋放大電路。見圖3、圖4。

以廈門乃爾電子有限公司生產(chǎn)的CAYD149V系列加速度傳感器為例，分別對(duì)最大應(yīng)變電壓輸出和加速度計(jì)幅值進(jìn)行捕捉，計(jì)算該加速度的基座應(yīng)變靈敏度。捕捉結(jié)果見圖5、圖6。

其中應(yīng)變采集系統(tǒng)的系統(tǒng)靈敏度為：S=1V/ε，考慮到懸臂梁為自由振動(dòng)，測(cè)量有效信號(hào)選取為觸發(fā)信號(hào)后0 s～2 s內(nèi)的有效值。

在該時(shí)段內(nèi)加速度傳感器加速度有效值為：

故加速度傳感器基座應(yīng)變靈敏度為：

Sa=0.0000872gpk/με

該測(cè)試裝置最大的缺陷是由于懸臂梁的振動(dòng)屬于自由振動(dòng)，其振幅是處在不斷衰減的過程，因此如何采集到懸臂梁的最大振幅下被測(cè)傳感器瞬間產(chǎn)生的基座應(yīng)變就顯得尤為困難。其次，在多次測(cè)試過程中，由于始終無法保證應(yīng)變力方向和振動(dòng)幅值方向的一致性，有時(shí)可能會(huì)造成應(yīng)變力和加速度幅值疊加的現(xiàn)象，無法準(zhǔn)確地剝離單純的自由振動(dòng)幅值，使得最后的基座應(yīng)變靈敏度值過大。

4 穩(wěn)態(tài)正弦激勵(lì)基座應(yīng)變靈敏度測(cè)量

基于以上測(cè)試方法，經(jīng)過多年研究，研制出一套基于穩(wěn)態(tài)正弦激勵(lì)的基座應(yīng)變靈敏度測(cè)試裝置，見圖7。

懸臂梁a端為固定端，裝有被校傳感器及應(yīng)變片;懸臂梁b端為自由端，受電磁激勵(lì)裝置激勵(lì)從而產(chǎn)生振動(dòng)，運(yùn)動(dòng)方向?yàn)榇怪奔埫娣较颉?裝置工作時(shí)，通過上位機(jī)設(shè)定懸臂梁的振動(dòng)頻率及 a 端的基座應(yīng)變 ε0，并將該指令傳達(dá)給測(cè)控儀，測(cè)控儀中的信號(hào)源模塊設(shè)定對(duì)應(yīng)頻率和一定幅值的電壓信號(hào)傳輸給功率放大器，功率放大器輸出驅(qū)動(dòng)電磁激勵(lì)裝置產(chǎn)生正弦激振力，懸臂梁 b 端即產(chǎn)生相應(yīng)頻率的受迫振動(dòng)。在懸臂梁 a 端產(chǎn)生的應(yīng)變以及被校傳感器輸出被測(cè)控儀中的數(shù)據(jù)采集器采集后，經(jīng)上位機(jī)計(jì)算可以得到傳感器的基座應(yīng)變靈敏度。

5 新裝置的優(yōu)點(diǎn)

穩(wěn)態(tài)正弦激勵(lì)裝置與GB/T 13823.6—1992《 振動(dòng)與沖擊傳感器的校準(zhǔn)方法 基座應(yīng)變靈敏度測(cè)試》中測(cè)試方法相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）此裝置將懸臂梁垂直懸掛，避免了水平放置時(shí)懸臂梁因自重而產(chǎn)生彎曲對(duì)校準(zhǔn)結(jié)果的影響。

（2）此裝置通過電磁激勵(lì)的方式使得懸臂梁產(chǎn)生振幅穩(wěn)定的受迫振動(dòng)，避免了在先前裝置中因通過瞬態(tài)激勵(lì)產(chǎn)生自由振動(dòng)導(dǎo)致的振幅衰減的問題。

（3）此裝置懸臂梁的振動(dòng)頻率在一定范圍內(nèi)可調(diào)節(jié)（0～6）Hz，可以得到多個(gè)頻率點(diǎn)下傳感器的基座應(yīng)變靈敏度，而不局限于懸臂梁的振動(dòng)固有頻率。

（4）此裝置限制了懸臂梁自由端的振幅，防止因振幅過大可能產(chǎn)生的塑性變形以及裝置損壞。

6 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

在實(shí)驗(yàn)過程中，我們對(duì)四種不同類型傳感器進(jìn)行多頻點(diǎn)下的基座應(yīng)變靈敏度測(cè)試，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1、表2。

從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表1中可以看出，傳感器本身的結(jié)構(gòu)類型直接關(guān)系到壓電加速度計(jì)的基座應(yīng)變靈敏度大小，例如壓縮式傳感器JC-6，其基座應(yīng)變靈敏度就比其他剪切式結(jié)構(gòu)的傳感器大1～2個(gè)數(shù)量級(jí)，這種影響從表中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中就可以很明顯地感知。從表2中可以看出，傳感器在（250～300）με振級(jí)時(shí)，其基座應(yīng)變靈敏度最小，而在兩端會(huì)逐漸增大，且在100με時(shí)達(dá)到最大值。

另外，傳感器底座接觸面的大小也影響著基座應(yīng)變靈敏度。原則上應(yīng)該是基座面積越大，其影響越明顯。但從圖中得出的一些數(shù)據(jù)來看，B&K4384的底座面積比東方所9818更小，但測(cè)出的基座應(yīng)變靈敏度卻更大些，顯然還有些其他因素在影響著傳感器的基座應(yīng)變靈敏度的大小，我們將在后續(xù)進(jìn)行更深入的研究和試驗(yàn)，解開更多的困擾。

參考文獻(xiàn)

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