压电加速度计振动激励法和冲击激励法校准的比较*

潘良明刘一胡红波/ .上海市计量测试技术研究院；.中国计量科学研究院



压电加速度计振动激励法和冲击激励法校准的比较*

潘良明1刘一1胡红波2/ 1.上海市计量测试技术研究院；2.中国计量科学研究院

摘 要介绍振动激励法和冲击激励法校准压电加速度计的工作原理，通过对压电加速度计灵敏度的校准试验比较两种校准方法的测试结果，并对测试结果的异同进行分析。试验结果表明，在压电加速度计允许使用频率范围内，两种校准方法的校准结果具有较好的一致性。本研究对选择合适的压电加速度计校准方法具有一定的借鉴作用。

关键词压电加速度计；校准；振动激励法；冲击激励法

0　引言

压电加速度计广泛应用于机动车、船舶和航天航空等领域，其加速度从5×10-5m/s2到1×106m/s2均有计量需求[1,2]。压电加速度计的工作原理是，利用压电敏感元件的压电效应产生与施加的加速度成正比的电信号输出[3,4,5]。压电加速度计的校准主要有振动激励法（以下简称振动法）和冲击激励法（以下简称冲击法）两种。振动法受限于振动台的推力以及结构设计等原因，其最大加速度一般不超过1×102m/s2，对于更大的加速度一般通过冲击法实现。振动法和冲击法都是成熟的方法，目前对两种校准方法比较性研究的文献较少。本文通过对振动法和冲击法的校准原理进行阐述，并通过对同一压电加速度计进行校准，对校准结果进行分析与比较，说明振动法和冲击法校准的异同，同时阐述其校准结果异同的原因。

1　振动法和冲击法的校准原理

振动法和冲击法校准原理都是利用压电加速度计的压电效应，通过比较压电加速度计的输出信号与振动台装置或冲击加速度装置所产生加速度的比值得到压电加速度计的灵敏度[2]，即：

Q —— 压电加速度计输出信号；

a —— 振动或冲击加速度

标准GB/T 20485.11-2006和GB/T 20485.21-2007规定了振动校准的方法和设备。振动法采用正弦激励信号，属于相对稳态的信号，是在单一频率下进行的相对稳态的测量；标准GB/T 20485.13-2007和GB/T 20485.22-2008规定了冲击校准的方法和设备。冲击脉冲是一个近似正弦、半正弦正矢或高斯的加速度波形，是一个瞬态信号[3,6]。

振动法和冲击法使用的装置是依据标准GB/T 20485.11-2006和GB/T 20485.13-2007的要求建立的振动标准装置和冲击标准装置[7,8]。振动法校准的原理是，利用激光干涉仪测量振动台台面的振动量，同时通过数据采集系统得到被校加速度计在此振动量下的电荷或电压输出量，从而实现对压电加速度计灵敏度幅值的测量，其原理框图见图1；冲击法校准的原理是，利用激光干涉仪测量冲击激励源的位移，经采集系统处理后计算出冲击加速度，同时通过数据采集系统得到被校加速度计在此冲击下的电荷或电压输出量，从而实现对压电加速度计灵敏度幅值的测量，其原理框图见图2。

图1　压电加速度计振动法校准原理

图2　压电加速度计冲击法校准原理

2　振动法和冲击法校准试验结果分析

分别在振动标准装置和冲击标准装置上对同一压电加速计进行校准试验。试验使用美国ENDEVCO公司2270M8标准压电加速度计，分别进行如下试验：（1）在频率范围10 ～ 20 000 Hz内进行振动法校准；（2）在冲击加速度100～100 000 m/s2内进行冲击法校准，其测试结果见表1和表2。

从表1数据可以看出，采用振动法校准时，在振动频率10～10 000 Hz时，各频率点的灵敏度与参考点的灵敏度偏差小于5%，说明压电加速度计在允许频率范围内具有良好的频率响应特性。但随着频率的增高，灵敏度与参考点的灵敏度差值逐渐增大。文中选用的压电加速度计在20 000 Hz时其偏差超过20%。从表2数据可以看出，采用冲击法校准时，在100～100 000 m/s2冲击加速度范围内，各加速度点的灵敏度与参考点的灵敏度小于1.0%，说明压电加速度计在其允许使用加速度范围内具有良好的幅值线性度。

3　振动法和冲击法校准异同性分析

振动激励信号是单一频率的正弦信号，而冲击激励信号是一个与脉冲宽度相关的冲击波形，近似于半正弦脉冲信号，可视为两个正弦信号的叠加[3,4]，其加速度表达式分别为

表1　振动法校准压电加速度计灵敏度

表2　冲击法校准压电加速度计灵敏度

式中：a —— 振动加速度或冲击加速度；

A —— 振动加速度或冲击加速度峰值；

f —— 振动频率；

t —— 振动中指时间，冲击中指脉冲时间；

τ —— 脉冲宽度

将振动激励信号和冲击激励信号进行快速傅立叶（FFT）变换，即将其信号从时域信号转变为频域信号。图3和图4分别为160 Hz时振动激励信号产生的波形及其对应频谱和典型的冲击激励信号产生的冲击波形及其对应频谱。

从图3可以看出，振动激励信号基本是单一频率的信号，除激励信号频率点外其余频率点均可忽略。从图4可以看出，冲击激励信号实际上包含了不同的频率成分，在脉冲时间约为1.45 ms时，其对应的频率成分不超过2 kHz。

图3　振动激励产生的冲击波形及其频谱

图4　冲击激励产生的冲击波形及其频谱

对照表1和表2，所选用的压电加速度计振动法校准的灵敏度在10～100 000 Hz频率范围内与冲击法校准结果具有较好的一致性。这是因为压电加速度计在允许使用频率范围内具有良好的频率响应特性；而冲击法在脉冲时间4.0～0.1 ms内，其对应的频率成分通常未超出压电加速度计的可使用频率范围，因而冲击校准结果能与所选用的压电加速度计频率范围内的振动校准结果相一致。但当振动频率越来越高时，其灵敏度也逐渐增大，这是由压电加速度计本身频率响应特性所决定的，即接近共振频率点时其输出增大，在共振点处达到最大，这也是在高频段，即频率范围（100 000～20 000 Hz时）两种方法测试结果存在较大偏差的原因。

4　结语

振动法和冲击法是压电加速度计校准时常用的两种方法。本文对两种校准方法进行了初步的探索和研究，通过试验，将两种方法的测试结果进行了比较，并对测试结果的异同进行了分析。通过比较可以得出结论：在压电加速度计允许使用频率范围内，两种校准方法的校准结果具有较好的一致性。例如文中所选用的标准压电加速度计在频率10～2 000 Hz时，两种校准方法灵敏度校准结果与各自的参考点灵敏度之差小于0.5%，而且两者之差小于0.5%。本文对压电加速度计如何选择合适的校准方法有较好的借鉴作用。

参考文献

[1] 全国振动冲击转速计量技术委员会. JJG 2054-2015[S]. 北京：中国质检出版社，2015.

[2] 全国振动冲击转速计量技术委员会. JJG 2072-2016[S]. 北京：中国质检出版社，2016.

[3] 《振动与冲击手册》编辑委员会. 振动与冲击手册 第二卷 振动与冲击测试技术[M]. 北京：国防工业出版社，1990.

[4] 全国振动冲击转速计量技术委员会. JJG 233-2008[S]. 北京：中国计量出版社，2008.

[5] 李庆丰，祖静，徐鹏，等. 激励脉冲宽度对加速度计冲击校准误差的影响[J]. 仪表技术与传感器，2009（S1）:44-46.

[6] 胡红波，孙桥. 二阶线性时不变测量系统动态特性的补偿与动态不确定度评估[J]. 计量学报，2013(3) :106-110.

[7] 全国机械振动与冲击标准化技术委员会. GB/T 20485.11-2006[S].北京：中国标准出版社，2006.

[8] 全国机械振动与冲击标准化技术委员会. GB/T 20485.13-2007[S].北京：中国标准出版社，2007.

[9] 全国机械振动与冲击标准化技术委员会. GB/T 20485.21-2007[S].北京：中国标准出版社，2008.

[10] 全国机械振动与冲击标准化技术委员会. GB/T 20485.22-2008[S].北京：中国标准出版社，2008.

式中：S —— 压电加速度计灵敏度；

Comparison of vibration excitation method and shock excitation method for piezoelectric accelerometer calibration

Pan Liangming1, Liu Yi1, Hu Hongbo2
（1. Shanghai Institute of Measurement and Testing Technology; 2. National Institute of Metrology）

Abstract:The principles of vibration excitation method and shock excitation method for piezoelectric accelerometer calibration are introduced. Through calibration experiments for the sensitivity reponse rate of piezoelectric accelerometer, the calibration results of two methods are compared, and the similarities and differences of which are analyzed. The experimental results verified that calibration results of two methods have good consistency within the allowed frequency range of piezoelectric accelerometer. The research possesses certain reference meaning to the choice of suitable calibration methods for piezoelectric accelerometers.

Key words:piezoelectric accelerometer; calibration; vibration excitation method; shock excitation method

* 基金项目：上海市质量技术监督局科技计划项目（2015-33）