加速度传感器安装方式的理论建模与响应分析

郑 星，黄海莹

(中国工程物理研究院 总体工程研究所，四川 绵阳 621999)



加速度传感器安装方式的理论建模与响应分析

郑 星，黄海莹

(中国工程物理研究院 总体工程研究所，四川 绵阳 621999)

在传感器使用过程中，受其绝缘性能和安装方式的影响，通常会在传感器与被测对象之间安装绝缘过渡装置。而绝缘过渡装置性能的优异和结构的好坏直接影响着加速度传感器的最大响应频率。通过建立加速度传感器安装方式的理论模型，分析了影响传感器输出响应的主要因素。通过不同传感器、不同过渡装置及不同固定方式的组合，对传感器的输出响应进行了实验研究。结果表明:加速度传感器的最大响应频率受过渡装置的影响较大，过渡装置设计的好坏直接制约了传感器的频响范围。通过理论分析和实验研究，提出了提升带过渡装置传感器响应频率的方法。

加速度传感器； 安装方式； 过渡装置； 响应频率

0 引 言

随着加速度传感器在国防工业、航空航天和汽车工业等领域的应用越来越广，对其测试结果的准确度要求也越来越高[1～3]。加速度传感器的响应信号不仅是产品结构设计和材料性能改进的重要依据，其测试结果更直接决定了产品的最终形态。

试验过程中，加速度传感器的响应频率和线性度通常能够满足试验要求，但是受其绝缘性能和安装方式的影响，在传感器与产品连接时需要在其安装面加绝缘过渡装置进行转接[4，5]。绝缘过渡装置的材料选取和结构设计是影响加速度传感器输出的重要因素。传感器安装后的谐振频率、线性度以及安装强度都严重制约着传感器的使用范围[6～8]。

因此，绝缘过渡装置性能的优劣直接影响到加速度传感器最终响应的准确度以及使用范围。本文通过建立加速度传感器与过渡装置的动力学模型，分析了过渡装置对加速度传感器响应的影响因素，对安装过渡装置后加速度传感器在不同频段的响应特性进行了理论分析和试验研究，为提升加速度传感器安装后的响应带宽和准确度提供指导。

1 加速度传感器安装方式的动力学建模

在对加速度传感器进行动力学建模时，通常是将其等效为一个单自由度的数学模型。但在加速度传感器安装面增加绝缘过渡装置后，加速度传感器就由原来的单自由度系统变成了一个二自由度的系统，如图1所示。

图1 带过渡装置的传感器模型Fig 1 Sensor model with transition device

由图1可见，加装过渡装置的传感器其输出不仅受自身刚度和阻尼的影响，还受到过渡装置的刚度和阻尼影响，建立上述二自由度传感器模型的动力学方程为

(1)

(2)

式中 m为传感器质量；M为过渡装置质量；kg为过渡装置刚度；cg为过渡装置阻尼；kc为传感器刚度； cc为传感器阻尼；xc为传感器位移； xg为过渡装置位移；x0为被测对象位移。

由振动理论知识可知，当系统的阻尼远小于1时，系统的共振频率约等于系统无阻尼时的固有频率。因此，利用多自由度振动理论对式(1)和式(2)进行求解，得出系统的1阶和2阶无阻尼固有频率为

(3)

由上述公式可知，当传感器过渡装置的刚度无穷大，传感器与被测对象刚性连接时，kg→∞,因此式(3)有

(4)

2 试验测试

2.1 测试传感器与过渡装置

测试传感器采用2225M5A,988以及727—60K。三种加速度传感器量程相同，响应上限频率分别为10,25,100 kHz。利用胶木制成方形与扁平型过渡装置，其中方形过渡装置边长15 mm，扁平型过渡装置厚度4 mm，然后分别利用快干胶和螺钉将其与被测面相连。

2.2 测试系统

利用振动台对不同材料不同结构的加速度传感过渡装置进行扫频实验，分析不同安装方式下加速度传感器输出响应的变化。测试系统示意图如图2所示。试验采用对数扫描模式，扫描频率20 Hz～10 kHz。

图2 测试系统示意图Fig 2 Schematic diagram of test system

3 结果和讨论

3.1 相同传感器不同过渡装置

将2225M5A分别与方形与扁平型过渡装置相连接，并利用不同粘结方式进行传感器的固定，最后利用振动台测得两种传感器的响应分别如图3～图5所示。

图3 2225M5A加速度传感器带方形过渡装置快干胶固定Fig 3 2225M5A acceleration sensor with square transition device fixed with quick drying glue

图4 2225M5A加速度传感器带扁平型过渡装置快干胶固定Fig 4 2225M5A acceleration sensor with flat transition device fixed with quick drying glue

图5 2225M5A加速度传感器带扁平型过渡装置双面胶固定Fig 5 2225M5A acceleration sensor with flat transition device fixed with double-sided adhesive tape

由图3和图4可见，带方形过渡装置传感器响应在频率接近3 kHz时开始发生变化，而带扁平型过渡装置传感器响应在频率接近8 kHz时才开始变化。由此可知，过渡装置结构对传感器响应影响较大。相同材料的过渡装置，方形过渡装置质量较扁平型大，由式(3)和式(4)可知，传感器过渡装置的质量会严重影响传感器的固有频率。与此同时，过渡装置的厚度也会影响传感器在工作频段内的线性度。

由图4和图5可见，相同过渡装置不同粘结方式也是影响传感器响应输出的原因之一。利用双面胶固定的传感器在频率达到2 kHz后，输出响应开始发生变化。试验用快干胶通常采用502快干胶，其粘结强度远远大于双面胶的粘结强度。传感器与过渡装置，过渡装置与被测对象之间的粘结强度直接影响整个系统的刚度，由式(3)和式(4)可知，系统的刚度下降，其固有频率降低，从而严重限制传感器的输出响应频率。

3.2 不同传感器相同过渡装置

将988加速度传感器与方形过渡装置连接，利用螺钉固定在试验装置上，通过振动台测得加速度传感器响应曲线如图6所示。

图6 988加速度传感器带方形过渡装置螺钉固定Fig 6 988 acceleration sensor with square transition device fixed with screw

由图6可见，传感器的输出响应在接近3 kHz时发生变化，与2225M5A加速度传感器趋势相同。988加速度传感器最大响应频率25 kHz，2225M5A加速度传感器响应频率10 kHz。由此可见，传感器的最大响应频率受过渡装置限制较大。但由于988加速度传感器响应频率较高，因此，在10 kHz附近其响应幅值变化较2225M5A传感器低。

3.3 不带过渡装置传感器

由于727—60 k加速度传感器自身绝缘，因此,利用快干胶将传感器直接与振动装置相连，测得传感器响应曲线如图7所示。

图7 727—60 k加速度传感器快干胶固定Fig 7 727—60 k acceleration sensor fixed with quick drying glue

由图7可见，不带过渡装置的传感器输出响应在频率为10 kHz时基本未发生变化。由此可见，传感器过渡装置以及粘结方式是严重制约传感器输出响应频段的主要因素。但是受传感器绝缘性和安装方式的影响，在传感器使用过程中不可避免地需要采用相应的过渡装置进行转接，这就大大制约了传感器的使用频率范围。通过上述分析，在传感器过渡装置材料的选取和结构设计上，要尽可能地使过渡装置的刚度足够大。在传感器固定时，也要尽量使传感器的安装强度足够大，特别是在将传感器应用在高强冲击环境下时，传感器的安装方式就变得异常重要。

4 结 论

本文通过建立传感器安装方式的动力学模型，从理论上分析了影响传感器输出响应的因素。对不同传感器、不同过渡装置、不同固定方式组合的传感器系统进行了试验研究。结果表明：受过渡装置影响，传感器的最大响应频率与传感器自身最大响应频率的相差较大，传感器过渡装置严重限制了传感器的使用频率范围。在传感器的使用过程中，应尽量减少传感器与被测对象之间的过渡。在使用过渡装置时，应尽量选用刚度较大的过渡装置，在与被测对象进行连接时，与被测对象的固定强度应足够大，在高强冲击试验过程中可采取螺钉加胶接的双重连接方式，增大传感器与被测对象的安装强度。

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Theoretical modeling and response analysis of acceleration sensor installation mode

ZHENG Xing,HUANG Hai-ying

(Institute of Systems Engineering,China Academy of Engineering Physics,Mianyang 621999,China)

When the sensors are used,an insulation transition device is usually mounted between sensor and measurement object which is due to insulation performance and installation mode of sensor.However,performance and structure of insulation transition device directly affect the maximum response frequency of acceleration sensor.By establishing theoretical model of acceleration sensor installation mode,analyze main factors affecting the output response of the sensor.The output response of the sensor is experimental studied by the combination of different sensors,different transition devices and different fixation modes.The results show that the maximum response frequency of acceleration sensor is greatly influenced by the transition device;the design of transition device directly restricts the frequency response range of sensor.The method of improving the response frequency of sensor is presented by theoretical analysis and experimental study.

acceleration sensor;installation mode;transition device;response frequency

10.13873/J.1000—9787(2016)11—0061—03

2016—01—04

TP 212

A

1000—9787(2016)11—0061—03

郑 星(1987-)，男，仡佬族，贵州遵义人，硕士研究生，工程师，研究方向为环境试验技术。