压电式传感器精确测试低频振动实验研究

秦梦泽 张勇

1. 中国石油大学（北京）克拉玛依校区工学院机械系，新疆克拉玛依 834000；2. 鞍山钢铁集团公司，辽宁鞍山 114001

一、前言

压电式加速度传感器具有价格低廉、频带宽、灵敏度高、信噪比高、工作可靠和重量轻等优点，被广泛应用于中、高频的振动测试（一般振动频率不低于5Hz）[1]。由于结晶器振动的工作频率一般为2Hz ～3Hz，在这种低频振动的情况下，不宜采用普通的磁电式速度传感器来测量其速度和加速度，使用加速度传感器比较合理。

本文通过改变调节信号发生器，改变功率放大器输入信号频率和幅值的方法改变标准振动台的振动频率和振幅，利用标准振动台（廉价的常规标准振动台一般适用于中、高频测振传感器的标定）实现对低频振动条件下测振传感器的标定，用压电式加速度传感器实现对低频振动进行测试。对于在工程应用中进行低频振动测试具有重要意义。

二、压电式加速度传感器的低频振动标定技术

1、常规标准振动台在低频振动条件下的测试结果

实验室现有某公司的ESS-015标准振动台装置，其技术指标中工作频率范围是5Hz～10000Hz。该振动台出厂时附带了一个经过标定的压电式加速度传感器（型号CA-YD-117），作为对振动测试系统标定时的比对基准。

利用CA-YD-117加速度传感器测试振动台在不同信号输入情况下的振动情况，用计算机记录振动波形。在输入信号频率为5Hz和2Hz下测振系统输出的加速度波形分别如图1所示。

通过以上不同频率条件下得到的加速度信号波形可以看出，该振动台在振动频率为5Hz时，测得的加速度波形已有较小的畸变；当振动频率为2Hz时，测得的加速度波形有明显的畸变。进一步的实验证明：振动频率越低，测得的加速度波形畸变越严重。

鉴于测振传感器输出信号产生畸变的原因不能排除基准传感器自身存在问题，需要另选一个相对客观、更为准确的传感器作为基准传感器。

2、标准振动台的低频振动特性测试与分析

为了验证标准振动台是否可以作为低频实验的振动设备，下面通过ST-2型电涡流传感器来测量振动台的振动情况，电涡流传感器在不同的振动频率下测得振动台位移的输出波形如图2所示。

从图2振动台位移曲线可以看出，在不同的低频振动条件下，电涡流传感器测得的振动台的振动位移曲线比较规则，没有明显的畸变情况发生。由于电涡流传感器是以相对、非接触方式测量振动台的低频振动，并且其低频特性很好，用其测试得到的振动台低频振动的位移曲线是可信的。因此可以判定，在低频振动（1Hz～5Hz）条件下，振动台的振动基本是标准简谐运动。

3、信号调理的效果

为了改善压电式加速度传感器5Hz以下低频振动测试信号畸变情况，在上述实验装置中添加了信号调理硬件装置来对绝对式（接触式）的压电式加速度传感器的输出信号进行滤波和平滑处理，以减少或消除信号中的干扰成分。本实验选用了YE3760A型双通道低通滤波器。通过低通滤波和平滑处理等信号调理后得到波形如图3所示。

把图3所示波形与图2相比较，可以看出，经过硬件信号调理后振动台在低频振动条件下，CA-YD-117加速度传感器输出波形畸变较小，绝对式（接触式）传感器测振所产生的畸变得到了很大程度的改善。在有限点处的轻度畸变仍然存在，但对整个波形的幅度和频率等特征参数的测量影响较小。

通过查阅低频振动相关国家标准了解到，在低频振动条件下，只要不影响整个波形的特征参数的精度，在固定的有限点出现畸变的情况是允许的。当然，在这种情况下，必须使用非接触式测振传感器作为基准传感器[2-3]。

4、低频振动标定实验装置

该振动实验装置包括信号发生器、功率放大器、标准振动台、信号放大器与调理器、模数转换卡和计算机等，如图4所示。

其中，标准振动台（型号ESS-015）的工作频率范围是5Hz～ 10000Hz。为了使该标准振动台能够用于低频振动（1Hz～5Hz）测振传感器的精确标定，采用相对式（非接触）传感器（电涡流式传感器）作为对测振传感器标定时的比对基准。压电式加速度传感器的信号调理器由电荷放大器（型号YE5858B）和低通滤波器（型号YE3760A）组成。标准振动台上安装传感器的情况见图5。

5、实验方法

调节信号发生器改变功率放大器输入信号频率和幅值，改变标准振动台的振动频率和振幅。在标准振动台上，安装的电涡流传感器用于测量标准振动台的频率和振幅；安装了3个被标定的压电式加速度传感器，其中1号、2号和3号传感器的灵敏度分别为5.33pC/ms-2、48.75pC/ms-2、253.2pC/ms-2。在实验中，标准振动台实现频率为1Hz、2Hz、3Hz、4Hz、5Hz的振动，在每个振动频率下有4种振幅。

标准振动台实现的振动频率、振幅及对应的加速度、3个传感器的输出信号的情况见表1。

6、实验结果分析

（1）被标定传感器的输出信号情况

实验中使用的电荷放大器采用“归一化”的信号放大方式。尽管3个被标定传感器的灵敏度各不相同，在同一加速度条件下，经过放大的3个传感器输出信号幅值基本相同。

（2）被标定传感器的输出特性

通过表1不能直接看出3个被标定传感器在1Hz～5Hz振动条件下信号输出的特点。由表1可以得到每个被标定传感器的输出特性为：

式中，a0—实验中标准振动台的加速度，mm/s2；

U —在加速度a0条件下被标定传感器的输出信号幅值，mV。

用式（1）对表1中的数据进行处理，可以得到各个被标定传感器的输出特性情况，见表2。

表1 标准振动台的振动参数和被标定传感器输出信号

表中，f0—标准振动台的振动频率；

A0—标准振动台的振幅；

a0—标准振动台的加速度；

U1—1号加速度传感器的输出电压信号；

U2—2号加速度传感器的输出电压信号；

U3—3号加速度传感器的输出电压信号。

表2 被标定传感器的输出特性情况

表中，Ca1—1号加速度传感器的输出特性；

Ca2—2号加速度传感器的输出特性；

Ca3—3号加速度传感器的输出特性。

由表2可以看出：

A.当振动频率为4Hz和5Hz时，每个被标定传感器在不同的加速度条件下输出特性都非常稳定；

B.当振动频率为2Hz和3Hz时，每个被标定传感器的输出特性有随加速度减小而增大的趋势；

C.当振动频率为1Hz时，每个被标定传感器在不同的加速度条件下输出特性都不稳定。

（3）被标定传感器的平均输出特性

如果用每个被标定传感器在每个频率下的输出特性平均值，可以得到3个被标定传感器的平均输出特性曲线，如图6所示。

在图6中，曲线1～3是1～3号加速度传感器的平均输出特性曲线。3条曲线表现出相同的规律性：

A.当振动频率为4Hz和5Hz时，每个被标定传感器的平均输出特性变化较小；

B.当振动频率为1Hz～3Hz时，每个被标定传感器的平均输出特性比振动频率为4Hz和5Hz时的平均输出特性增大5.5%～13%。

三、标定实验结论

1、实验中被标定的是3个普通压电式加速度传感器，其实验结果具有普遍性。实验结果表明，普通压电式加速度传感器可以用于1Hz～5Hz的低频振动测试。

2、针对结晶器振动频率为2Hz～3Hz的工况条件，对压电式加速度传感器进行振动频率为2Hz～3Hz的标定，可以得到较好的振动测试效果。