压电加速度计的校准分析

王春蔓

（海南省计量测试所，海南 海口 571137）

压电加速度计是一种常用的传感器，广泛应用于振动监测、结构健康监测和工业自动化等领域。然而，由于环境条件的变化以及长期使用的影响，压电加速度计的性能可能会出现漂移或偏差。因此，对压电加速度计进行定期校准是确保其准确性和可靠性的重要手段。

1 概述

随着现代科技的发展，将振动检测技术应用于军事、航空、汽车等各个产业领域。振动检测与动态分析技术已成为机械设备和建筑结构设计、制造与应用中的主要技术手段。加速度传感器是振动检测系统的关键部件，所以对加速度传感器的校准就显得尤为重要。为了保证传感器检测结果的精度和可靠性。将校正的工作重点集中在以下两个方面：灵敏度校正和频率响应校正。

首先是灵敏度校准。在进行这一校准时，需要将被测传感器与一个已知灵敏度的参考传感器同时暴露在相同的振动条件下。通过比较两个传感器的输出信号，可以确定被测传感器的灵敏度。

其次是频率响应校准。由于加速度传感器在不同频率下可能具有不同的响应特性，所以频率响应校准也是必不可少的。校准过程中，使用特定的频率信号源，依次改变信号频率并记录传感器的输出信号，以获取传感器对不同频率振动的响应。

最后，进行校准后需要进行数据处理和分析。通过对比被测传感器的输出信号与参考传感器（或标准）的测量结果，可以得出校准结果并进行修正。此外，还需要记录和存储校准相关的数据，以供后续验证和参考使用。

2 压电加速度传感器的组成及工作原理

加速度传感器，是一类专门用来检测震动和冲击加速度的电子仪器，一般和适调仪(如电荷放大器)配套应用。一般由质量块、压电敏感元件，以及基座等所构成。压电加速度传感器利用压电器件的正压电效应来工作。当被测振动物质上安装加速度感应器时，质量块受惯性运动的影响，压电元件产生了与其受力成正比的电荷，进而把力学振动变换为可传输的无线电讯号。

压电加速度传感器使用压电器件的正压电效应测量。当加速度感应器被定位到被测量振动物上时，压电元件受质量块的惯性力影响，形成了与其受力成正比的电荷。在这里采用压电敏感元件的理由是压电材料可以形成电荷，并直接转换为输出信息的方式。压电敏感元件可以采用多种材料，其中石英晶体和压电陶瓷是较为常见的选项。常用的压电陶瓷材料包括PZT（铅锆钛酸盐）和PZT-5H。这些材料具有压电效应，即在机械应力或压电外加电场的作用下会产生电荷。当加速度传感器固定在振动物体上时，它会受到物体的加速度影响。由于质量块的惯性，在物体发生加速度变化时，压电元件产生同步的电荷变化。这样，加速度传感器可以将机械振动转化为电荷信号，并通过适调仪进行放大和转换，最终输出可用的加速度值。压电加速度传感器的输出电量与感受到的机械振动加速度的关系可以表示为以下公式：

式（1）中，Q表示压电传感器的输出电量（通常是电荷或电压），S表示压电元件的灵敏度（与压电材料和传感器的设计有关），m表示质量块的质量，a表示所受力产生的加速度。公式描述了压电加速度传感器的工作原理。当压电传感器固定在被测振动物体上时，它受到质量块的惯性力作用，产生与所受力成正比的电量。这个电量可以通过适当的电路进行放大和转换，以得到实际的加速度数值。需要注意的是，在高频段，由于传感器本身的固有频率限制，输出电量可能会出现衰减或失真。因此，在实际应用中，也需要考虑传感器的频率响应特性和校准方法。

为了进行精确检测，加速度感应器的固有频率必须远大于被测振动频率。当被测物体震动频率远小于加速度仪振荡系统的固有频率时，加速度感应器所输出电量的瞬时值就和它所感知的机械振动加速度瞬时值成正比。也就是在极低频状态下，加速度感应器的输出频率与物体的加速度之间具有良好的线性关系。为了提高传感器的灵敏度和准确度，在传感器设计中，可以采用谐振器来限制传感器的有效频率范围，使其更适合特定的应用场景。

综上所述，压电加速度传感器是一种常见的传感器，用于测量振动和冲击加速度。它通过利用压电元件的正压电效应实现对加速度的感知和转化为可输出信号。在校准时，需要注意校准标准、校准频率范围，通过进行正确校准，可以提高加速度传感器的测量精度和稳定性，确保其在各种应用场景下的准确可靠性。

3 中频振动校准装置校准压电加速度传感器工作原理及过程

压电加速度传感器具有许多优点，包括动态范围大、频率范围广、线性度好、体积小、稳定性高、不需要外部电源和易于安装使用等。其中一个重要的环节是对压电加速度传感器进行校准，以确保其准确度和可靠性。在校准过程中，通常会使用振动校正装置。振动校正装置是一种标定仪器，能够产生一定固定频率的正弦信号，并通过功率放大来推动振动台进行正弦振荡。根据工作频率范围的不同，振动校正设备可分为高频、中频、低频和极低频的校准振动台。以中频振动校正设备为例，中频振动校准装置通常由信号发生器、功率放大器、振动台和控制系统等组成。校准时，将被测压电加速度传感器固定在振动台上，通过控制系统设置特定的频率和振幅，在不同频率下进行振动。校准过程中，需要记录被测传感器的输出信号，并与标准传感器或仪器进行对比。通过比较两者的输出信号，可以得出被测传感器的灵敏度和频率响应特性。通过校准结果和标定曲线的对比，可以进行修正，以确保传感器的测量结果更加准确和可靠。

采用比较法进行加速度计的校准，可以将被测加速度计与标准加速度计背靠背地刚性连接。这样，两个加速度计接收到的振动信号将是相同的，并且它们之间的差异可以用于校准被测加速度计的准确度。

在校准过程中，需要将被测加速度计和标准加速度计同时固定在校准振动台上，使它们能够一起进行振动。这种背靠背的连接方式可以通过夹持装置或其他适当的固定方法实现。

接下来，在信号发生仪中设置一个合适的频率和幅值，用于产生校准信号。这个信号将传递给功率放大器，通过放大器对信号进行增强。接着，放大后的信号将驱动标准振动台进行振动。振动台的振动频率和幅值应根据校准需求进行预先设定。装置原理如图1 所示。

图1 中频振动校准装置原理图

在选定的某一频率（指定的）和某一指定的振动值下校准。被校传感器的电压输出与所承受的振动值之比，即为被测传感器的参考灵敏度。被测传感器的参考灵敏度可以通过以下公式表示：

式（2）中，电压输出是被校传感器在选定频率和特定振动值下的输出电压，通常以毫伏（mV）为单位。

所承受的振动值代表被测传感器在同样条件下所测量到的振动值，一般以单位重力加速度（g）为单位。

假设被校传感器在特定频率为100 Hz的条件下，测得的输出电压为10 mV。同时，校准装置测量到该传感器在相同频率下所承受的振动值为5 g。那么根据上述公式，灵敏度将为：

式（3）中，在选定的频率和指定的振动值下，每个单位的振动值对应被测传感器的输出电压增加2 mV，通过灵敏度的计算，了解到被测传感器在特定条件下的输出特性，并用于后续的数据分析和测量修正等工作。在特定条件下，如果每个单位的振动值对应被测压电传感器的输出电压增加2 mV，可以通过灵敏度来计算传感器的输出特性。

4 加速度传感器校准时应注意的几个问题

（1）加速度传感器的安装基本原则是确保传感器能够正确地测量振动信号，并且承受所需的加速度值。在进行校准时，被校加速度传感器应背靠背安装，即被测传感器与振动台内的标准加速度传感器背部互相接触，以最大限度地减小传感器之间的干扰。此外，安装加速度传感器的平面应平整光洁，以确保传感器与被测对象的紧密接触。通常，使用钢螺栓进行安装是最佳方案，因为钢螺栓具有频响宽、承受高加速度的特点。选择适当的安装方式需要考虑被测对象的频宽、加速度值和环境条件等因素。如表1 所示，在选择适当的安装方式时，还需考虑其他因素，例如结构的振动模式、安装的可靠性以及维护和更换的方便性等。选择适当的安装方式需要综合考虑被测对象的频宽、加速度值和环境条件等因素，在实际应用中进行合理的选择与安装。

表1 加速度传感器被测对象的频宽、加速度值和环境条件等因素

（2）当使用钢性螺栓安装加速度传感器时，建议在加速度计与振动台安装表面之间均匀涂抹蜂蜡或硅脂薄膜，以增加接触刚度。这样可有效提高传感器与被测对象之间的机械接触，并保持接触的稳定性和一致性。通过增加接触刚度，可以使传感器在高频段的响应曲线更加平坦，从而获得更准确的校准结果。在使用钢性螺栓安装加速度传感器时涂抹蜂蜡或硅脂薄膜对接触刚度的影响公式如下：

式（4）中，K表示接触刚度（单位为N/m），F表δ示施加在传感器和被测表面之间的力（单位为N），δ表示力造成的位移量（单位为m）。通过涂抹蜂蜡或硅脂薄膜，可以增加传感器与被测对象之间的机械接触，提高接触刚度。

（3）在低频段的校准中，需要尽可能减小电缆的抖动和基座的应变。因为晃动会导致低频段的互相干扰，影响测量结果的准确性。为了减小这种影响，可以采取一些措施，例如使用固定夹具来固定电缆，或者使用柔软的连接材料来减少基座的应变。如表2所示，通过以上措施，可以有效减小低频段校准中的电缆抖动和基座应变问题。固定电缆可以消除电缆的杂散振动，减少测量结果中的干扰频率成分。使用柔软连接材料可以减小基座应变，避免基座本身对传感器的影响。排除外部干扰源和使用低振动环境可以进一步减小测量误差。采用多次校准可以获得更可靠的平均值，减小个别误差对测量结果的影响。

表2 在低频段校准压电加速度传感器时对测量结果准确性

（4）在进行输出与输入量的幅值比较时，可以选择峰值、平均值或有效值作为单位。但无论选择何种单位，必须确保输出和输入的单位是统一的，以便进行准确的数据分析和校准。峰值反映了信号的最大振幅。例如，在振动测试中，可以比较加速度传感器输出的峰值加速度与输入振动的峰值加速度。这种比较可以帮助确定传感器的灵敏度和效果，以及是否存在信号失真或放大问题。在进行比较之前还要考虑其他因素，如误差源、传感器线性度、动态响应等。因此，进行准确的数据分析和校准需要综合考虑多种因素，并采用适当的方法和工具。技术人员应不断加强专业知识，并熟练掌握相关技术和工具，以提高测量精度和数据可靠性。

5 结语

总而言之，正确校准压电加速度计不仅确保了测量数据的准确性和可靠性，还可以保证设备的正常运行并为技术人员提供可靠的工具和数据支持。定期进行校准工作是一个必不可少的步骤，这一步骤对于各行各业的技术人员以及整个工程领域都发挥着重要的作用。为了应对各行各业对测量需求的多样性，研究人员将继续探索和创新新型的校准方法。例如，基于机器学习和人工智能的校准算法可以针对复杂环境下的干扰进行自适应校准，进一步提高校准的准确性和适用性，为工程和科学研究提供更多的数据支持和可视化展示。