版 ： 维护与修理 ｘ ∞ ＾ Ⅲ … 文章编号：１６７１—０７１ １（２０１３）０６—００４０—０３ 加速度传感器低频特性及校准方法 温仲元，林 劲，富常怡 （美国压电有限公司北京代表处，北京１０００２７） 摘要：很多工程应用领域对加速度传感器的低频特性要求很高。为了得到准确的数据，对加速度传感器 低频特性进行正确有效的校准十分必要。本文介绍了几种加速度传感器低频狰陛校准的方法。 关键词：Ｉｃ嘞Ⅱ速度传感器；低频响应；低频特性；低频校准；低频振动台 中图分类号：ＴＰ２１２ 文献标识码：Ｂ 因为具有测量准确度高、频率响应范围宽、体积小、 重量轻、易于安装等优点，加速度传感器被广泛应用。在 一堡 些特殊领域，对加速度传感器的低频特性要求更高，只 搭 ＋３ ｄＢ ＋５％ 有选择了合适的加速度传感器、电缆、信号适调仪及数据 采集系统，以及利用有效的手段对加速度传感器的低频特 性进行校准，才能得到更准确的测试数据。但目前多数用 户并不具备检测传感器低频性能的有效手段，多依赖于传 感器制造商提供的技术资料。 一５％ ３ ｄＢ 、加速度传感器的分类及特点 ：——±５％范围——：： —一・一传感器是把被测量的物理量转换成方便测量或记录的 量的装置，一般由敏感元件和转换元件组成。加速度传感 器测量的是加速度信号，并按一定规律将其转换为电量。 加速度传感器的种类主要有压电式ｆ电荷输出型和ＩＣＰ￣ 型）、电容式、压阻式３种。其中，电容式和压阻式的加速度 ±１０％范围——－： 。频率 ±３ｄＢ范围一‘ 图１ Ｉｃ嘞Ⅱ速度传感器的频响特性曲线 选择低频特性好的加速度传感器时，一定要根据应用 选择高灵敏度加速度传感器。因为被测物体的振动频率越 低，其产生的加速度就越小，如果传感器的灵敏度不够高， 那么输出的信号很微小，后端系统就很难准确测量。 对于整个实际测试系统而言，要测量低频低ｇ值的信 号，不仅需要加速度传感器的指标符合要求，而且后端所 匹配的电缆噪声也要低，信号适调仪和数据采集记录仪的 背景噪声、带宽等指标也要达到要求。同时，被测信号至 少要３倍于噪声水平，才能保证整个系统测量的准确性。图 ２为ＩＣＰ０加速度传感器典型测量系统示意图，图３为电荷型 加速度传感器典型测量系统示意图。 三、低频响应与放电时间常数的关系 传感器具有零频响应的特点，即低频响应可达０Ｈｚ；用于低 频地震监测的ＩｃＰ＠型加速度传感器低频响应ｆ±５％）可到０．０２ Ｈｚ，而一般用途的ＩｃＰ０型加速度传感器低频响应（±５％）可 到０．５Ｈｚ。ＩＣ 型加速度传感器由于其低阻抗输出、性价比 高、适于工程现场使用等特点而被广泛应用。 二、加速度传感器的低频特－眭 加速度传感器的特性指标有灵敏度、量程、分辨率、 非线性度、幅频响应和相频响应等。其中，幅频响应是指 在输入的加速度幅值不变的情况下，传感器输出电量的幅 值随频率的变化。不同的幅值变化误差，如±５％、±１０％、 ±３ｄＢ，对应不同的频率响应范围（图１）。传感器的低频响应 决定可测量的最低振动信号频率。 压电式加速度传感器的低频响应主要取决于其放电时 间常数ＤＴＣ（Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ Ｔｉｍｅ Ｃｏｎｓｔａｎｔ），因此，了解两者之问 ４０ 中国设备工程Ｉ ２ｏ１３年６月 维护与修理 的关系对加速度传感器的低频校准具有重要意义。 ｜ 四、校准方法 投 ｜版 ＿ｆ氐频响应为一５％处的频率。 传感器的放电时间常数越长，其频率响应越低。 加速度传感器低频特性校准方法主要有３种，即结构重 力法、重力翻转法和长冲程低频振动台校准法。 １．结构重力法 结构重力法是一种绝对校准法，是通过测量计算出传 感器的放电时间常数，从而得到加速度传感器的低频截止 标准电缆 ＩＣＰ。加 电荷 圈 冒 ＤＴＣ １ １ １ （３） 频率，即低频响应指标。装置如图４所示。 图４结构重力法示意图 数据采集记录仪记录ＴＤＮ速度传感器放电波形（图５）， 是放电时间常数。放电时间常数是从下降的一瞬间开始计 算，此时加速度传感器受到最大加速度１ｇ，输出为最大值 ．． ； Ｖｏｍａｘ；一直到ｖｏ下降至０．３７Ｖｏｍａｘ所经过的时间Ｔ，即 ＤＴＣ＝一ｒ。从记录的数据中可以读出 的值，根据公式ｆ３）可计 算出加速度传感器在不同误差范围对应的低频响应频率值。 结构重力法的优点是测试装置简单、容易实现，适合 在实验室和试验现场使用。 图５放电波形示意图 ２．重力翻转法 重力翻转法是一种绝对校准法，通过测量计算出传感 器的放电时间常数，得到加速度传感器低频响应指标。相 对于结构重力法的优点是更加可靠、容易实现，操作简单 方便。此方法是上下翻转１８０。，产生一ｌｇ～＋ｌｇ的加速度来对 传感器进行校准。 图６是重力翻转法检测加速度传感器低频特性的系统示 意图。其中，系统用的读出设备可以是示波器，也可以是 数据采集卡。无论使用哪种设备，读出设备和信号适调仪 都必须是ＤＣ耦合的。 ２０１３年６月 Ｉ中国设备工程 ４１ ：图６重力翻转法示意图 传感器安装在重力旋转台装置中间，通过手柄控制传 感器翻转；传感器的输出信号经具有ＤＣ耦合功能的信号适 调仪后，被后端仪器采集记录。图７为采集记录的加速度传 感器放电波形，放电时间常数是从加速度传感器感受￣１］２ｇ 的加速度幅值变化时开始计算，输出的电压幅值变化为 Ａ Ｖｏ；一直到 ｏ下降了６３％Ａ Ｖｏ所经过的时间Ｔ，Ｉ￣ＰＤＴＣ＝ ｔ。再根据公式（３）可计算出加速度传感器在不同误差范围对 应的低频响应频率值。 丑 簿 ３．长冲程低频振动台校准法 长冲程低频振动台校准方法可直接测量振幅和频率。 ＰｃＢ０集团下属ＴＭＳ公司的９１５５Ｄ￣ＪＩｌ速度传感器校准系统中的 ７７９选项就包括一款长冲程空气轴承低频振动台２１２９Ｅ０２５ （图８），其利用光学参考位移传感器可达到０．１Ｈｚ的低频准确 校准性能。此振动台可水平和垂直放置，其最大位移（峰一 峰值）达到２５ｃｍ；频率范围覆盖０．１～５００Ｈｚ；空载时最大加 速度达２ｇ。表１为其在不同频率范围对应的最大加速度峰 值。９１５５Ｄ系统符合ＩＳＯ１６０６３标准相关要求，适合计量校准 机构使用。 表１ 频率范围／Ｈｚ 最大加速度峰值／ｇ ５ｃｍ ０．１ ０．２５ ０．００５－０．０３２ Ｏ．２５～Ｏ．５ ０．０３２～０．１２８ 传感器安装平台 Ｏ．５～１．０ ０．１２８～０．５１ 图８振动台 １．Ｏ～１０ ０．５１～２．ｏ０ ４．校准方法比较 在校准频率低于０．５Ｈｚ时，如要求不确定度＜２％，则不 适合在低频振动台上用比较法来校准灵敏度较低的加速度 ４２ 中国设备工程ｌ ２ｏ１３年６月 维护与修理 传感器。因为低频振动台在低频时产生的加速度ｇ值很微小， 则被校准的灵敏度较低的加速度传感器输出信号也会很微 小，就会很难被后端的读出设备准确测量到。下面就用灵敏 度为ｌＯＯｍＶ／ｇ的被校加速度传感器（ＳＵＴ，Ｓｅｎｓｏｒ Ｕｎｄｅｒ Ｔｅｓｔ）， 举例说明。 结构重力法和重力翻转法利用重力场在低频下产生ｌｇ的 加速度，ｓｕＴ能输出约１００ｍＶ的信号，后端系统能够很准确 测量。根据加速度传感器低频响应与放电时间常数的关系， 利用测量记录的数据，可计算出加速度传感器的低频响应 频率指标。 ０＝ｄ（２ （４） 式中：旷—＿力眩Ｅ度； ｄ一峰值位移； 一． 频率。 Ｖｏ＝ｓａ （５） 式中： ｏ——加速度传感器的输出； ｓ——灵敏度； 旷一加速度。 根据公式（４）、（５）可以算出（表２），即使振动台的最大峰 峰值位移是２５ｃｍ（图８），在０．５Ｈｚ时加速度才０．１２８ｇ，在０．２５ Ｈｚ时加速度仅０．０３２ｇ，那么ＳＵＴ输出约３．２ｍＶ的信号，后端 系统很难准确测量。同样，在０．１Ｈｚ时加速度仅０．００５ｇ，ＳＵＴ 只能输出约０．５ｍＶ的信号，后端系统就更难准确测量。所以 低频振动台不适合校准灵敏度较低的加速度传感器。 表２ 低频频率点／｝Ｉｚ 最大加速度峰值／ｇ ｓｕ ｒ输出电压／ｍＶ ０．５ ０．１２８ １２＿８ ０．２５ ０．０３２ ３．２ ０．１ ０．００５ ０．５ 五、结论 在选择低频特性好的加速度传感器时，一定要根据应 用需求选择合适的高灵敏度，同时传感器灵敏度越高、频 率响应越低体积就越大。同样也要选择合适的校准方法对 加速度传感器进行校准。长冲程低频振动台校准方法，适 于计量检测实验室使用，而结构重力法和重力翻转法，操 作简单方便、性价比高，非常适合实验室及试验现场使用。 参考文献： 【１】美国压电有限公司．测量与测试产品手册．ＰＣＢ Ｐｉｅｚｏｔｒｏｎｉｃｓ，［ｎｃ． ［２］ＧＢ／Ｔ２０４８５．１—２００８￣Ｓ０ １６０６３—１：１９９８，振动与冲击传感器校准方法． ［３］ＪＪＧ ２３３—２００８，压电加速度计检定规程． 收稿日期：２０１３—０３—２９ 【编辑：吴建卿】
