振動(dòng)試驗(yàn)中，我們對(duì)控制點(diǎn)、監(jiān)測(cè)點(diǎn)等的振動(dòng)量值大多是通過(guò)加速度傳感器采樣得到的，該數(shù)值的正確性、可信性，直接影響到對(duì)試驗(yàn)的結(jié)果的判定。影響振動(dòng)試驗(yàn)中振動(dòng)量值的正確獲得，除了與傳感器的安裝位置、試件的安裝等外，還跟傳感器的技術(shù)指標(biāo)有關(guān)，它是得到振動(dòng)量值的最直接也是最重要的單元之一。本文結(jié)合理論及實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，介紹振動(dòng)試驗(yàn)中壓電式加速度傳感器的選擇。

1.靈敏度

壓電式加速度傳感器的靈敏度有兩種表示方法，一個(gè)是電荷靈敏度Sq，另一個(gè)是電壓靈敏度Sv，其電學(xué)特性等效電路如圖1。

圖1壓電式加速度傳感器的是電學(xué)特性等效電路

壓電片上承受的壓力為F1=ma，在壓電片的工作表面上產(chǎn)生的qa與被測(cè)振動(dòng)的加速度a成正比：即

展開(kāi)剩余85%

Qa=Sqa

其中，比例系數(shù)Sq就是壓電式加速度傳感器的電荷靈敏度，量綱是[pC/ms2]。傳感器的開(kāi)路電壓：

Ua=Qa/Ca

式中，Ca為傳感器的內(nèi)部電容量，對(duì)于一個(gè)特定的傳感器來(lái)說(shuō)，Ca為一個(gè)確定值。所以也就是說(shuō)，加速度傳感器的開(kāi)路電壓Ua也與被測(cè)加速度a成正比，比例系數(shù)Sv就是壓電式加速度傳感器的電壓靈敏度，量綱是[mV/ms2]。

Ua=(Sq/Ca)*a

在壓電式加速度傳感器的使用說(shuō)明書(shū)上所標(biāo)出的電壓靈敏度，一般是指在限定條件下的頻率范圍內(nèi)的電壓靈敏度Sv。在通常條件下，當(dāng)其它條件相同時(shí)，幾何尺寸較大的加速度傳感器有較大的靈敏度。使用說(shuō)明書(shū)上還會(huì)給出最小加速度測(cè)量值，也稱最小分辨率，考慮到后級(jí)放大電路噪聲問(wèn)題，應(yīng)盡量遠(yuǎn)離最小可能值，以確保最佳信噪比。最大測(cè)量極限要考慮加速度傳感器自身的非線性影響和后續(xù)儀器的最大輸出電壓。

估算方法：

最大被測(cè)加速度×傳感器電荷（電壓）靈敏度，其數(shù)值是否超過(guò)配套儀器的最大輸入（電壓）值。

如已知被測(cè)加速度范圍可在傳感器指標(biāo)中的參考量程范圍中選擇（兼顧頻響、重量），同時(shí)，在頻響、質(zhì)量允許的情況下，盡量選擇高靈敏度的傳感器，以提高后續(xù)儀器輸入信號(hào)，提高信噪比。

在兼顧頻響、質(zhì)量的同時(shí)，可參照以下范圍選擇傳感器靈敏度：

振動(dòng)加速度在1ms2~100ms2左右，可選300pC/ms2~30pC/ms2的加速度傳感器；

振動(dòng)加速度在100ms2~1000ms2，可選擇20pC/ms2~2pC/ms2的加速度傳感器；

碰撞、沖擊測(cè)量一般10000ms2~1000000ms2，可選擇0.2pC/ms2~0.002pC/ms2的加速度傳感器。

2.頻率

圖2壓電式加速度傳感器的頻率特性曲線

因此就傳感器本身而言，固有頻率fn是其主要參數(shù)，通常一般幾何尺寸較小的傳感器有較高的固有頻率，但靈敏度較低。權(quán)衡傳感器的靈敏度和使用頻率范圍這一對(duì)矛盾，到底如何取舍？這決定于測(cè)量要求。但是就一項(xiàng)精確的測(cè)量而言，寧肯選取較小靈敏度的加速度傳感器，也要保證有足夠?qū)挼挠行ьl率范圍。

選擇加速度傳感器的頻率范圍應(yīng)高于被測(cè)試件的振動(dòng)頻率，有倍頻分析要求的加速度傳感器頻率響應(yīng)應(yīng)更高。

低頻振動(dòng)：加速度傳感器頻率響應(yīng)范圍可選擇0.2Hz~1kHz；

中頻段振動(dòng)：機(jī)械設(shè)備一般是中頻段，可根據(jù)設(shè)備轉(zhuǎn)速、設(shè)備剛度等因素綜合估算振動(dòng)頻率，選擇0.5Hz~5kHz的加速度傳感器；

碰撞、沖擊：測(cè)量高頻居多。

加速度傳感器的安裝方式不同也會(huì)改變使用頻響。安裝面要平整、光潔，安裝選擇應(yīng)根據(jù)方便、安全的原則。安裝方式的不同對(duì)測(cè)試頻率的響應(yīng)影響很大，應(yīng)注意選擇。

3.內(nèi)部結(jié)構(gòu)

內(nèi)部結(jié)構(gòu)是指敏感材料晶體片感受振動(dòng)的方式及安裝形式。有壓縮和剪切兩大類(lèi)，常見(jiàn)的有中心壓縮、平面剪切、三角剪切、環(huán)型剪切。

中心壓縮頻響高于剪切型，剪切型對(duì)環(huán)境適應(yīng)性好于中心壓縮型。如配用積分型電荷放大器測(cè)量速度、位移時(shí)，最好選用剪切型產(chǎn)品，這樣所獲得的信號(hào)波動(dòng)小，穩(wěn)定性好。

4.內(nèi)置電路

內(nèi)置是指將放大電路置于加速度傳感器內(nèi)，成為具有電壓輸出功能的傳感元件。它可分雙電源（四線）和單電源（二線、帶偏置，又稱ICP）兩種，內(nèi)置電路傳感器一般是與數(shù)據(jù)采集儀配套，直接采集數(shù)據(jù)。ICP型加速度傳感器的供電和信號(hào)輸出共用一根線，其特點(diǎn)是：低阻抗輸出，抗干擾，噪聲小，性能價(jià)格比高，安裝方便，尤其適于多點(diǎn)測(cè)量，穩(wěn)定可靠、抗潮濕、抗粉塵、抗有害氣體。

內(nèi)置電路傳感器靈敏度的選型計(jì)算：

被測(cè)加速度值(g)=最大輸出電壓(mV)/傳感器靈敏度(mV/g)

如選用目前最為通用的100mV/g，可測(cè)50g以內(nèi)振動(dòng)；如測(cè)量100g，則用50mV/g的加速度計(jì)，其余以此類(lèi)推。

5.環(huán)境影響

在機(jī)械振動(dòng)試驗(yàn)室環(huán)境一般較為惡劣，考慮因素較多，如高溫、強(qiáng)磁電場(chǎng)及地電回路等，均會(huì)給測(cè)量帶來(lái)很大的影響，另電纜噪聲和基座應(yīng)變都會(huì)造成虛假數(shù)據(jù)。

在一般機(jī)械振動(dòng)試驗(yàn)室主要環(huán)境因素影響是高溫，多數(shù)廠商給出的傳感器溫度范圍為可用值，而不是高溫狀況的靈敏度，實(shí)際上，高溫時(shí)靈敏度偏差較大。因?yàn)闃?biāo)定靈敏度是在室溫20的條件下測(cè)定的，根據(jù)使用環(huán)境溫度的不同，可按每個(gè)傳感器出廠時(shí)給出的溫度修正曲線（或向廠商索�。┬拚潇`敏度，靈敏度指標(biāo)是保證測(cè)試準(zhǔn)確的關(guān)鍵。使用加速度傳感器時(shí)，不允許超過(guò)許用溫度，否則會(huì)造成壓電元件的損壞。另外，溫度瞬變也會(huì)使測(cè)量數(shù)據(jù)漂移造成誤差。