王玲 郑慧慧 贠韫 / 陕西省计量科学研究院

0 引言

压电加速度计是常见的振动类传感器，广泛应用于振动噪声控制领域，如航空航天、汽车和船舶、建筑测量、机械制造、旋转机械和电力系统。压电加速度计根据压电元件所处的不同位置分为标准压电加速度计和工作用压电加速度计。标准压电加速度计的压电元件在加速度计的顶端，工作用压电加速度计的压电元件在其底端[1-3]。

1 工作原理

压电加速度计主要由质量块、压电元件和基座组成，利用压电元件的正压电效应进行工作。即当加速度计测振时，压电元件受到质量块的惯性力作用，产生与所受力成正比的电荷，该电荷与质量块的加速度成正比[4]。

2 8305型标准压电加速度计结构

丹麦B&K公司生产的8305型压电加速度计（以下简称压电加速度计）属于标准压电加速度计，其解剖图如图1所示。双端安装，采用PZ100石英晶体压电元件，内部结构为倒置中心压缩式设计，主要由基座、中心螺杆、压电转换元件、惯性质量块和预紧簧片组成，外壳与惯性质量块、弹簧系统不直接接触，可隔离一部分外界非振动因素造成的干扰，同时，倒置中心压缩式又将惯性质量块、压电转换系统倒挂在加速度计顶部的基座上，有效地隔离来自安装面的大基座应变信号的干扰[5-7]。

图1 压电加速度计解剖图

3 压电加速度计的安装方向对测量结果的影响的试验

加速度计校准安装时，要求尽可能靠近其压电元件端，使其具有同样的振动量级。通过理论分析与试验，讨论用比较法校准压电加速度计时的安装方向对测量结果的影响。

3.1 试验方法

根据压电加速度计的原理分析，为研究用比较法校准压电加速度计时的安装方向对其加速度灵敏度测量结果的影响，设计试验方法为：以2020年福建省计量科学研究院主导的中频振动加速度计计量比对为例，比对样品型号为8305型的压电加速度计。采用比较法，使用中频振动标准装置（如图2所示）。装置由4808型标准振动台，2719型功率放大器、8305型参考压电加速度计、2692型电荷放大器、PULSE3560C动态信号分析仪组成。被校压电加速度计的灵敏度幅值测量值S2：

图2 中频比较法振动标准装置

式中：S1—— 标准加速度计的灵敏度幅值；

S2—— 被校加速度计的灵敏度幅值；

V1—— 标准加速度计输出值 ；

V2—— 被校加速度计输出值

按两个相反的方向将被校压电加速度计安装在参考加速度计上进行两组试验。试验一，按图3所示安装被校压电加速度计，参考加速度计（UP）向上、被校电加速度计（UP）向下，使用螺栓刚性连接，安装在标准振动台上，即比较法背靠背安装。为了保证良好的刚性连接，被校压电加速度计底面涂一层硅脂，安装力矩为2 Nm。试验二，按照图4所示安装被校压电加速度计，参考加速度计和被校压电加速度计均按（UP）向上方向用螺栓刚性连接，安装在标准振动台上，即比较法正向安装。同样，被校压电加速度计底面涂一层硅脂，安装力矩为2 Nm。

图3 背靠背安装

图4 正向安装

3.2 试验数据

两种安装方向下，被校压电加速度计的灵敏度（以160 Hz为参考点）频率响应见表1。

表1 灵敏度频率响应

在160 Hz、100 m/s2条件下的灵敏度幅值作为参考灵敏度，由表1可知，被校压电加速度计用背靠背安装法的频率响应优于正向安装法的频率响应。并且，正向安装法在3 000 Hz以上频率响应不满足JJG 233-2008《压电加速度计检定规程》中标准加速度计频率响应要求。这是由于标准压电加速度计的壳体并不是绝对的刚体，且8305型的压电加速度计等标准型压电加速度计的结构特殊，正向安装法两只加速度计的压电元件振动量级不同，尤其在中高频时会导致被校压电加速度计灵敏度幅值偏大[8]。而背靠背安装法保证了两只加速度计压电元件的振动量级相同。因此，采用比较法校准标准型压电加速度计时，应将被校压电加速度计与参考压电加速度计背靠背安装于标准振动台上进行测量。

4 结语

本文介绍了压电加速度计的工作原理以及8305型标准压电加速度计的结构形式，讨论了比较法中安装方向对被校标准压电加速度计灵敏度幅值的影响，并进行了试验。通过理论分析，得出了在对标准压电加速度计进行比较法校准时选择合理的安装方向，能够保证标准压电加速度计灵敏度有良好的频率响应特性。