压电式加速度测试系统的内容,实验步骤等

简介：现代工业和自动化生产过程中，动态测试 中振动和冲击的精确测量很重要。常用压电 加速度传感器来获取冲击和振动信号。采用 压电式加速度传感器振动测试系统具有较高 的准确性和应用推广价值，,并具有结构简 单，成本低，性能稳定等优点。

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采用压电式加速度振动测试方案

系统组成：压电式加速度计 、电荷放大器、 动态信号分析仪组成，如下图所示。被测对 象的振动加速度信号经传感器拾振，由传感 器电缆将加速度信号送入该系统电荷放大器， 电荷放大器将信号转换成电压信号并放大， 通过数据采集测试仪采样，便实现对信号的 采集

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测试系统组成一、压电式加速度计：测试系统中，压电式 加速度传感器的作用是把振动量转换成相应 的电信号。实验测试时，为了防止电缆相对 运动产生摩擦而引起的“电效应”,除需要 选用低噪声电缆，还应把电缆固定在试件上。二、电荷放大器：压电式加速度计产生的电 荷量很小，输出阻抗很高，因此与它相连的 仪器输出阻抗的大小对测量系统的性能产生 重大影响。高输入的阻抗的前置放大器就是 以此为目的而设置的。

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图2 电荷放大器等效电路

三、动态数据采集测试仪：动态数据采集测试仪是振 动测试系统最重要的一环。其实质是一种带通讯接 口和程序控制的多功能智能仪器，具有内置调理作 用，可直接对加速度信号进行测量。

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压电加速度传感器

压电加速度传感器的工作原理 由质量块、压电元件和支座组成。支座与待测物刚性地 固定在一起。当待测物运动时,支座与待测物以同一加速度运 动,压电元件受到质量块与加速度相反方向的惯性力的作用,在 晶体的两个表面上产生交变电荷(电压)。 当振动频率远低于传感器的固有共振频率时,传感器的输 出电荷(电压)与惯性力成正比。电信号经前置放大器放大,即 可由一般测量仪器测试出电荷(电压)大小,从而得知物体的加 速度。质 量块 压电 元件 输出 引线

支座

压电加速度传感器原理图

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系统性能指标：

判断压电式加速度振动测试系统的性能指标 主要有：灵敏度、固有振动频率、频率响应 范围、动态响应范围和结构稳定性等 下面主要介绍灵敏度和固有振动频率

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压电加速度传感器的灵敏度

灵敏度是指其输出电量与所承受的振动(或冲击)加速 度的比值。它是表征加速度传感器性能的最基本的参数。 公式推导： 设晶片为压电陶瓷,极化方向在厚度方向(z方向), 作用力沿着z方向可推导出压电陶瓷片产生的电荷为： Q=d33Ma M为质量块质量,m为晶片质量,a为物体振动加速度，l为晶片 厚度,A为晶

片电极面面积

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a=g(重力加速度)时得到的电荷Q值,常称为灵敏度,单位记 为C/g,即灵敏度为一个g产生的电荷。上式为灵敏度的电荷 表示法。灵敏度亦可用开路输出电压表示,因为U Q Cd

式中,Cd为晶片的低频电容(自由电容) 所以 33 AT

Cd

U

d 3 3 lM a

l

33 AT

取a=g,即为灵敏度的电压表示法,即一个g时产生 的开路电压,单位记为V/g。

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固有共振频率 由灵敏度的公式：在低频时灵敏度是一常数,它和压电常数 成正比,和质量块的质量成正比。在较高的频率下该公式不适 用,特别是到传感器的固有共振频率附近,灵敏度急剧增大,该公 式一般在传感器固有共振频率的1/2~1/5以下使用。 可以近似地把质量块看成一个纯质量(忽略其弹性),晶片看 成一纯弹性元件(忽略其质量)来计算传感器的固有频率。如将 晶片看成一弹簧,则由定义可求出其劲度系数为k A S 33l EA l

式中,E为压电晶片的杨氏模量。则固有频率fn 1 2 k M

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测试流程(以振动压路机为例)

如图所示

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实验测试流程振动源 电信号

放大器 放大信号

结果分析

结果显示

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系统技术指标该系统的采集方式为多通道并行；A/D分辨率 为12bit;最高采样频率为1MHz;频率范围 为0.5Hz—6kHz;低通滤波器的衰减斜率为12dB/OCT;加速度工作方式为叠加型平面剪 切；平均方式为块平均；加速度的测量范围 2 为0—50m/S

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结果分析

测试现场压实材料为砾土，压路机的行走速度控制 为1.7Km/h。对采集得到的加速度信号进行功率谱 分析，可得到功率谱的变化趋势，与理论分析所得 结论是一致的，即振动轮系统中主要响应参数是随 着压实作业过程中土壤性能变化呈现规律性变化。 将此规律应用在土壤压实的自动检测，为土壤密实 度在线监测系统提供新思路。在提高振动轮的压实 效果的同时，此规律也为实现振动压路机压实作业 的自动化提供了理论依据。

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注意

由于压电传感器的压电特性易受温度影响， 热胀冷缩造型的机械变形也会对输出产生英 系那个。因此，有必要进行温度补偿。温度 补偿的办法是通过实验对传感器在不同温度 下所产生的温度漂移值进行标定，然后在结 果中修正，以保证测试精确性。

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结束语

压电式加速度计、电荷放大器、动态信号分 析仪组成的振动测试系统的原理，可以为振 动加速度测量或监测提供一种手段，也可为 需要解决振动现象的工程提供可靠的试验数 据和技术支持。随着科学技术、工农业生产 和国防建议事业的迅速发展，大量的工程振 动现象问题不断地出现，相信该系统将应用 更加广泛。