（振动与冲击传感器）基座应变灵敏度测试方法的研究

李群

摘要：依照现有的国际标准ISO 5347-13[1]和国家标准GB/T 13823.6—1992[2]，对（振动与冲击传感器）基座应变灵敏度的测试现状以及实验数据进行分析，设计加工一整套专用的测试系统，根据检测过程中遇到的问题，对测试系统加以改进，提高基座应变灵敏度测量的准确性和合理性。

关键词：振动 基座应变 灵敏度 测试

（Vibration and Shock Sensor） Research on Test Method of Base Strain Sensitivity

Li Qun（Fujian Metrology Institute ）

Abstract： This paper is based on the existing international standard ISO 5347-13 and the national standard GB/T 13823.6—1992. The test status of the susceptor strain sensitivity and the experimental data are analyzed. A set of dedicated test system is designed and processed. According to the problems encountered during the test， the test system is improved to improve the accuracy of the susceptibility measurement of the pedestal and rationality.

Key words：  vibration， base strain， sensitivity， test

1 引言

（振动与冲击传感器）基座应变灵敏度的测试是基于ISO 16063-1中提到的振动与冲击传感器测试过程中八个乱真响应（包括磁场灵敏度、温度灵敏度、扭矩灵敏度等）中的一种。基座应变灵敏度测试在现阶段很少被人提及，是因为对于它的测试不确定的分量太多，很多人根据国际标准或国家标准中的测量方法，很难得到比较理想的实验结果，或是得出的实验数据并不能很好地验证其准确性。本文深入分析了国家标准的测量方法，对测试难点进行反复论证，尽量用理论公式和实验数据说话，将基座应变灵敏度的测试原理和测试方法进行逐一分解，为后续的基座应变灵敏度测试的改进提供新的思路和目标。为我国振动与冲击传感器基座应变灵敏度的测试开辟一条新的出路。

2 影响基座应变灵敏度的因素

1） 传感器内部结构

振动传感器的结构分为压缩式和剪切型两种，剪切型传感器相对于压缩式传感器技术含量高，机械加工和装配过程都比较复杂，所以售价较昂贵。在振动测量过程中，压缩式振动传感器的敏感元件直接安放在传感器底座上面，两者是面与面的接触，所以，基座由于应变产生的形变的影响比较大。

见图1。

而剪切型振动传感器的敏感元件是以线的形式垂直固定在传感器的底座上，且与传感器的底座完全隔离，因此，它不会直接感受到传感器的振动量以及由于基座形变产生的振动输出。见图2。

2） 传感器底座面积

基座产生应变力的大小与传感器的接触面积有较大的关系，传感器底座面积越大，传导由基座产生的形变越大。若属于压缩式传感器，其压电片在底面，则底座接触面积越大，基座应变灵敏度越大。而剪切型的传感器敏感元件与底座没有直接接触，底座表面积的增大对其影响并不会太大。但通常来说，底座面积越大的传感器，其基座应变的灵敏度也越大。

3 基于悬臂梁（自由振动）的灵敏度测量

依照国家标准GB/T 13823.6—1992《振动与冲击传感器的校准方法 基座应变灵敏度测试》中提到的测试方法，取一悬臂梁（长度l=1 500 mm，宽度b=76 mm，厚度h=12.5 mm），将其一端固定，另一端施加一外力做自由振动，传感器距固定端40 mm，当材质为45#钢时，固有频率=4.65Hz（其中E是弹性模量，L为悬臂梁长度，I为截面惯性矩，A为横截面积，P为密度），在传感器四周贴应变片，前后对称均匀分布，采用全桥放大电路。见图3、图4。

以厦门乃尔电子有限公司生产的CAYD149V系列加速度传感器为例，分别对最大应变电压输出和加速度计幅值进行捕捉，计算该加速度的基座应变灵敏度。捕捉结果见图5、图6。

其中应变采集系统的系统灵敏度为：S=1V/ε，考虑到悬臂梁为自由振动，测量有效信号选取为触发信号后0 s～2 s内的有效值。

在该时段内加速度传感器加速度有效值为：

故加速度傳感器基座应变灵敏度为：

Sa=0.0000872gpk/με

该测试装置最大的缺陷是由于悬臂梁的振动属于自由振动，其振幅是处在不断衰减的过程，因此如何采集到悬臂梁的最大振幅下被测传感器瞬间产生的基座应变就显得尤为困难。其次，在多次测试过程中，由于始终无法保证应变力方向和振动幅值方向的一致性，有时可能会造成应变力和加速度幅值叠加的现象，无法准确地剥离单纯的自由振动幅值，使得最后的基座应变灵敏度值过大。

4 稳态正弦激励基座应变灵敏度测量

基于以上测试方法，经过多年研究，研制出一套基于稳态正弦激励的基座应变灵敏度测试装置，见图7。

悬臂梁a端为固定端，装有被校传感器及应变片;悬臂梁b端为自由端，受电磁激励装置激励从而产生振动，运动方向为垂直纸面方向。 装置工作时，通过上位机设定悬臂梁的振动频率及 a 端的基座应变 ε0，并将该指令传达给测控仪，测控仪中的信号源模块设定对应频率和一定幅值的电压信号传输给功率放大器，功率放大器输出驱动电磁激励装置产生正弦激振力，悬臂梁 b 端即产生相应频率的受迫振动。在悬臂梁 a 端产生的应变以及被校传感器输出被测控仪中的数据采集器采集后，经上位机计算可以得到传感器的基座应变灵敏度。

5 新装置的优点

稳态正弦激励装置与GB/T 13823.6—1992《 振动与冲击传感器的校准方法 基座应变灵敏度测试》中测试方法相比，具有以下优点：

（1）此装置将悬臂梁垂直悬挂，避免了水平放置时悬臂梁因自重而产生弯曲对校准结果的影响。

（2）此装置通过电磁激励的方式使得悬臂梁产生振幅稳定的受迫振动，避免了在先前装置中因通过瞬态激励产生自由振动导致的振幅衰减的问题。

（3）此装置悬臂梁的振动频率在一定范围内可调节（0～6）Hz，可以得到多个频率点下传感器的基座应变灵敏度，而不局限于悬臂梁的振动固有频率。

（4）此装置限制了悬臂梁自由端的振幅，防止因振幅过大可能产生的塑性变形以及装置损坏。

6 实验结论

在实验过程中，我们对四种不同类型传感器进行多频点下的基座应变灵敏度测试，实验数据见表1、表2。

从实验数据表1中可以看出，传感器本身的结构类型直接关系到压电加速度计的基座应变灵敏度大小，例如压缩式传感器JC-6，其基座应变灵敏度就比其他剪切式结构的传感器大1～2个数量级，这种影响从表中的实验数据中就可以很明显地感知。从表2中可以看出，传感器在（250～300）με振级时，其基座应变灵敏度最小，而在两端会逐渐增大，且在100με时达到最大值。

另外，传感器底座接触面的大小也影响着基座应变灵敏度。原则上应该是基座面积越大，其影响越明显。但从图中得出的一些数据来看，B&K4384的底座面积比东方所9818更小，但测出的基座应变灵敏度却更大些，显然还有些其他因素在影响着传感器的基座应变灵敏度的大小，我们将在后续进行更深入的研究和试验，解开更多的困扰。

参考文献

[1]  Methods for the calibration of vibration and shock        pick-ups—Part 13： Testing of base strain sensitivity：        ISO 5347-13：1993[S/OL].[1993-12-01].http：//www.       iso.org/standard/11359.html.

[2]  全国机械振动与冲击标准化技术委员会.  振动与冲击传感      器的校准方法 基座应变灵敏度测试：GB/T 13823.6—      1992[S]. 北京：中國标准出版社， 1993.