介紹

本文主要回顧一下當前加速度測量的一些熱點問題.確信無疑，在實驗室或現(xiàn)場對加速度計進行校準才能保證測量是準確的。當然選擇合適的配套電子設備也是必要的。也許整個測試過程中最簡單的事情就是得到精確的加速度計及電子設備。當安裝這些儀器設備時，必須小心謹慎，這樣才能保證可靠地機械及電氣連接。同樣重要的就是需要考慮不利環(huán)境帶來的負面影響。當儀器設備制造商及測試工程師足夠仔細的考慮這些因素時，沖擊及振動測量就是某種程度的日常工作，而且測量過程也不會出現(xiàn)一些不必要的誤差。

加速度計校準

大部分實驗室校準是使用正弦振動或沖擊運動等機械激勵方式施加于加速度計并測量電信號輸出。通?，F(xiàn)場校準是把電信號施加于加速度計并測量電信號輸出。

靈敏度及頻率響應

現(xiàn)在例行的校準都是在正弦振動校準激勵下，頻率范圍5Hz~10000Hz內(nèi)通過比較方式進行。

為了避免沖擊及振動測量過程中出現(xiàn)不必要的誤差，每個加速度計必須在它期望使用的頻率范圍內(nèi)定期校準。校準間隔應該不要超過1年。如果有理由相信加速度計在超過它的溫度范圍或加速度范圍使用過那么，那么加速度計應該進行更加頻繁的定期校準。靈敏度及頻率響應校準是在1g和10g的單一加速度下進行。通常，校準已經(jīng)足夠用來驗證加速度計的性能特性沒有變化或加速度計處于比較好的工作狀態(tài)。

校準是在完全相同的運動激勵下，把被測加速度計的輸出和標準加速度計的輸出進行比較。使用這種方式，可以確定被測加速度計的靈敏度及頻率響應，在900Hz以下估計誤差±1.5%，900Hz以上估計誤差±2.5%。

圖1

使用鋯鈦酸鉛晶體加速度計的電壓及電荷頻率響應曲線如上所示。加速度計的電荷頻率響應在高頻區(qū)域幾乎是平坦的，并沒有出現(xiàn)因為加速度計共振而上升的現(xiàn)象。

使用石英P-2和晶體P-10的加速度計的電壓及電荷頻率響應曲線是完全一樣的，在1/5共振頻率之前的所用頻率點的電壓及電荷靈敏度是恒定的，在這里靈敏度增加了4%。另一方面，使用鋯鈦酸鉛晶體的壓電加速度計只有在使用電壓放大器才會有這個特性，見圖1。使用電荷放大器時，頻率響應有一特性，它的靈敏度會隨著頻率的上升而下降。這個特性在改善高頻響應時有一優(yōu)勢，因為電荷的高頻響應的下降特性趨于抵消加速度計因為共振頻率導致靈敏度的上升。這中合并的效果可以延長它的可用頻率范圍，在這個頻率范圍內(nèi)，加速度計的靈敏度是恒定的。頻率響應曲線同樣顯示了另外一個特性，就是電荷靈敏度在低頻頻率點也有所增加，見圖1。因此，為了避免不必要的校準誤差，如果電荷靈敏度是從電壓靈敏度計算出來的，那么在測試電壓靈敏度的同樣頻率點測量加速度計的電容值是必要的，反之亦然。這是因為采用鋯鈦酸鉛晶體的加速度計的電荷靈敏度及電容值都是隨著頻率的升高而降低。

除了靈敏度及頻率響應校準，加速度計用戶還需要某些其它校準。這些校準包括橫向靈敏度，溫度響應及幅值線性度校準。

溫度響應及幅值線性度

溫度響應校準是在單一頻率及單一加速度下，在計劃使用的溫度范圍內(nèi)改變溫度進行的。這個校準規(guī)則適用于壓電加速度計及內(nèi)部阻尼率小于臨界阻尼值0.1的壓阻加速度計。如果壓阻加速度計的阻尼率超過臨界值0.1，那么溫度響應校準就必須在計劃使用的頻率范圍內(nèi)及單一加速度下進行。

壓電加速度計的溫度響應僅在單一頻率下校準是因為它的阻尼率及共振頻率在極端溫度下不發(fā)生改變。壓電加速度計的這個表征現(xiàn)象可以在實驗室實驗驗證。壓電加速度計具備這些特性對我們來說是非常幸運的；否則，進行不同頻率點的例行溫度響應校準是非常昂貴的。不僅僅這些聯(lián)合校準所需的設備昂貴，而且進行這些校準所需要的時間也是相當多，特別是為了保證校準不出現(xiàn)過多的誤差而花費長時間的謹慎操作。

和溫度響應類似，對于壓電加速度計的幅值線性度校準只需在單一頻率點下進行。頻率點必須小于加速度計共振頻率的1/5。校準的頻率點通常取決于測試設備的極限值。大部分的正弦振動幅值線性度校準的加速度值可以進行到100g。盡管使用一些特殊設備，可以使正弦幅值線性度校準在更高的加速度值下進行，但是在超過100g情況下，沖擊校準更加實用。（參見以下章節(jié)。）

我們有溫度響應及幅值線性度校準相關(guān)設施可作為校準服務提供，沒有必要所有的實驗室都可以進行這些校準。

橫向靈敏度

橫向靈敏度校準是在加速度計的可用頻率范圍內(nèi)的某一頻率點進行例行校準。當加速度計在垂直感應靈敏軸的平面被進行直線往復振動時，壓電加速度計的輸出取決于平面內(nèi)振動方向的角度位置。見圖2.

圖2

壓電加速度計繞著它的感應靈敏軸旋轉(zhuǎn)時，橫向靈敏度的變化曲線

圖3

(a) 由于水平空氣軸承振動臺的橫向運動引起的加速度計2224C(S/N:GA37)的橫向靈敏度曲線；

(b) 2223-6（S/N:D671）加速度計的橫向靈敏度曲線

加速度計的橫向靈敏度幾乎是恒定的，除了在某些頻率點，振動臺出現(xiàn)過多的橫向運動。

當加速度計繞著它的感應敏感軸旋轉(zhuǎn)時，橫向靈敏度的變化曲線可以描述成正弦曲線。這個曲線的最大數(shù)值就是橫向靈敏度。

圖2所示加速度計的橫向靈敏度小于0.5%。它在評估電動振動臺是否合適測量其它加速度計的橫向靈敏度時非常有用。圖3（a）顯示一個這種評估結(jié)果。除了振動臺的共振頻率點500Hz及1100Hz附近外振動臺的橫向運動小于1%。這個振動臺不建議在3000Hz以上頻率使用，因為它在4500Hz頻率出現(xiàn)顯著的共振。

圖3（a）同樣也顯示了這個加速度計的橫向靈敏度在不同頻率點是恒定，在圖2中可以看出它的橫向靈敏度小于0.5%。另外一支加速度計的測試結(jié)果如圖3所示更加清楚地顯示這個特點。特意選擇了一支高橫向靈敏度的加速度計，非常適合用來實驗性地驗證橫向靈敏度的頻率恒定特性。這支加速度計的橫向靈敏度在振動臺的可用頻率范圍3000Hz之前的所有頻率點都是恒定的數(shù)值接近5%。這個加速度計的橫向靈敏度曲線的異常點同樣發(fā)生在振動臺的共振頻率點，見圖3（a）。

沖擊校準

使用在沖擊測試應用的加速度計應該通過沖擊運動激勵來校準。例外的情況就是當沖擊運動測試的加速度沒有超過加速度計正弦振動校準所用的加速度值而且沖擊運動的頻率分量在加速度計正弦振動校準的頻率響應之內(nèi)。這種情況出現(xiàn)在比如沖擊運動測量的加速度值只到100g。針對某種型號的加速度計，只需要對一個產(chǎn)品進行沖擊校準。如果制造控制過程比較好地保持，那么某一型號的所有加速度計的性能應該是一樣的。沖擊校準應該在計劃使用的加速度范圍內(nèi)進行。通常使用的沖擊臺都會產(chǎn)生短時間的脈沖。這種沖擊有一個優(yōu)勢，它包含相當?shù)母哳l分量可以實驗性地驗證加速度計的性能，如果它的共振頻率點存在這個高頻分量可以激發(fā)加速度計的共振頻率響應。

現(xiàn)場校準

盡管實驗室校準是把機械激勵施加到加速度計來完成，但是大部分現(xiàn)場校準是通過電激勵來進行的。兩種電激勵方式會用到。

電激勵是在加速度計的晶體串聯(lián)一個電阻。使用一個電阻是因為施加在電阻的交流電壓會使加速度計產(chǎn)生一定的輸出。為了計算方便，選擇的電阻值可以產(chǎn)生一個相當數(shù)值的加速度，比如，在和加速度計一起使用的放大器輸出端輸出100g的加速度值。進行全系統(tǒng)的校準有一優(yōu)勢它可以驗證整個電路系統(tǒng)的完整性。這個校準不僅保證了不同的加速度計及放大器之間沒有誤接，同樣可以檢測加速度計或加速度計和放大器之間沒有短路或開路。這種校準實質(zhì)來說是被動的，晶體沒有被機械激勵而且加速度計的振動靈敏度沒有驗證。然而，它對晶體施加了一個電壓，可以檢測到電容值的任何變化。這是一個可靠的現(xiàn)場校準程序，因為很少出現(xiàn)加速度計在電容值不變的情況下靈敏度發(fā)生變化的情況。

另外一種可靠的現(xiàn)場校準是通過設計加速度計提供一個主動的內(nèi)部激勵來進行的。傳感器可以通過加速度計內(nèi)部額外的壓電晶體作為力激勵源來機械性地激勵壓電晶體。電壓會施加到作為力激勵源的晶體。電壓導致這個晶體的尺寸變化從而產(chǎn)生力作用于傳感器感應晶體使它的尺寸也產(chǎn)生變化。這種加速度計設計它可以在力激勵源晶體施加一定的電壓從而使加速度計產(chǎn)生一個預選加速度值的相應電壓或電荷輸出。這種類型的現(xiàn)場校準可以驗證加速度計的振動靈敏度沒有變化。它同樣進行了所有電路完整性的檢查，如上面描述的被動校準所檢測的內(nèi)容。

放大器

過去，僅僅電壓放大器及陰極跟蹤器可以用來配套壓電加速度計。使用這種儀器時很難達到足夠的低頻響應來滿足某些應用。陰極跟蹤器的低頻性能僅僅取決于單位為赫茲的頻率乘以陰極跟蹤器的輸入電阻（單位為歐姆）乘以加速度計的電容值（單位為法拉）。只有當FRC乘積值等于或大于1時，頻率響應才比較平坦。當在某些頻率點它的FRC這個乘積值小于1時，頻率響應會減少。比如，當FRC值接近0.16時，它的頻率響應就下降了3dB。

使用電壓放大器時，同樣需要考慮這個FRC乘積值。然而，通常這個乘積值只在低于電壓放大器本身的低頻截止頻率時才會小于1。這種情況下，電壓放大器的低頻響應性能就是一個決定性的因素。很重要的一點就是頻率響應下降3dB的該頻率點是足夠滿足要求的低頻點，不管它是因為電壓放大器或者是FRC乘積值導致頻率響應下降3dB。例如，在沖擊運動應用中，下降3dB的該頻率倒數(shù)的數(shù)值必須大于沖擊運動脈沖寬度。

低于50Hz的正弦及隨機振動測量時，了解電壓放大器及陰極跟蹤器的低頻性能非常重要。當使用低電容值的加速度計時，陰極跟蹤器在低頻響應會急速下落。

電壓放大器及陰極跟蹤器除了低頻響應問題之外，還有必要確定因為電纜長度改變而引起的靈敏度變化。輸出會因為和加速度計并聯(lián)的電容值增加而減少。當電纜長度改變時，有必要計算新的靈敏度或重新校準加速度計。

如果必須使用電壓放大器系統(tǒng)，一個非常好的慣例就是校準加速度計的靈敏度及頻率響應時使用該振動及沖擊測試應用實際所使用的電纜和放大器。

事實上，使用電壓放大器及陰極跟蹤器來放大壓電加速度計的缺點，在使用電荷放大器時都可以消除。無論使用什么電纜，電荷放大器的輸出都會保持不變。電纜長度可以長到1英里。電纜可以隨意替換而不用進行計算或校準。此外，使用電荷放大器時更加容易獲得預期的低頻響應。電荷放大器的低頻響應可以到一個很低的預選截止頻率點，從5Hz到小于1Hz的范圍。根據(jù)沖擊及振動測試應用的要求來決定如何選擇加速度計的低頻響應。一個非常好的慣例就是選擇低頻截止點時要考慮周到。如果低頻截止頻率點小于1Hz，測量誤差有可能是加速度計的熱電效應產(chǎn)生的輸出，參見以下章節(jié)。

環(huán)境因素

為了保證加速度測量的準確性，必須考慮一定的環(huán)境影響。這些環(huán)境因素包括溫度瞬變，安裝條件及沖擊測試應用中出現(xiàn)的共振頻率激勵。

溫度瞬變

壓電加速度計有一個特性，當晶體的溫度發(fā)生變化時它會產(chǎn)生輸出。幾乎在所有的測試應用中，加速度計的溫度都是在幾秒或幾分鐘的周期內(nèi)逐步發(fā)生變化。因此，熱電效應產(chǎn)生的輸出沒法被檢測，因為大部分放大器并沒有足夠的低頻響應性能來檢測這個緩慢變化的熱電輸出。熱電輸出信號僅僅包含了相當?shù)偷牡皖l分量，通常小于1Hz。然而，如果放大器可以通過這些低頻信號或者這些熱電輸出足夠大到可以使放大器過載，那么就必須考慮這些熱電輸出信號，因此在熱電輸出信號出現(xiàn)的這段時間要使放大器不起作用。壓電晶體的這個熱電輸出特性是眾所周知，任何具體的加速度計-放大器組合在特定溫度條件下的熱電輸出是可以實驗性地確定大小。

總共有3種類型的熱電輸出。主要型熱電輸出是因為通過晶體的均勻溫度發(fā)生變化產(chǎn)生的電荷。次要型熱電輸出是因為晶體均勻溫度變化引起晶體尺寸變化產(chǎn)生的壓電電荷。第三位的熱電輸出是因為晶體的溫度梯度產(chǎn)生的晶體壓電輸出。當晶體被約束防止尺寸變化的情況下才會出現(xiàn)單純的主要型熱電輸出。相反地，當晶體沒有被約束的情況下，會出現(xiàn)單純的次要型及第三位熱電輸出。主要型熱電輸出僅出現(xiàn)在垂直于晶體極化方向的晶體表面。反之，次要型及第三位熱電輸出出現(xiàn)在晶體的電極表面，無論它的極化方向。剪切型加速度計設計使電極表面不在晶體極化的方向，因此，剪切型加速度計不會產(chǎn)生主要型熱電輸出，通常來講它受溫度變化產(chǎn)生的影響要小于產(chǎn)生熱電輸出的壓縮型加速度計。所有的陶瓷晶體產(chǎn)生次要型熱電輸出。然而P-2晶體（石英）僅僅產(chǎn)生第三位熱電輸出。因此，放大器設計使用低于1Hz頻率的測試中應優(yōu)先使用石英型加速度計。在測試相當長脈寬的沖擊運動測試應用中需要這類放大器。在大部分的沖擊及振動測試應用中，常用到低頻截止頻率點接近或高于3Hz的放大器，它們不會出現(xiàn)因為熱電輸出產(chǎn)生的誤差。

安裝條件

測試加速度計的共振頻率時，通常使用堅固鋼質(zhì)螺釘它使加速度計的基座和測試結(jié)構(gòu)的安裝表面直接連接。當加速度計基座和測試結(jié)構(gòu)的安裝表面之間使用絕緣安裝螺釘或堅硬的輔助夾具連接時，它的共振頻率會降低。共振頻率大約降低15%。由于大部分加速度計的共振頻率接近或超過30KHz，所有共振頻率的這個變化并沒有顯著地影響低于5KHz的頻率響應。當沖擊及振動測試的頻率分量超過5KHz時，校準加速度計的頻率響應時，應該使用測試中實際的螺釘或夾具。此外，注意要盡量避免使用任何夾具除非它是堅硬的。

當加速度計或測試結(jié)構(gòu)的安裝表面出現(xiàn)很大的應力時，加速度計的外殼會明顯得變形。這些應力有可能是機械負載或不均勻溫度產(chǎn)生的。這些應力對加速度計性能的影響是使用振動的橫梁來得到的，它的曲率半徑為1000英寸，彎曲應力為250微英寸/英寸。這些測試條件是在美國標準協(xié)會和美國儀表協(xié)會中的一個標準。大部分的剪切型加速度計的應變靈敏度是相當小的，在大部分的測試應用中，安裝應力的影響可以忽略。壓縮型加速度計的應力靈敏度有時是非常明顯的。高性能的加速度計比如相當高共振頻率計相當高加速度值的加速度計通常比其它加速度計更容易受應力環(huán)境的影響。測試應用中當測試結(jié)構(gòu)的靜態(tài)或動態(tài)表面應力接近或超過250微英寸/英寸，可以考慮使用絕緣安裝螺釘或堅固的夾具作為應力過濾器。這個預防措施僅僅在某些使用高性能加速度計測量低加速度值應用中考慮使用。針對這種應用更好的解決方案就是選擇高振動靈敏度同時低應力靈敏度的加速度計。

共振頻率激勵

加速度值從10000g~100000g的沖擊測試應用中的加速度計對設計要求非?？量獭＿@些高加速度值沖擊的脈寬是相當短的。此外，脈沖的上升時間經(jīng)常小于5μs。這個沖擊運動可以激發(fā)測試結(jié)構(gòu)的共振頻率從而產(chǎn)生高加速度值振動運動。這個振動運動可能發(fā)生在接近加速度計共振頻率的頻率點。由于加速度計是弱阻尼，因為測試結(jié)構(gòu)這個振動運動產(chǎn)生的輸出可能大于沖擊運動的輸出。經(jīng)驗指出在這些測試環(huán)境下，有時加速度計的輸出在沖擊運動結(jié)束后不能歸零。零點漂移的原因起源于加速度計。測試加速度值接近或超過50000g的應用中要完全消除這個問題還需要額外的研究與研發(fā)。通常10000g加速度的測試可以通過選擇合適的加速度計來避免這些誤差。沖擊測試應用優(yōu)先選擇低靈敏度加速度計。

聲學靈敏度

聲場對壓電加速度計的影響在Peters 的那些記錄中有詳細討論。有些加速度計的設計已經(jīng)被廢棄了，但是還有在使用的，它們在聲壓接近180db的水平時有非常顯著的輸出。然而，最近幾年的大部分加速度計的聲場響應都是非常小的。方便實用的目的，大部分聲場引起的輸出可以忽略。

很早之前壓電加速度計聲場響應測試取得的實驗數(shù)據(jù)其實包含了施加在加速度計上的加速度產(chǎn)生的輸出。最近在混響室進行的測試顯示加速度計的實際聲場響應比其它測試技術(shù)得到的數(shù)據(jù)小很多。通過把加速度計安裝到一個很大質(zhì)量塊同時使用屏蔽聲場的另外一個加速度計來修正殘余的加速度輸出這樣來最小化加速度帶來的影響。這個測試技術(shù)可以在3000Hz頻率之前得到實際的加速度計聲場響應。在更高頻率點，測試結(jié)果表明聲場響應輸出大于理論預測值。然而，聲場響應輸出對于單端壓縮型加速度計及剪切型加速度計來說仍然可以忽略不計，這些加速度計的外殼沒有和壓電元件沒有直接機械連接。Peters指出在加速度計的聲場測試中，高頻頻率點有大的輸出是不可避免的。加速度計的聲場響應僅在低頻點可以更好地通過測試確定，而在高頻點通過理論計算確定。

雜散電場

在實驗室進行的沖擊及振動測試可以消除雜散電場的影響。選擇足夠靈敏度的加速度計及放大器同時稍加注意避免出現(xiàn)接地回路就可以很容易地避免過多的誤差，

在飛行應用中使用的傳感器系統(tǒng)指定要求進行常用廣播頻率干擾測試。為了滿足這些規(guī)格的要求，只需要注意一下配套放大器的設計。

在許多飛行應用中，更重要的誤差是加速度計和放大器之間使用的長電纜或把數(shù)據(jù)傳送到儀表的長電纜帶來的。大型導彈及航天器運載火箭的飛行測試中，電纜長度達到100英尺很普遍。在現(xiàn)場測試中使用長電纜也會出現(xiàn)同樣的狀況。必須注意避免加速度計及放大器安裝表面上的雜散電場帶來的測量誤差。可以通過對電纜和放大器進行合適地接地和屏蔽技巧來最小化這些誤差。當然也有必要使用和安裝表面電絕緣的加速度計。絕緣安裝螺釘也可以成功的解決這個問題。此外，還有一些加速度計內(nèi)部已經(jīng)和安裝表面電絕緣。為了保持安裝表面和加速度計輸出端子之間的高電阻，非常有必要使要壓電晶體元件和安裝表面之間的耦合電容最小。使用信號輸出端、信號地線與安裝表面之間低電容的加速度計可以使測量誤差最小。

機械阻抗

和十年前相比，現(xiàn)在更多實驗者正在進行機械阻抗測試。盡管可以通過隨機振動或沖擊運動激勵來進行機械阻抗測量，但是使用正弦振動激勵更加簡單。不過進行正弦振動測量機械阻抗時，采取一定的預防措施還是很有必要。

必須注意不要改變被測結(jié)構(gòu)的邊界條件?，F(xiàn)場安裝機械阻抗頭的測試結(jié)構(gòu)的橫切面積及重量必須等于或盡可能大于阻抗頭和振動臺的組合尺寸及重量。當在高頻頻率點進行測量時，阻抗頭和測試結(jié)構(gòu)之間使用的夾具盡可能小。如果測試結(jié)構(gòu)在2000Hz高頻點還表現(xiàn)為一個堅硬的質(zhì)量塊，那么還是避免使用任何夾具。

從機械阻抗頭出來的力及加速度輸出都是經(jīng)過過濾的。為了取得經(jīng)驗同時驗證大小及相位測量的準確性，在進行實際的機械阻抗測試之前，可以先在小的堅固的質(zhì)量塊上進行測試練習，這是一個很好的慣例。另外值得去做的就是通過測試橫梁來驗證儀表的動態(tài)范圍，特別是那些實驗者之前沒有使用測試系統(tǒng)經(jīng)驗的這種情況。

總結(jié)

準確的加速度測量可以通過在實驗室周期性地例行正弦振動及沖擊運動校準來保證。此外，在比較復雜的測試應用中，如果有可能存在不正確或不可靠的電氣連接，那么進行電激勵的現(xiàn)場校準是期望的。

在某些測試應用中，有必要考慮一下不利環(huán)境帶來的影響。溫度瞬變和安裝條件造成的測量誤差可以通過選擇合適的加速度計和配套的電子設備來避免。

加速度值接近或超過50000g的沖擊測試應用對儀表和加速度計要求非常苛刻。為了使這類測試更加容易還需要更多的研究及研發(fā)。對于加速度值低于10000g的沖擊測試，可以通過選擇合適的儀表和加速度計來避免不必要的測量誤差。

盡管隨機振動和沖擊測試的方法可以測量機械阻抗，但是使用正弦振動激勵進行機械阻抗測量更加準確。選擇夾具和振動臺時要注意避免改變測試結(jié)構(gòu)的邊界條件。另外，如果用戶之前沒有使用阻抗頭和配套電子設備的經(jīng)驗，那么測試小的堅固質(zhì)量塊和柔性梁的機械阻抗是一個很好的練習。