王玲/陜西省計量科學(xué)研究院

0 引言

阻抗頭是測量機械阻抗的換能原件，是測量點阻抗必不可少的傳感器。它的性能優(yōu)劣對測試結(jié)果有著很大影響。壓電式阻抗頭是一種壓電式力和加速度的復(fù)合傳感器，可以同時測量結(jié)構(gòu)同一點的力值和加速度值。眾所周知，對結(jié)構(gòu)的機械阻抗的測量是對結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析和動特性研究的基礎(chǔ)[1]，對于由阻抗頭獲得的機械阻抗的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度要求高，所以此類傳感器的標(biāo)定就越來越受到重視。利用實驗室現(xiàn)有的中頻振動標(biāo)準(zhǔn)裝置來標(biāo)定此類傳感器動態(tài)指標(biāo)（參考靈敏度、頻率響應(yīng)、幅值線性度），保證了該類傳感器量值傳遞的準(zhǔn)確性。

阻抗頭結(jié)構(gòu)如圖1所示[2][3]，它是一個壓電式力傳感器和一個壓電式加速度傳感器構(gòu)成的組合體，兩者背對背地安裝在同一基座上。標(biāo)定時，阻抗頭安裝在中頻標(biāo)準(zhǔn)振動臺上，由阻抗頭的力輸出端和加速度輸出端分別獲得力和加速度信號。

圖1 阻抗頭的構(gòu)成

1 測試方法

根據(jù)壓電式阻抗頭的原理分析，設(shè)計了阻抗頭的標(biāo)定方法。

1）壓電加速度傳感器靈敏度的標(biāo)定通常是在中頻振動標(biāo)準(zhǔn)裝置上進(jìn)行的。將被檢加速度傳感器固定在標(biāo)準(zhǔn)振動臺上，由振動臺產(chǎn)生一個正弦振動量，當(dāng)傳感器承受機械振動后，將產(chǎn)生一個與振動加速度成正比的電壓輸出，通過數(shù)字電壓表測量其輸出電壓，傳感器的加速度靈敏度S為輸出電壓與振動加速度之比。即

式中：U——傳感器的輸出電壓，mV；

a——振動加速度，m/s2

用中頻振動標(biāo)準(zhǔn)裝置依據(jù)JJG 233-2008《壓電加速度計檢定規(guī)程》[4]來標(biāo)定阻抗頭加速度輸出的動態(tài)指標(biāo)（參考靈敏度、頻率響應(yīng)、幅值線性度）。以丹麥B&K公司型號8001，編號10486的阻抗頭為例，其標(biāo)定原理如圖2所示。

標(biāo)準(zhǔn)振動臺產(chǎn)生振動源，標(biāo)準(zhǔn)傳感器測量振動源加速度。因為被檢傳感器為電荷輸出，所以傳感器輸出端先通過電荷放大器將電荷轉(zhuǎn)換成電壓，并通過PULSE多功能分析儀進(jìn)行相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置，由傳遞函數(shù)直接獲得阻抗頭加速度輸出端動態(tài)靈敏度值[5]。以 160 Hz、20 m/s2時的靈敏度為參考靈敏度，表1和表2分別為其靈敏度頻率響應(yīng)和幅值線性度。

以160 Hz、20 m/s2下的加速度靈敏度作為參考靈敏度，頻率響應(yīng)、幅值線性度均符合JJG 233-2008要求。

2）壓電式力傳感器是利用壓電晶體的縱向壓電效應(yīng)將力轉(zhuǎn)換成電荷信號。根據(jù)力學(xué)基本原理，用中頻比較法振動標(biāo)準(zhǔn)裝置進(jìn)行標(biāo)定。其原理為：中頻振動是振動臺產(chǎn)生一個加速度正弦波形。當(dāng)在波峰時，加速度最大且方向向上；而在波谷時，加速度也同樣最大且方向向下。因此可以用標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量塊加在被檢測的壓電式力傳感器的上方，背靠背的剛性連接，并和標(biāo)準(zhǔn)傳感器一起安裝在振動臺上。振動臺振動時，標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量塊在波峰和波谷分別受到最大的慣性力，對被測傳感器就施加一個拉力和壓力，根據(jù)牛頓第三定律：

圖2 阻抗頭加速度輸出標(biāo)定原理

表1 靈敏度頻率響應(yīng)

表2 靈敏度幅值線性

通過PULSE多功能分析儀進(jìn)行相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置，可以同時采集振動臺上標(biāo)準(zhǔn)加速度傳感器和被檢的力傳感器的輸出信號，選用不同的標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量塊，將有不同的慣性力施加在被校力傳感器上，得到如下公式：

得出：s(m2a2-m1a1)=U2-U1

式中：m1——標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量塊（98.67 g）；

m2——標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量塊（197.38 g）；

s——被測壓電式力傳感器的靈敏度；

a1、a2——振動加速度；

U1、U2——被測壓電式力傳感器對應(yīng)于m1、m2時的電壓輸出

用中頻振動標(biāo)準(zhǔn)裝置，依據(jù)JJG 632-1989《動態(tài)力傳感器》檢定規(guī)程[6]來標(biāo)定阻抗頭力輸出的動態(tài)指標(biāo)（參考靈敏度、頻率響應(yīng)）。以丹麥B&K公司的型號8001、編號10486的阻抗頭為例，其標(biāo)定原理如圖3所示。

PULSE多功能分析儀采集數(shù)據(jù)并代入式（3）得到被校傳感器160 Hz的壓向靈敏度系數(shù)如表3（電荷放大器歸一化擋為10 pC/m·s-2、衰減擋為10 mV·m·s-2）所示。

同樣原理，改變振動臺的頻率，得到如表4所示被校傳感器在各個頻率點的動態(tài)響應(yīng)。

圖3 阻抗頭力輸出校準(zhǔn)原理

表3 阻抗頭160 Hz下力值靈敏度

表4 阻抗頭力輸出的頻率響應(yīng)

壓電式力傳感器的壓向靈敏度，在信號分析儀上讀取時域信號波谷的加速度值和電壓值，運用同樣的方法得到壓電式力傳感器的壓向靈敏度。以160 Hz下的力傳感器靈敏度作為參考靈敏度，頻率響應(yīng)符合JJG 632-1989要求。

2 結(jié)語

本文分析了壓電式阻抗頭的原理，并利用現(xiàn)有的中頻振動標(biāo)準(zhǔn)裝置設(shè)計了此類傳感器的標(biāo)定方法，標(biāo)定了其動態(tài)指標(biāo)（參考靈敏度、頻率響應(yīng)、幅值線性度），保證了該類傳感器的量值傳遞的準(zhǔn)確性。