壓電式傳感器精確測試低頻振動實驗研究

秦夢澤 張勇

1. 中國石油大學（北京）克拉瑪依校區工學院機械系，新疆克拉瑪依 834000；2. 鞍山鋼鐵集團公司，遼寧鞍山 114001

一、前言

壓電式加速度傳感器具有價格低廉、頻帶寬、靈敏度高、信噪比高、工作可靠和重量輕等優點，被廣泛應用于中、高頻的振動測試（一般振動頻率不低于5Hz）[1]。由于結晶器振動的工作頻率一般為2Hz ～3Hz，在這種低頻振動的情況下，不宜采用普通的磁電式速度傳感器來測量其速度和加速度，使用加速度傳感器比較合理。

本文通過改變調節信號發生器，改變功率放大器輸入信號頻率和幅值的方法改變標準振動臺的振動頻率和振幅，利用標準振動臺（廉價的常規標準振動臺一般適用于中、高頻測振傳感器的標定）實現對低頻振動條件下測振傳感器的標定，用壓電式加速度傳感器實現對低頻振動進行測試。對于在工程應用中進行低頻振動測試具有重要意義。

二、壓電式加速度傳感器的低頻振動標定技術

1、常規標準振動臺在低頻振動條件下的測試結果

實驗室現有某公司的ESS-015標準振動臺裝置，其技術指標中工作頻率范圍是5Hz～10000Hz。該振動臺出廠時附帶了一個經過標定的壓電式加速度傳感器（型號CA-YD-117），作為對振動測試系統標定時的比對基準。

利用CA-YD-117加速度傳感器測試振動臺在不同信號輸入情況下的振動情況，用計算機記錄振動波形。在輸入信號頻率為5Hz和2Hz下測振系統輸出的加速度波形分別如圖1所示。

通過以上不同頻率條件下得到的加速度信號波形可以看出，該振動臺在振動頻率為5Hz時，測得的加速度波形已有較小的畸變；當振動頻率為2Hz時，測得的加速度波形有明顯的畸變。進一步的實驗證明：振動頻率越低，測得的加速度波形畸變越嚴重。

鑒于測振傳感器輸出信號產生畸變的原因不能排除基準傳感器自身存在問題，需要另選一個相對客觀、更為準確的傳感器作為基準傳感器。

2、標準振動臺的低頻振動特性測試與分析

為了驗證標準振動臺是否可以作為低頻實驗的振動設備，下面通過ST-2型電渦流傳感器來測量振動臺的振動情況，電渦流傳感器在不同的振動頻率下測得振動臺位移的輸出波形如圖2所示。

從圖2振動臺位移曲線可以看出，在不同的低頻振動條件下，電渦流傳感器測得的振動臺的振動位移曲線比較規則，沒有明顯的畸變情況發生。由于電渦流傳感器是以相對、非接觸方式測量振動臺的低頻振動，并且其低頻特性很好，用其測試得到的振動臺低頻振動的位移曲線是可信的。因此可以判定，在低頻振動（1Hz～5Hz）條件下，振動臺的振動基本是標準簡諧運動。

3、信號調理的效果

為了改善壓電式加速度傳感器5Hz以下低頻振動測試信號畸變情況，在上述實驗裝置中添加了信號調理硬件裝置來對絕對式（接觸式）的壓電式加速度傳感器的輸出信號進行濾波和平滑處理，以減少或消除信號中的干擾成分。本實驗選用了YE3760A型雙通道低通濾波器。通過低通濾波和平滑處理等信號調理后得到波形如圖3所示。

把圖3所示波形與圖2相比較，可以看出，經過硬件信號調理后振動臺在低頻振動條件下，CA-YD-117加速度傳感器輸出波形畸變較小，絕對式（接觸式）傳感器測振所產生的畸變得到了很大程度的改善。在有限點處的輕度畸變仍然存在，但對整個波形的幅度和頻率等特征參數的測量影響較小。

通過查閱低頻振動相關國家標準了解到，在低頻振動條件下，只要不影響整個波形的特征參數的精度，在固定的有限點出現畸變的情況是允許的。當然，在這種情況下，必須使用非接觸式測振傳感器作為基準傳感器[2-3]。

4、低頻振動標定實驗裝置

該振動實驗裝置包括信號發生器、功率放大器、標準振動臺、信號放大器與調理器、模數轉換卡和計算機等，如圖4所示。

其中，標準振動臺（型號ESS-015）的工作頻率范圍是5Hz～ 10000Hz。為了使該標準振動臺能夠用于低頻振動（1Hz～5Hz）測振傳感器的精確標定，采用相對式（非接觸）傳感器（電渦流式傳感器）作為對測振傳感器標定時的比對基準。壓電式加速度傳感器的信號調理器由電荷放大器（型號YE5858B）和低通濾波器（型號YE3760A）組成。標準振動臺上安裝傳感器的情況見圖5。

5、實驗方法

調節信號發生器改變功率放大器輸入信號頻率和幅值，改變標準振動臺的振動頻率和振幅。在標準振動臺上，安裝的電渦流傳感器用于測量標準振動臺的頻率和振幅；安裝了3個被標定的壓電式加速度傳感器，其中1號、2號和3號傳感器的靈敏度分別為5.33pC/ms-2、48.75pC/ms-2、253.2pC/ms-2。在實驗中，標準振動臺實現頻率為1Hz、2Hz、3Hz、4Hz、5Hz的振動，在每個振動頻率下有4種振幅。

標準振動臺實現的振動頻率、振幅及對應的加速度、3個傳感器的輸出信號的情況見表1。

6、實驗結果分析

（1）被標定傳感器的輸出信號情況

實驗中使用的電荷放大器采用“歸一化”的信號放大方式。盡管3個被標定傳感器的靈敏度各不相同，在同一加速度條件下，經過放大的3個傳感器輸出信號幅值基本相同。

（2）被標定傳感器的輸出特性

通過表1不能直接看出3個被標定傳感器在1Hz～5Hz振動條件下信號輸出的特點。由表1可以得到每個被標定傳感器的輸出特性為：

式中，a0—實驗中標準振動臺的加速度，mm/s2；

U —在加速度a0條件下被標定傳感器的輸出信號幅值，mV。

用式（1）對表1中的數據進行處理，可以得到各個被標定傳感器的輸出特性情況，見表2。

表1 標準振動臺的振動參數和被標定傳感器輸出信號

表中，f0—標準振動臺的振動頻率；

A0—標準振動臺的振幅；

a0—標準振動臺的加速度；

U1—1號加速度傳感器的輸出電壓信號；

U2—2號加速度傳感器的輸出電壓信號；

U3—3號加速度傳感器的輸出電壓信號。

表2 被標定傳感器的輸出特性情況

表中，Ca1—1號加速度傳感器的輸出特性；

Ca2—2號加速度傳感器的輸出特性；

Ca3—3號加速度傳感器的輸出特性。

由表2可以看出：

A.當振動頻率為4Hz和5Hz時，每個被標定傳感器在不同的加速度條件下輸出特性都非常穩定；

B.當振動頻率為2Hz和3Hz時，每個被標定傳感器的輸出特性有隨加速度減小而增大的趨勢；

C.當振動頻率為1Hz時，每個被標定傳感器在不同的加速度條件下輸出特性都不穩定。

（3）被標定傳感器的平均輸出特性

如果用每個被標定傳感器在每個頻率下的輸出特性平均值，可以得到3個被標定傳感器的平均輸出特性曲線，如圖6所示。

在圖6中，曲線1～3是1～3號加速度傳感器的平均輸出特性曲線。3條曲線表現出相同的規律性：

A.當振動頻率為4Hz和5Hz時，每個被標定傳感器的平均輸出特性變化較小；

B.當振動頻率為1Hz～3Hz時，每個被標定傳感器的平均輸出特性比振動頻率為4Hz和5Hz時的平均輸出特性增大5.5%～13%。

三、標定實驗結論

1、實驗中被標定的是3個普通壓電式加速度傳感器，其實驗結果具有普遍性。實驗結果表明，普通壓電式加速度傳感器可以用于1Hz～5Hz的低頻振動測試。

2、針對結晶器振動頻率為2Hz～3Hz的工況條件，對壓電式加速度傳感器進行振動頻率為2Hz～3Hz的標定，可以得到較好的振動測試效果。