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加速度计的工作特性

加速度计的工作特性

  • 分类:专家答疑
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  • 发布时间:2016-10-10 00:00
  • 访问量:22

【概要描述】为了得到高度真实的试验数据,使用者应当全面地了解所用仪器的工作特性,这些特性是怎样互相影响的,整个环境对这些特性是如何影响的,以及加速度计对被测运动是如何影响的。加速度计是关键的测量元件,有多种设计型式供选用。每种设计型式都为某些特定用处设计的,目的是为获得高保真的测量数据。

加速度计的工作特性

【概要描述】为了得到高度真实的试验数据,使用者应当全面地了解所用仪器的工作特性,这些特性是怎样互相影响的,整个环境对这些特性是如何影响的,以及加速度计对被测运动是如何影响的。加速度计是关键的测量元件,有多种设计型式供选用。每种设计型式都为某些特定用处设计的,目的是为获得高保真的测量数据。

  • 分类:专家答疑
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  • 发布时间:2016-10-10 00:00
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为了得到高度真实的试验数据,使用者应当全面地了解所用仪器的工作特性,这些特性是怎样互相影响的,整个环境对这些特性是如何影响的,以及加速度计对被测运动是如何影响的。

加速度计是关键的测量元件,有多种设计型式供选用。每种设计型式都为某些特定用处设计的,目的是为获得高保真的测量数据。

工程师们应认真地分析测量的要求,选用最合适的加速度计,通常要在灵敏度,重量和频响范围三者之间比较,做出最合适的选择。

传感器主要工作特性分为有效响应与乱真响应两类。

●有效响应 effective response

在传感器灵敏轴方向上,由输入的机械振动或冲击所引起的传感器的响应。这种响应是正确使用传感器进行测量,取得可靠数据所期望的。

●乱真响应 spurious response

在使用传感器测量机械振动或冲击时,由同时存在的其他物理因素所引起的传感器的响应。这种响应是干扰正确测量的,是不期望的。(见国家标准 GB/T 13823.1-93)

有效响应主要有:

灵敏度;幅频响应和相频响应;非线性度。

乱真响应主要有:

温度响应;瞬变温度灵敏度;横向灵敏度;旋转运动灵敏度;基座应变灵敏度;磁灵敏度;安装力矩灵敏度; 对特殊环境的响应。(见国家标准 GB/T 13823.1-93)

●灵敏度:(Sensitivity)

指定的输出量与指定的输入量之比。

●参考灵敏度:(Reference Sensitivity)

在给定的参考频率和参考幅值下传感器的灵敏度值。

传感器灵敏度越高,测量系统的信噪比就越大,系统就不易受静电干扰或电磁场的影响。对某种具体的加速度计设计型式来说,灵敏度越高,则传感器越重,共振频率也越低。因此选用多大灵敏度受其重量和频率响应的制约。

一般情况下,传感器的灵敏度包括幅值与相位两个信息,是随频率变化的复数量。

●幅频响应和相频响应

在输入的机械振动量值不变的情况下,传感器输出电量的幅值随振动频率的变化,称为幅频响应。而输出电量的相位随振动频率的变化,称为相频响应。

在工作频段内连续地改变振动频率,且维持输入的机械振动量幅值不变,同时观测传感器的输出,便可测定幅频响应。若同时测量传感器输出电量与输入机械振动量间的相位差,则又可测定相频响应。

一般情况下,只要求知道幅频响应。在接近传感器上、下限频率处使用传感器,或有要求时,则必须知道相频响应。

●非线性度

在给定的频率和幅值范围内,输出量与输入量成正比,称为线性变化。实际传感器的校准结果与线性变化偏离的程度,称为该传感器的非线性度。

在由最小值到最大值的传感器动态范围内,逐渐增大输入的机械振动量,同时测量传感器输出幅值的变化,便可测定传感器的输出值与线性输出值的偏差量。在使用正弦振动发生器进行测定时,可在传感器的工作频率范围内选定几个频率进行,以覆盖传感器整个动态范围。

一般在传感器动态范围的上限附近传感器的输出值与线性值的偏差量最大。所允许的偏差量取决于具体测量的要求。

对压电加速度计,一般用在一定的加速度范围内,其灵敏度增加的百分数来表示非线性度。压阻式,变电容式加速度计在其动态范围内线性度较好,它代表了非线性、滞后和非重复性的综合值。

●质量负载的影响

如果加速度计的动态质量接近被测结构物的动态质量,则会使振动产生明显的衰减。为此在诸如印刷电路板等又薄又轻的片状构件上测振时,为了得到准确的数据必须采用重量轻的加速度计。如果被测物件呈现单自由度的响应,则加速度计将使其共振频率下降。在所有的模态试验中必须使用微型加速度计。

●低频响应

使用压电加速度计时,所用放大器低频截止频率多为2-5Hz,目的是以此来剔除许多压电传感器的热释电输出。像隔离剪切式设计等隔离性好的设计型式可用在较低的频率。压阻式和变电容式加速度计则具有零频响应。

●高频响应

加速度计的高频响应随加速度计的机械性能和安装方法而变。在安装牢固时,大多数加速度计呈现无阻尼单自由度系统的频响特性。以±5%为要求的话,其频率响应约平整到安装共振频率的五分之一。如果加适当的修正因数,则可在更高的频率上得到有用的数据。

●温度响应

传感器灵敏度随温度的变化,称为传感器的温度响应。用测试温度下的灵敏度与室温下的灵敏度之差相对于室温灵敏度的百分数来表示。

常用压电加速度计的温度范围为零度以下至+177°C 或 +260°C。某些特定型号,低温可达绝对零度,高温可达760°C。很多种压电加速度计设计型式在很宽的温度范围内的温度响应很平。压阻式、变电容式加速度计的典型温度范围为-18°C~+93°C。

●压电传感器的瞬变温度灵敏度

具有热释电效应的传感器在瞬变温度作用下将产生电输出,该输出的最大值与传感器灵敏度和温度改变量乘积的比值称为瞬变温度灵敏度。

在温度产生变化时,压电元件会产生输出信号,这称之为热释电效应。试件或气流温度的突变会引起这种温度变化。大多数情况下这种效应是很低频的,只有信号适调仪的响应在1赫以下,才能检测到。如果信号适调仪有级间高通滤波器,则应特别注意,热释电信号可能会使放大器饱和,使它短时间不工作。

基座隔离式,剪切式,隔离剪切式设计的热释电效应较小。压阻式,变电容式的这种效应是可以忽略的。

●横向灵敏度

对于单向测量来说,要求加速度计不得对被测物体的横向运动产生任何响应是十分必要的。但加速度计不可能是完美无缺的,总是有一定的横向灵敏度,它与横向振动的方向有关,其横向灵敏度一般为轴向灵敏度的1~5%。恩德福克对每个加速度计进行横向灵敏度校准并给出其最大值。

●横向灵敏度比

在与传感器灵敏轴垂直的方向上受到激励时传感器的灵敏度,称为横向灵敏度。横向灵敏度与沿灵敏轴方向上的灵敏度之比,称为横向灵敏度比。

●旋转运动灵敏度

某些直线振动传感器对旋转运动是敏感的。在进行试验时必须小心。以免造成测量误差。

●基座应变灵敏度

在传感器基座产生应变时会引起不应有的信号输出,该输出值与传感器灵敏度和应变值乘积的比值,称为基座应变灵敏度。

在某些试验中,加速度计安装处可能会存在动态弯曲、扭转、拉伸等。由于与应变区紧密接触,加速度计底座也会发生应变。部分应变会传给敏感元件,从而产生与振动运动无关的输出信号。

剪切式设计的加速度计要比压缩式的对基座应变的敏感程度小一个数量级。应用绝缘安装螺钉或粘贴式转接件可以减小这种影响。

●磁灵敏度

传感器被置于磁场中会产生的不应有的信号输出,该输出值与传感器灵敏度和磁场的磁感应强度乘积的比值,称为传感器的磁灵敏度。

●安装力矩灵敏度

采用螺纹安装的传感器,安装力矩的变化会引起灵敏度发生变化。施加1/2倍规定安装力矩或施加2倍规定安装力矩时的灵敏度与施加规定安装力矩时的灵敏度之最大差值,相对于施加规定安装力矩时灵敏度的比值的百分数,称为安装力矩灵敏度。

●特殊环境的响应

在强静电场、交变磁场、射频场、声场、电缆影响、核辐射等的特殊环境下,某些传感器会受到严重的影响,这些物理因素将引起传感器产生乱真响应。

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