摘要：在眾多工程領(lǐng)域中，機(jī)械振動(dòng)和結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)問題日益突出，隨著測試技術(shù)的數(shù)字化、智能化和計(jì)算機(jī)化，它們發(fā)揮著愈來愈重要的作用。而振 動(dòng)傳感器的選擇，是振動(dòng)測試中首先要考慮的問題。本文以壓電傳感器為例，詳細(xì)介紹了在特定情況下該如何正確選擇并安裝恰當(dāng)?shù)膫鞲衅黝愋汀?
關(guān)鍵詞：振動(dòng)傳感器;選擇；安裝
在航空、航天、車輛、機(jī)械、土木、化工等工程領(lǐng)域，機(jī) 械振動(dòng)和結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)問題日益突出。振動(dòng)測試和動(dòng)態(tài)分 析已成為機(jī)械、結(jié)構(gòu)產(chǎn)品研究、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和使用、維護(hù)中 不可或缺的重要手段。隨著測試技術(shù)向數(shù)字化、智能化 和計(jì)算機(jī)化方向的發(fā)展它們發(fā)揮著愈來愈重要的作用。 而振動(dòng)傳感器的選擇，是振動(dòng)測試中首先要考慮的問題。 一般可選擇加速度、速度和位移傳感器的任何一種來測 量振動(dòng)。在給定頻率下，加速度、速度與位移之間的幅值 相差一個(gè)圓頻率因子，相位差90b。在測量系統(tǒng)中，可通 過積分電路由加速度得到速度，由速度得到位移。但是 由于三類傳感器原理構(gòu)造的不同，使用范圍的差異，在特 定情況需選擇恰當(dāng)?shù)膫鞲衅黝愋汀?br>
以壓電傳感器為例，在選擇加速度傳感器時(shí)，應(yīng)主要考慮以下特性：
(1)靈敏度。靈敏度是加速度傳感器最重要的特性 之一。理論上加速度傳感器的靈敏度越高越好。但靈敏 度越高，壓電元件疊層越厚，導(dǎo)致傳感器自身諧振頻率下 降，影響測量頻率范圍。而且靈敏度高的壓電加速度傳感器自身質(zhì)量大，不利于輕小試件的測量。因現(xiàn)代測量 系統(tǒng)能接受很低振級的信號，因而靈敏度也不再是決定 一切的因素。壓電加速度傳感器的靈敏度有電荷與電壓 兩種。對于ICP傳感器主要是電壓靈敏度。
(2)安裝諧振頻率。即壓電加速度傳感器安裝在其 質(zhì)量相對很大的剛性基礎(chǔ)上時(shí)的固有頻率
式中：k為壓電元件的等效剛度，為傳感器質(zhì)量塊的 質(zhì)量。該參數(shù)決定了加速度傳感器的測量頻率范圍。通常取測量頻率范圍為安裝諧振頻率的1/3，這時(shí)測得的振 動(dòng)誤差不大于1dB(約10%)。為了進(jìn)一步提高測量精度，可選擇測量上限頻率小于諧振頻率的1/5~1/10。
(3)傳感器質(zhì)量。當(dāng)需要在測量對象上布置大量傳感器或測量輕小試件的振動(dòng)時(shí)，加速度傳感器的質(zhì)量大 小就顯得十分重要了。因?yàn)樵谶@種情況下必須考慮傳感 器的附加質(zhì)量對被測結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性的影響。其影響可由下式近似估算
式中：為帶傳感器的結(jié)構(gòu)固有頻率，ma和ms分別 為傳感器附加質(zhì)量和結(jié)構(gòu)在該階固有頻率下的等效質(zhì)量。一般來說傳感器質(zhì)量應(yīng)小于有效質(zhì)量的A。
(4)動(dòng)態(tài)范圍。在被測加速度很小或很大時(shí)，必須考 慮加速度傳感器的動(dòng)態(tài)范圍。從理論上講，壓電加速度傳感器的輸出線性范圍的下限可以到零，但實(shí)際上動(dòng)態(tài)范 圍的下限取決于連接電纜和測量電路的電噪聲。因此測量 小加速度時(shí)不宜選用動(dòng)態(tài)范圍太大的傳感器。加速度傳感器動(dòng)態(tài)范圍的上限由其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度決定。在測量很大加速度 時(shí)(包括沖擊)，必須選擇有足夠動(dòng)態(tài)范圍的傳感器。
除以上主要特性參數(shù)外，在選擇加速度傳感器時(shí)還 需要考慮使用環(huán)境。其中最重要的是溫度環(huán)境。一般通 用壓電加速度傳感器的使用溫度上限在200 e左右。溫度再高，由于壓電陶瓷的極性減弱，會導(dǎo)致靈敏度永久性 下降。此外在選擇加速度傳感器時(shí)，有時(shí)還需考慮基座 應(yīng)變、磁場、噪聲等環(huán)境因素的影響。
為了得到精確可靠的振動(dòng)測量結(jié)果，必須保證傳感 器的正確安裝。以壓電式加速度傳感器為例，安裝時(shí)必 須使其靈敏度主軸與測量方向一致。此外應(yīng)使傳感器與 被測量體之間有剛性傳遞，以保證傳感器正確感受被測量體的振動(dòng)。
幾種常用的壓電式加速度傳感器的安裝連接方法及對應(yīng)的頻率特性如下：
(1)鋼螺栓連接。這是一種理想的安裝方法，能充分保證傳感器的使用頻率范圍和溫度范圍。通常在螺栓擰 緊前，在安裝面上涂一薄層潤滑脂，以增加安裝剛度。
(2)膠合螺栓。適用于不希望在被測量體上鉆螺孔
(3)石蠟粘接。優(yōu)點(diǎn)是簡單易行，也能保證較高的
(4)雙面膠帶。適用于較低頻率、傳感器質(zhì)量較小
(5)永久磁鐵。適用于被測量體是鐵磁材料且有平坦表面。其優(yōu)點(diǎn)是使用、移動(dòng)方便，缺點(diǎn)是增加了傳感器重量，不適用于高頻(大于2kHz時(shí))情況。
另外安裝傳感器時(shí)應(yīng)用絕緣螺栓和墊圈將傳感器與 被測量體隔離。（作者：涂驥）
