1.引言

由于近几年来机械与结构设计的快速发展,相应产生了越来越多的振动问题,准确测量振动与冲击变得非常重要。振动与冲击测试测量中需要用到大量的振动传感器。振动传感器的结构合适与否、主要参数准确与否,直接关系到测量最终结果的可靠性与准确性。由于振动传感器使用一段时间后灵敏度等主要参数会有所改变,比如压电材料的老化会使灵敏度每年降低2%~5%。因此,需要定期对振动传感器进行校准,这是保证测试结果可信度的最主要手段。

压电式加速度传感器灵敏度高、频率范围与动态范围宽、体积与质量比较小，适合于当前先进的测量与分析设备要求,但目前使用比较广泛的是开环手动加速度传感器校准方法,开环控制无反馈信息、结构简单成本较低,但是系统容易受到外界干扰影响、控制精度比较低、输出出现误差时无法补偿;手动校准需要不断调整信号输出、操作复杂。为了克服开环手动校准方法的缺陷，本文将对压电式加速度传感器闭环自动校准方法展开研究，以期为压电式加速度传感器的校准与标定提供指导,论文将以杭州亿恒科技有限公司的标准振动控制器为核心,采用专业加速度传感器校准软件,连同计算机、标准振动台及功率放大器、标准加速度传感器与高精度调理放大器MI-2004构建完成加速度传感器校准系统,并在该系统进行相关的压电式加速度传感器校准与标定研究。

2.传感器标定规程与标定内容

根据《中华人民共和国国家计量检定规程JJG 233-2008》,对于加速度传感器需要校准的项目有很多,其中最重要的也是使用者最关心的是加速度传感器灵敏度幅值、频率响应特性和灵敏度幅值线性度。

（1）灵敏度幅值

传感器灵敏度是传感器静态特性的一个重要指标。传感器的静态特性是指被测量的值处于稳定状态时的输出输入关系。传感器灵敏度是指传感器的输出增量Δy与引起输出增量的输入增量Δx的比值。

（2）灵敏度频率响应

频率响应特性是传感器的一个主要动态特性。传感器动态特性是指其输出对随时间变化的输入量的响应特性;当被测量随时间变化,是时间的函数时,则传感器的输出量也是时间的函数,其间的关系要用动态特性来表示。传感器对正弦输入信号的响应特性,称为频率响应特性。频率响应特性的标定方法有连续扫描法、逐点比较法、随机FFT比较法。

（3）灵敏度幅值线性度

根据待检定传感器的动态范围,在规定的加速度范围内选择7~14点(包括最大和最小加速度），标定待校准传感器的灵敏度，绘制幅值线性度曲线。

3.传感器标定方法

对于加速度传感器的标定校准方法,常用的有绝对法和比较法[3]。绝对校准法是指用测量物理量的基本单位和导出单位的方法来确定加速度计灵敏度。将被校准传感器固定在校准振动台上,用激光干涉测振仪直接测量振动台的振幅,再和被校准传感器的输出比较,以确定被校准传感器的灵敏度,这就是用激光干涉仪的绝对校准法,其校准误差是0.5%~1%。绝对法也可用于测量传感器的频率响应。这种方法的操作和环境要求较高,对设备要求也较高。比较校准法也称为背靠背比较校准法，将被校准传感器和经过国家计量等部门严格校准过的标准传感器背靠背(或仔细地并排地)安装在校准振动台的台面中心,在参考频率(160 Hz或80 Hz)和参考加速度(100 m/ s2或10m / s2)下进行校准,标准传感器的电输出与所承受的加速度值之比即为参考灵敏度。由于被校准传感器与标准传感器是背靠背安装,受到相同的正弦激励幅度,其电输出之比即为其灵敏度之比。

3.1背靠背直接比较法

将被校准传感器和标准传感器背靠背刚性连接在一起,安装到标准振动台台面的中心位置(标准传感器在下,被校准传感器在上),通过比较计算得出被校准传感器的灵敏度、幅值线性度与频率曲线等参数。

由上图可以看出，被校准传感器灵敏度与标准传感器系统(包括标准电荷放大器和传感器)、振动台及测量仪器都有关系。这些因素在其校准不确定度评定中贡献了较大的分量。因此，要降低传感器的校准不确定度，需设法降低或消除这些因素的影响。

4.系统功能

(1)可对各类电荷式、IEPE (ICP)式、压电式加速度传感器或磁电式速度传感器进行标定校准。

(2)可快速精确完成传感器灵敏度、频率响应和幅值线性度检定。

(3)可满足国家标准GB/T 20485.21-2007 (ISO 16063-21:2003)的要求,采用背靠背比较法对传感器进行标定校准;可采用替代法校准,存储或导入参考传感器对工作传感器的灵敏度、幅值线性度和频率响应的测试数据。

(4)可采用扫频正弦法、步进正弦法和 FFT 法进行频率响应检定。

(5)可定义扫频正弦谱和扫频速率;可定义步进正弦频率点和量级;可定义FFT幅值、采样频率、点数、频率范围。

(6)可自动生成报表，内容包括灵敏度值、频率响应曲线、幅值线性度曲线。

5.系统特点

(1)高精度:控制系统具有高精度和高动态范围,该检定系统的不确定度只取决于功率放大器和激振器或振动台的不确定度。

(2)自动:友好的图形界面,具有实时显示功能,用户可以自主设置所有的测试过程,并通过计算机控制可以自动完成测试、实时监测、自我诊断和智能进程。    

(3)控制和校准相结合：不仅可以完成激振器的振动控制，还可以计算绘图得出传感器的检定结果。

(4)优越的标记功能：可添加单光标，双光标，可以读取光标所在位置的 X1，Y1，X2, Y2值,可添加谐波光标,并具有波峰波谷自动捕捉功能。

(5)自动生成报告：测试完成后，该系统可以生成详细的 WORD试验报告，包括幅值线性度和频率响应特性曲线。

6.总结

传感器标定校准系统快速精确地计算出被检定传感器的灵敏度、幅值线性,绘制频响特性曲线,并自动生成标定报告,大大提高了传感器标定校准工作的效率。该系统已大量应用于计量研究所、振动科研实验室、传感器生产商等等。