专利名称：自校式压电加速度计及其自校方法
技术领域：
本发明涉及一种自校式压电加速度计及其灵敏度和频响特性的自校方法，可应用于航空、航海、抢炮、机械、车辆、电子、建筑、化工等方面的振动测量。
目前，人们用于测量振动的主要传感器是压电加速度计。由于压电陶瓷元件的老化等原因，压电加速度计的灵敏度的长期稳定性较差，需要经常进行校准。
压电加速度计的灵敏度的绝对校准可用互易法进行，但用普通的两个压电加速度计进行互易校准时接收加速度计的输出信号随着振动频率的降低而降低，一般校准的下限频率只能进行到300-500HZ，而相应的输出信号只有10-20μv，信号淹没在各种噪声中，故测量时必须使用频率分析仪，对于一些安装后不能拆下而又要知道其灵敏度变化情况的装置，一般采用压电陶瓷元件的压电加速度计就不能满足要求。鉴于上述原因，本发明的目的是克服目前普遍使用的压电加速度计及其校准工作中存在的缺点，设计一种不需拆卸，校准方便，校准精度较高的压电加速度计及其校准方法。
首先，本发明提供了一种自校式压电加速度计，它的特点是两个压缩式压电加速度计安装于一个壳体内，中间由质量体隔开，质量体与壳体电短路，每个压电式加速度计由两片压电陶瓷片并联安装，两电压电陶瓷片之间有一引出极板，两个压电式加速度计分别在对应的输出端相连，两输出端彼此独立。
在一般振动测量时，上，下两个加速度计均可单独使用，与一般的加速度计没有什么两样，在进行自校准时，一个压电式加速度计作为发射传感器，另一个则作为接收传感器。
本自校式压电加速度计具有灵敏度自监视功能，同时，只要进行一些简单测试，还可知道它本身的内部频响即作安装状态时的频响情况。
其次，本发明还提供了一种用于自校式压电加速度计灵敏度的自校方法，其特点是先对该自校式压电加速度用振动标准装置进行校准，得出上、下加速则计当时各自的灵敏度值，然后再测出下加速度计的激励电流和上加速计的输出电压，取这些数据作为灵敏度自监视的参照值。此后的灵敏度自监视测量只需测量出上、下加速度计当时的灵敏度比值(即输出电压比)以及下加速度计当时的激励电流和上加速则计的输出电压等参数，代入公式
式中SA下-自校式压电加速度计的下加速度计用振动标准装置校准的灵敏度值。
Ec1;E1-分别为自校式压电加速度用振动标准装置校准时，上、下加速度计在某一加速度值时的输出电压。
Ec1′;E1′-分别为自校式压电加速度计在灵敏度自监视时，上、下加速度计在同一振源上所得到的各自输出电压。
e-在用振动标准装置校准的当天，下加速度计的发射电流I流过已知电阻R所产生的电压值。
e′-在灵敏度自监视时，下加速度计的发射电流I流过已知电阻R所产生的电压值。
Ec2-在用振动标准装置校准的当天，上加速度计接收下加速度计振动的输出电压。
Ec2′-在灵敏度自监视时，上加速度计接收下加速度计振动的输出电压。
即可得到当时的灵敏度值SAT′。
本发明同时提供了一种用于自校式压电加速度计内部频率响应(即非安装状态的频率响应)的测量方法。此方法是在不同频率点测出上、下加速度计的灵敏度比值(即输出电压比)以及下加速度计当时的激励电流和上加速度计的输出电压，代入公式
H＝(K/C)＝常数其中S-自校式压电加速度计内部位移灵敏度。
Ec2″-上加速度计接收下加速度计振动时的输出电压。
Ec1″;E1″-分别为上、下加速度计接收同一振动时的各自输出电压。
E2-下加速度计的激励电压。
K-弹性系数。
C-发射加速度计的电容量。
即可得到该自校式压电加速度计内部频率响应，以下是自校式压电加速度计的实施例。
图1 自校式压电加速度计装配结构图。
图2 自校式压电加速度计俯视图基座(不锈钢)20上并联安装了两片压电陶瓷片(锆钛酸铅)1，在二片压电陶瓷片1之间有一引出极板(紫铜)2，在1的上面压有一黄铜质量体8，在质量体8的上面再安装两片并联的锆钛酸铅压电陶瓷片11，11的中间也有一紫铜引出极板12，螺杆(45钢)10穿过1，2，3，11，12，13，并由螺母14压紧。引出极板2，12分别与引出导引5，18相联接，外壳7用不锈钢制做，与基座20螺纹联接，黄铜引线管3，19压在绝缘管(聚四氟乙烯)6，17内，6，17又分别压入电缆联接螺管(黄铜)4，16中，4，16与外壳7螺纹联接，螺杆10上卷绕了一层聚四氟乙烯绝缘膜9，最后将不锈钢上盖15用环氧树脂粘在外壳7上，所有另件均经车削加工而成，要求质量体8与外壳7必须电短路，13为铜垫片。
自校式压电加速度计灵敏度和内部频率响应自校准具体步骤如下(一)将自校式压电加速度计用振动标准进行校准，并得到自校式压电加速度计的上、下加速度计的加速度灵敏度值SA上，SA下，并有(SA下)/(SA上) ＝ (E1)/(Ec1) =aEc1;E1-分别为上、下加速度计在同一振动下的输出电压值。
在同一天里，还要进行另一组测量。
如图3所示，用FG1617振荡器21激励自校式压电加速度计22的下加速度计，激励电流I在已知电阻R上的电压降为e，22的上加速度计此时有一输出电压Ec2，e和Ec2用2607放大器23和1030交流数字表24进行测量，并可得到(EC2)/(e) =b(二)此后，自校式压电加速度计的灵敏度自校准实验为(1)如图4(a)所示将自校式压电加速度计26安装于振动台25上，26的上、下加速度计分别输出电压Ec1′和E1′，Ec1′和E1′是通过电荷放大器27，2607型放大器28和1030型交流数字电压表29进行测量。并可得到E1′/Ec1′＝a′(2)如图4(b)所示，用FG1617振荡器30激励自校压电加速度计31的下加速度计，激励电流I′在已知电阻R上的电压降为e′，31的上加速度计此时有一输出电压Ec2′，e′和Ec2′用2607放大器32和1030交流数字电压表33进行测量，并可得到Ec2′/e′＝b′自校式压电加速度计在灵敏度自校准时的加速灵敏度的数值为SA下′＝SA下〔 (a′b′)/(ab) 〕1/2(三)自校式压电加速度计内部(即非安装状态)频率响应自校实验为(1)如图5(a)所示，将自校式压电加速度计35安装于振动台34上，在不同频率点，用电荷放大器36，2607测量放大器37，1030交流数字电压表38测量出35上，下加速度计的输出电压E和E(2)如图5(b)所示，FG1617振荡器39用电压E激励自校式压电加速度计40的下加速度计，此时40的上加速度计接收振动，有一输出电压E，E和E都用电荷放大器41，2607测量放大器42和1030交流电字电压表43进行测量。
(3)用下公式
H＝(K/C)＝常数K-弹性系数 C-发射加速度计的电容量S-自校式压电加速度计内部位移灵敏度。
即可得到自校式压电加速度计的内部频率响应(非安装状态下的频率响应)。
本发明推出的自校式压电加速度计的优点是既可作为标准传感器使用，又可与普通压电加速度计一样使用，特别是对安装后投入连续使用，不能拆下而又要了解其灵敏度变化情况的使用现场更为适用。
本自校式压电加速度计及其灵敏度，频响校准方法的推出，因其具有自校功能，可在振动监测方面充分发挥作用，因此，它将是国内外生产振动测量仪器厂家和应用部门感兴趣的新型压电式加速度计。
图3.
21.FG1617振荡器. 22.自校式压电加速度计.
23.2607测量放大器. 24.1030交流数字电压表.
图4.
25.振动台. 26.自校式压电加速度计. 27.电荷放大器28.2607测量放大器. 29.1030交流数字电压表.
30.FG1617振荡器. 31.自校式压电加速度计.
32.2607测量放大器. 33.1030交流数字电压表.
图5.
34.振动台. 35.自校式压电加速度计. 36.电荷放大器.
37.2607测量放大器. 38.1030交流数字电压表.
39.FG1617振荡器. 40.自校式压电加速度计.
41.电荷放大器. 42.2607测量放器.
43.1030交流数字电压表.
权利要求
1.一种自校式压电加速度计，其特征是两个压电加速度计安装在同一个壳体内，二者之间由金属质量体隔开，并经螺杆，螺母固定在基座上，每个压电加速度计由两片压电晶体片并联安装，两片压电晶体片之间有一引出极板，分别与对应的输出端相连，两输出端彼此独立(绝缘)，质量体与外壳电短路。
2.一种用于自校式压电加速度计的灵敏度自校准方法，其特点是先对该自校式压电加速度计用振动标准装置进行校准，得出上、下加速度计当时各自的灵敏度值，然后再测出下加速度计的激励电流和上加速度计的输出电压，取这些数据作为灵敏度自监视的参照值，此后的灵敏度自监视测量只需要测量出上、下加速度计当时的输出电压比值，以及下加速度计当时的激励电流上加速度计的输出电压等参数，代入公式
a＝E1/Ec1;b＝Ec2/e;a′＝E1′/Ec1′;b′＝Ec3′/e′式中SA下-自校式压电加速度计的下加速度计用振动标准装置校准的灵敏度值。Ec1;E1-分别为自校式压电加速度计的上、下加速度计在某一加速度值时的输出电压。Ec1′;E1′-分别为自校式压电加速度计在灵敏度自监视时，上、下加速度计在同一振源上所得到的各自输出电压。e-在用振动标准装置校准的当天，下加速度计的发射电流流过已知电阻R所产生的电压值。e′-在灵敏度自监视时，下加速度计的发射电流I流过已知电阻R所产生的电压值。Ec2-在用振动标准装置校准的当天，上加速度计接收下加速度计振动的输出电压。Ec2′-在灵敏度自监视时，上加速度接收下加速度计振动的输出电压。即可得到当时的下加速度计灵敏度值S。
3.一种用于自校式压电加速度计内部频率响应(即非安装状态的频率响应)的测量方法，其特征是在不同频率点测出上、下加速度计在同一振动下的各自的输出电压值，以及下加速度计当时的激励电压与上加速度计的输出电压，代入公式
H＝(K/C)＝常数式中S-自校式压电加速度计内部位移灵敏度。Ec2″-上加速度计接收下加速度计振动时的输出电压。Ec1″;E1″-分别为上、下加速度计接收同一振动时各自的输出电压。E2-下加速度计的激励电压。K-弹性系数。C-发射加速度计的电容量。即可得到该自校式压电加速度计的内部频率响应。
全文摘要
本发明涉及一种自校式压电加速度计及其灵敏度和内部频响自校方法，该自校式压电加速度计是两个压电加速度计安装于一个壳体内，彼此独立，通过计算可得到测量时刻的加速度灵敏度和频率响应，将其安装于连续运转不能拆下的设备上监视其灵敏度变化情况特别适用，是一种新型的压电传感器。
文档编号G01P15/09GK1052377SQ8910414
公开日1991年6月19日 申请日期1989年12月9日 优先权日1989年12月9日
发明者孙玉声, 任樱 申请人:中国测试技术研究院