2 正反向靈敏度的比較
所謂幅值線性度檢查是在規(guī)定的加速度范圍內(nèi)檢查傳感器的靈敏度隨不同加速度的變化情況。幅值線性度可以采用諧振梁法和沖擊法進(jìn)行檢查。沖擊法比諧振梁法可達(dá)到的最大加速度值高得多，現(xiàn)介紹沖擊法試驗(yàn)的情況。
把被檢定的壓電傳感器先后固定在G-1000型沖擊裝置的沖錘臺(tái)面上或下面，當(dāng)檢查正向靈敏度時(shí)，將傳感器正向固定在沖錘之上；當(dāng)檢查負(fù)向靈敏度時(shí)，則將它反向固定在沖錘之下。壓電傳感器的輸出信號(hào)均經(jīng)同一臺(tái)B8K2626型電荷放大器放大歸一化，然后由同一臺(tái)2606型測(cè)量放大器再放大并指出峰值，因而排除了二次測(cè)量?jī)x表的不同而產(chǎn)生的影響。該沖擊裝置在某一高度多次跌落沖錘時(shí)產(chǎn)生的加速度重復(fù)性較好；由于壓電式加速度計(jì)的質(zhì)量差異不大，在安裝一只加速度計(jì)的情況，對(duì)于同一跌落高度，不同傳感器對(duì)沖錘加速度的影響可忽略不計(jì)。通過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，在同一跌落高度，當(dāng)改變被測(cè)傳感器時(shí)，沖擊加速度的增長(zhǎng)（或持續(xù)）時(shí)間也不變。因此只采用改變沖錘跌落高度的方法控制沖擊加速度幅值。
加速度幅值線性度可根據(jù)最小二乘法計(jì)算，其值為：
式中：So為截距；S為在加速度為a時(shí)的靈敏度。
對(duì)于幾種加速度計(jì)的測(cè)試結(jié)果示于表1。可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)不同的壓縮式傳感器，其靈敏度幅值線性度各不相同。當(dāng)輸入加速度值較小時(shí)，加速度計(jì)的幅值線性度、重復(fù)性和穩(wěn)定性都較好；當(dāng)輸入加速度值較高時(shí)（ 大于1 000 m／s2），這些性能變差。對(duì)于同一只傳感器，其正向與反向靈敏度有差異，發(fā)現(xiàn)有兩方面的問(wèn)題 ： （1）當(dāng)輸入加速度幅值不太高時(shí)，傳感器的正向靈敏度可以大于也可能小于其反向靈敏度，隨不同的傳感器而異；（2）當(dāng)輸入加速度幅值較大時(shí)，傳感器的正向與反向靈敏度的差值隨之增加。當(dāng)加速度幅值增加到某個(gè)量值時(shí)，其反向靈敏度出現(xiàn)“飽和現(xiàn)象”，即再繼續(xù)增加輸入加速度幅值時(shí)，傳感器的靈敏度變化不大或無(wú)變化。此時(shí)的輸入加速度幅值稱(chēng)為“飽和加速度（as）”。不同的傳感器as值也不同。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，我國(guó)生產(chǎn)的壓縮式傳感器的as普遍較低，所以其反向加速度的測(cè)量范圍也較小。相反，當(dāng)輸入加速度幅值增大到一定程度時(shí)，傳感器的正向靈敏度不正常，甚至?xí)?dǎo)致傳感器損壞，這時(shí)的輸入加速度幅值稱(chēng)為“失效加速度（a f）”。一般情況下，｜af｜＞｜as｜，從af到-as的區(qū)間稱(chēng)為傳感器的測(cè)量加速度范圍。
表1 幾種加速度計(jì)的測(cè)量結(jié)果
3 壓縮式壓電傳感器的正反向靈敏度的幅值線性度問(wèn)題的分析
壓電傳感器是一種利用壓電效應(yīng)進(jìn)行機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的變換器。因?yàn)樗哂腥舾蓛?yōu)點(diǎn)，所以被廣泛地應(yīng)用于機(jī)械結(jié)構(gòu)的振動(dòng)與沖擊參量的測(cè)量。壓電傳感器基本上有壓縮式、剪切式和彎曲式3種形式。衡量這種傳感器的參數(shù)有數(shù)個(gè)，其中主要是靈敏度。按照一般檢定規(guī)程規(guī)定，要求采用沖擊法和諧振梁法檢查傳感器靈敏度的幅值線性度；但各種標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定不夠確切，只是泛指幅值線性度。實(shí)質(zhì)上是指檢查正向靈敏度的幅值線性度。但是對(duì)于有正負(fù)極性的二次指示儀表，測(cè)量高g（1g＝10 m／s2）值振動(dòng)以及需要反向安裝傳感器的沖擊情況（即測(cè)量負(fù)脈沖沖擊加速度），若僅僅檢查傳感器的正向靈敏度幅值線性度是不夠的，還應(yīng)檢查其“反向靈敏度線性度”，以便使傳感器得出正確的測(cè)試數(shù)據(jù)。在我國(guó)，壓縮式壓電傳感器的使用和生產(chǎn)量較大，為此，談?wù)剦嚎s式壓電傳感器的正反向靈敏度的幅值線性度問(wèn)題。
壓縮式壓電傳感器的靈敏度與其對(duì)輸入加速度的響應(yīng)情況有關(guān)。實(shí)際上，傳感器是多自由度系統(tǒng)，可等效為圖4所示的系統(tǒng)。影響系統(tǒng)響應(yīng)的因素很多，如預(yù)緊彈簧、慣性質(zhì)量、壓電晶體片、墊片、連桿、基座 、鎖緊螺母等的幾何尺寸、結(jié)構(gòu)形式、材料性質(zhì)有關(guān)。對(duì)于給定的傳感器，這些因素就固定了。則某個(gè)傳感器正反向靈敏度的差異及反向靈敏度的“飽和現(xiàn)象”主要與傳感器零件的加工情況、工藝水平及組裝方法有關(guān)。
圖4 壓電傳感器的等效示意圖
m-慣性質(zhì)量；P-壓電晶體片
S-彈簧；W-墊片；B-基座
3.1 正反向靈敏度的差異
這主要由各部件間的接觸剛度的不同和變化引起的。實(shí)際上，壓縮式壓電傳感器的作用原理如圖4所示 。其剛性元件與彈性元件均不處于理想狀態(tài)，它們相互之間存在一種接觸剛度。由于各個(gè)部件加工的光潔度不同，緊固螺紋不同以及壓電晶體片表面金屬膜的厚度、均勻度、光潔度不同，由于裝配過(guò)程安裝部件的相對(duì)位置不同及安裝力矩的差異，所以各部件間的接觸剛度不同。這種接觸剛度直接影響壓電傳感器系統(tǒng)的有效剛度。因而使各個(gè)壓縮式傳感器的靈敏度幅值線性度不一樣。
接觸剛度比預(yù)緊彈簧的剛度大得多，當(dāng)外加加速度很小時(shí)，它的作用不明顯，致使傳感器的正反向靈敏度的幅值線性度基本相同；當(dāng)外加加速度很大時(shí)，接觸剛度開(kāi)始起作用，又因?yàn)榻佑|剛度是非線性變化的物理量，因而使傳感器的線性變差，而且使其正反向靈敏度的幅值線性相差較大?？梢酝浦?，這種接觸剛度也會(huì)影響傳感器的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。