加速度传感器常用标定方法及设备（振动台）

一、加速度传感器常用标定方法

1.重力场法

对具有零频响应的加速度计，可用地球静态重力场法进行标定，校准装置如下图所示。地球重力场法也是一种绝对校准法，具有较高的精度。

静态地球重力场校准法

被校传感器安装到台面上，台面可绕中心轴旋转，传感器灵敏轴也随之旋转。当传感器转至任一角度时：

此方法使用中须注意：

①该方法原则上属于静态绝对校准，仅适用于具有零频响应的加速度计（如伺服式、压阻式、应变式和张丝式）的校准。

②装置必须具有良好的隔振基础，旋转轴应严格保持水平位置，否则精度将受到影响。

2.转台式重力场标定法

零频法校准属静态校准。将零频校准装置适当改进，即让台面以一定频率匀速旋转，则构成低频重力场标定台。当台面旋转时，加速度传感器敏感元件受 -1〜+ 1g的交变加速度，记录下不同频率下加速度传感器的输出值，即可求出它们的动态灵敏度。

此方法仅适用于低频。

3.比较法

比较法是传感器校准最常用的方法。它具有原理简单、操作方便、对设备要求不高等一系列优点，所以应用十分广泛。

1)比较法工作原理

两只加速度传感器背靠背地安装在一起（或安装在一刚性支架上），其中一只为参考标准加速度传感器，它的灵敏度和全部技术性能是已知的；另一只为被校传感器，用同样的加速度激励它们，则它们的输出分别是：

以上原理同样适用于校准速度传感器和位移传感器。

2)标准加速度传感器

在比较校准中，标准传感器是最关键的环节。它的质量好坏对校准结果有十分重要的影响。因此，需对标准传感器提出一定的要求或规定。我国已发布了标准压电加速度计检定规程。从其在比较法中起着传递量值的振动基准的作用来看，它应满足如下要求：

①灵敏度高，用激光法或互易法校准，校准精度优于0.5%。

②灵敏度应具有长期稳定性，即在检定周期内应无明显变化，要髙于校准精度1倍。

③横向灵敏度比不大于3%。

④线性度要高。

⑤非振动环境灵敏度要低，如温度响应、磁灵敏度、基座应变灵敏度、瞬变温度灵敏度应尽量低。

 标准加速度传感器全部是压电式的，如美国2270型、丹麦8305型、国产SHQ-16型和YD44型等。

下图示出了两种标准加速度传感器的外形图，美国2270型标准加速度计的换能元件系采用高稳定度的硬性压电陶瓷材料；丹麦BK公司8305型标准加速度传感器及其他型号的标准电压加速度传感器都采用石英晶体为换能元件。标准加速度传感器用激光干涉法进行绝对校准时，测量镜必须粘贴在传感器顶部的安装面上，否则会引入误差。

当用标准加速度传感器进行比较法校准时，需注意被校传感器自重对校准结果的影响。负载对灵敏度的影响如下图所示。

负载对传感器灵敏度的影响

当负载较小时，即m2=0时，得

做比较校准时，标准传感器上附有质量m2，故有

由上式可见，由于增加了m2，使标准传感器固有频率下降。下图为不同载荷下某标准压电加速度传感器的频响曲线。

由上图可见，质量负载将影响标准传感器的高频响应。

3）比较法校准方法

比较法原理简单，但试验方法很多。现介绍几种典型方法。

•电压比测量法

电压比测量法校准系统框图如下图所示。这是一种简单而常用的方法。下图中，两只被激励的传感器背靠背安装在一起，其中下面的为参考标准加速度传感器，上面是被测传感器。用振动台激励传感器，信号经电荷放大器进入阻抗变换，适调放大后接入转换开关，之后分别通入一只电压表。

具体标定方法是，首先将转换开关置于K1，电荷放大器灵敏度适调开关置于标准传感器灵敏度位置，增益为1V/g档。在一定频率下（通常为160Hz）激励振动台，观察电压表输出，并调整信号源激励信号幅度，使电压表指示为一整数值（如峰值1V）。此时，电压表指示的值即为台面振动加速度。

将开关k1置于K2，此时，被校传感器与电压表接通，通过调整电荷放大器增益与适调电位器旋钮，使电压表指示与标准传感器相一致（注意增益档位置）。此时，如电压表输出为1V（峰值），电荷放大器增益为1V/g档，电荷放大器灵敏度适调旋钮指示为13.2pC，那么，该被标定传感器的灵敏度即是13.2pC/g。

同理，用此方法也可标定其他类型传感器。标定中，标准通道的作用是控制振动台的激励加速度，使之为定值。这样，只要测出被测通道的输出，则求出了被校传感器的灵敏度。工程上，常将传感器连同信号适调器一起标定。

这种方法的优点是操作简单、工作效率高，只要调好分压比，立刻可知被校传感器灵敏度，还消除了仪表档差、表头非线性及读数误差，具有较高精度。

•检流计法

检流计法原理与电位计法基本相同，所不同的是两传感器的输出经变换放大后，经检波器整流变成直流进行比较。目前，已有厂家生产用于比较法校准的专用仪器DAD-1多功能交直流变换器和双通道数字式对数电压表。其比较法校准试验如下图所示。

该装置是我国压电加速度传感器频响校验标准装置，自然也可用于传感器灵敏度的标定试验。

•自动比较校准系统

目前，微型计算机技术的普及使传感器校准向自动化、智能化的方向发展。下图所示为一种压电加速度传感器自动化校准系统。

在该系统中，标准加速度计与被校加速度传感器“背靠背”地安装在振动台上。受激励后，标准传感器的输出分为两路：一路用于反馈回振动台控制系统，控制振动台台面加速度使之保持恒定；另一路与被校准传感器的信号一道被送入计算机。

振动台的频率信号也同时输入计算机。经数据处理后，计算机通过打印机接口电路，驱动打印机自动打印出被校传感器的灵敏度、频率响应、谐振频率等。

二、加速度传感器动态标定设备——振动台

一般来说，常用的传感器动态标定设备主要有:振动台、激波管、周期函数压力发生器、非周期函数压力发生器等。此处主要提到的是振动台。

振动台是标定振动、冲击测量用各种类型加速度传感器、速度传感器、位移传感器、力传感器和压力传感器的重要设备。

我国已先后建立了髙频、中频和低频振动国家级基准装置。其中，高频装置为压电式振动台，中频、低频装置均为磁电式（也称电磁式）振动台。

电磁振动台

电磁振动台是传感器校准中最常用的激振器，约占所用激振器总数的80%以上。

电磁振动台是利用通电线圈在磁场中产生推力的原理制成的。下图为电磁振动台结构原理图。

电磁振动台原理

电磁振动台的磁场可由永久磁铁或直流励磁线圈通以直流电产生。当动圈通以交变电流时，则台头（台面）在动圈的推动下振动。其激振力F（N）可用下式求得

上式为粗略估算公式，因振动台的激振力与频率有关。低频、中频和高频频段是由不同的振动台来作为振动基准的。

•中频振动基准装置和中频振动台

中频（5 Hz〜5 kHz）振动基准装置是由标准信号发生器、功率放大器、振动台和测量设备组成的。基准装置振动台是电磁式振动台，振动台用永磁材料构成恒定磁场。移动部件（动圈骨架）材料的选择是振动台设计的关键。我国中频振动基准装置的动圈骨架是用氮化硅陶瓷材料制成的。

中频振动台动圈骨架选择材料的依据是密度小、弹性模量高和无磁性。通常采用的动圈骨架多用铍合金、铝合金等制成。下图为中频中振动基准装置系统。

中频振动基准装置系统

在实验室中，最常用的标定设备是中频振动台。下图为中频振动台外形图，下表为部分中频校准振动台性能实测表。

中频振动台

表 部分中频校准振动台性能实测表

•低频振动基准装置和低频电磁振动台

我国低频振动标准装置的研制工作开始于20世纪70年代中期，1979年10月在中国计量科学院四川大邑分院通过国家鉴定，主要性能及技术指标达到国际先进水平。国防科工委低频振动标准装置的研制工作也取得成果，除性能指标有所提高外，还增加了专用计算机数据处理系统。

上述标准装置分水平（卧式）振动台和垂直振动台，全部是电磁式振动台。其系统框图如下图所示。

低频振动标准装置

该装置由6部分组成：

①低频激振部分。包括超低频精密信号发生器、功率放大器、中心定位仪及水平和垂直两套标准振动台等。

②振幅测量部分。由激光电源、稳频器、激光干涉仪、双线示波器及干涉条纹计数器等组成。用频比计数法测振幅。

③传感器电输出测量部分。

④时间测量部分。利用通用计数器测量振动周期或频率。

⑤数据处理部分。由专用计算机和打印机组成，可自动采样，自动显示，并打印校准结果。

⑥台面漂移抑制部分。由中心定位仪稳定台面在中心位置上。

国内外低频振动标准装置技术性能如下表所列。由下表中的数据可见，我国低频振动标准装置居世界先进水平。

表 国内外低频振动标准装置比较

除低频标准装置外，常用的传感器低频校准设备还有重力场加速度标定台和低频摆式振动台等。下图为低频摆式振动台。

图 低频摆式振动台

低频摆式振动台由低频信号发生器、功放、电磁激振器和复摆组成。其工作频率为0.5〜100 Hz。在低频振动台中，多采用空气轴承、磁悬浮、静压导轨等精密机械中的先进技术。

•高频振动台

高频振动台为压电式振动台，其结构如下图所示。

高频振动台

髙频压电式振动台利用了压电晶体的电致伸缩效应。当交流激励信号经功放放大后加在压电陶瓷两极上时，晶片将在激励信号的作用下振动，振动频率与激励信号相同。台面用高弹性模量、低比重的铍合金制作，基座采用髙弹性模量、高比重的金属钨制作。其最高频率可达100 kHz。

•电磁振动台的技术条件

校准用电磁振动台应采取必要的隔振措施，小型台可以垫上隔振胶垫放在试验桌上使用，大、中型振动台则要采用专门的隔振基础。

振动台的漏磁不得大于30 G。

振动台工作时的噪声主要由台面声辐射、励磁噪声、控制仪表及冷却设备噪声造成。台面声辐射与台面尺寸和运动参数有关。通常，振动台及附属设备处于工作准备状态（电源开启），对台面不加激励信号时的噪声不大于56 dB。在正常工作状态下，振动台的频率指示误差不大于±1%，在20 min内频率变化不大于0.5%。加速度变化率20 min内不大于1%。台面横向振动不大于10%。

低频回转台

该装置结构原理如下图所示。它利用当地重力加速度作为标准加速度值，以电机带动转台回转，对传感器进行低频校准。

低频回转重力场标定台

被校加速度计安装在回转台上。转动台子，则传感器将产生输出，顶端朝上时为+1 g，朝下时为－1 g，由此可求出传感器的灵敏度。改变回转频率，可以测试传感器的低频频响。

其他振动台

除电磁振动台外，在传感器标定中还常用各类例行试验振动台作为激振设备。

•机械振动台

机械振动台种类很多，其中最常用的是偏心惯性质量式。电机带动一偏心惯性质量旋转，产生振动。改变电机转速，或通过变速机构改变偏心惯性质量的转速，即可改变振动频率。调整惯性质量的偏心距，可改变振动加速度。此外，还有曲柄-连杆机构直接驱动式等多种机械振动台。

机械振动台结构简单，但是工作中噪声较大，除基频外，往往叠加有因机械部分撞击，以及摩擦产生的高频噪声信号。

液压振动台

液压振动台是用高压液体通过电液伺服阀驱动作功筒进而推动台面产生振动的激振设备。液压振动台具有低频响应好、推力大的特点，往往用来作为大吨位激振设备，如50t激振器、汽车道路模拟机等。用液压振动台，也可以进行传感器的标定。

参考资料：

1、北航出版社出版 张洪润 主编《传感器技术大全》（上册）2007

2、公众号：传感器专家网 相关内容。