压电式加速度振动测试系统
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质 量块 压电 元件 输出 引线
支座
压电加速度传感器原理图
系统性能指标：
判断压电式加速度振动测试系统的性能指标 主要有：灵敏度、固有振动频率、频率响应 范围、动态响应范围和结构稳定性等 下面主要介绍灵敏度和固有振动频率
压电加速度传感器的灵敏度
灵敏度是指其输出电量与所承受的振动（或冲击）加速 度的比值。它是表征加速度传感器性能的最基本的参数。 公式推导： 设晶片为压电陶瓷,极化方向在厚度方向(z方向)， 作用力沿着z方向可推导出压电陶瓷片产生的电荷为： Q=d33Ma M为质量块质量,m为晶片质量,a为物体振动加速度，l为晶片 厚度,A为晶片电极面面积
图2 电荷放大器等效电路
三、动态数据采集测试仪：动态数据采集测试仪是振 动测试系统最重要的一环。其实质是一种带通讯接 口和程序控制的多功能智能仪器，具有内置调理作 用，可直接对加速度信号进行测量。
压电加速度传感器
压电加速度传感器的工作原理 由质量块、压电元件和支座组成。支座与待测物刚性地 固定在一起。当待测物运动时,支座与待测物以同一加速度运 动,压电元件受到质量块与加速度相反方向的惯性力的作用,在 晶体的两个表面上产生交变电荷(电压)。 当振动频率远低于传感器的固有共振频率时,传感器的输 出电荷(电压)与惯性力成正比。电信号经前置放大器放大,即 可由一般测量仪器测试出电荷(电压)大小,从而得知物体的加 速度。
固有共振频率 由灵敏度的公式：在低频时灵敏度是一常数,它和压电常数 成正比,和质量块的质量成正比。在较高的频率下该公式不适 用,特别是到传感器的固有共振频率附近,灵敏度急剧增大,该公 式一般在传感器固有共振频率的1/2~1/5以下使用。 可以近似地把质量块看成一个纯质量(忽略其弹性),晶片看 成一纯弹性元件(忽略其质量)来计算传感器的固有频率。如将 晶片看成一弹簧,则由定义可求出其劲度系数为
结果分析
测试现场压实材料为砾土，压路机的行走速度控制 为1.7Km/h。对采集得到的加速度信号进行功率谱 分析，可得到功率谱的变化趋势，与理论分析所得 结论是一致的，即振动轮系统中主要响应参数是随 着压实作业过程中土壤性能变化呈现规律性变化。 将此规律应用在土壤压实的自动检测，为土壤密实 度在线监测系统提供新思路。在提高振动轮的压实 效果的同时，此规律也为实现振动压路机压实作业 的自动化提供了理论依据。
注意
由于压电传感器的压电特性易受温度影响， 热胀冷缩造型的机械变形也会对输出产生英 系那个。因此，有必要进行温度补偿。温度 补偿的办法是通过实验对传感器在不同温度 下所产生的温度漂移值进行标定，然后在结 果中修正，以保证测试精确性。
结束语
压电式加速度计、电荷放大器、动态信号分 析仪组成的振动测试系统的原理，可以为振 动加速度测量或监测提供一种手段，也可为 需要解决振动现象的工程提供可靠的试验数 据和技术支持。随着科学技术、工农业生产 和国防建议事业的迅速发展，大量的工程振 动现象问题不断地出现，相信该系统将应用 更加广泛。
a=g(重力加速度)时得到的电荷Q值,常称为灵敏度,单位记 为C/g,即灵敏度为一个g产生的电荷。上式为灵敏度的电荷 表示法。灵敏度亦可用开路输出电压表示,因为
U Q Cd
式中,Cd为晶片的低频电容(自由电容) 所以
33 A
T
Cd
U
d 3 3 lM a
l
33 A
T
取a=g,即为灵敏度的电压表示法,即一个g时产生 的开路电压,单位记为V/g。
k A S 33l EA l
式中,E为压电晶片的杨氏模量。则固有频率
fn 1 2 k M
测试流程（以振动压路机为例）
如图所示
实验测试流程
振动源 电信号
放大器 放大信号
结果分析
结果显示
系统ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ术指标
该系统的采集方式为多通道并行；A/D分辨率 为12bit；最高采样频率为1MHz；频率范围 为0.5Hz—6kHz；低通滤波器的衰减斜率为12dB/OCT；加速度工作方式为叠加型平面剪 切；平均方式为块平均；加速度的测量范围 2 为0—50m/S
简介：
现代工业和自动化生产过程中，动态测试 中振动和冲击的精确测量很重要。常用压电 加速度传感器来获取冲击和振动信号。采用 压电式加速度传感器振动测试系统具有较高 的准确性和应用推广价值，，并具有结构简 单，成本低，性能稳定等优点。
采用压电式加速度振动测试方案
系统组成：压电式加速度计 、电荷放大器、 动态信号分析仪组成，如下图所示。被测对 象的振动加速度信号经传感器拾振，由传感 器电缆将加速度信号送入该系统电荷放大器， 电荷放大器将信号转换成电压信号并放大， 通过数据采集测试仪采样，便实现对信号的 采集
测试系统组成
一、压电式加速度计：测试系统中，压电式 加速度传感器的作用是把振动量转换成相应 的电信号。实验测试时，为了防止电缆相对 运动产生摩擦而引起的“电效应”，除需要 选用低噪声电缆，还应把电缆固定在试件上。
二、电荷放大器：压电式加速度计产生的电 荷量很小，输出阻抗很高，因此与它相连的 仪器输出阻抗的大小对测量系统的性能产生 重大影响。高输入的阻抗的前置放大器就是 以此为目的而设置的。
支座
压电加速度传感器原理图
系统性能指标：
判断压电式加速度振动测试系统的性能指标 主要有：灵敏度、固有振动频率、频率响应 范围、动态响应范围和结构稳定性等 下面主要介绍灵敏度和固有振动频率
压电加速度传感器的灵敏度
灵敏度是指其输出电量与所承受的振动（或冲击）加速 度的比值。它是表征加速度传感器性能的最基本的参数。 公式推导： 设晶片为压电陶瓷,极化方向在厚度方向(z方向)， 作用力沿着z方向可推导出压电陶瓷片产生的电荷为： Q=d33Ma M为质量块质量,m为晶片质量,a为物体振动加速度，l为晶片 厚度,A为晶片电极面面积
图2 电荷放大器等效电路
三、动态数据采集测试仪：动态数据采集测试仪是振 动测试系统最重要的一环。其实质是一种带通讯接 口和程序控制的多功能智能仪器，具有内置调理作 用，可直接对加速度信号进行测量。
压电加速度传感器
压电加速度传感器的工作原理 由质量块、压电元件和支座组成。支座与待测物刚性地 固定在一起。当待测物运动时,支座与待测物以同一加速度运 动,压电元件受到质量块与加速度相反方向的惯性力的作用,在 晶体的两个表面上产生交变电荷(电压)。 当振动频率远低于传感器的固有共振频率时,传感器的输 出电荷(电压)与惯性力成正比。电信号经前置放大器放大,即 可由一般测量仪器测试出电荷(电压)大小,从而得知物体的加 速度。
固有共振频率 由灵敏度的公式：在低频时灵敏度是一常数,它和压电常数 成正比,和质量块的质量成正比。在较高的频率下该公式不适 用,特别是到传感器的固有共振频率附近,灵敏度急剧增大,该公 式一般在传感器固有共振频率的1/2~1/5以下使用。 可以近似地把质量块看成一个纯质量(忽略其弹性),晶片看 成一纯弹性元件(忽略其质量)来计算传感器的固有频率。如将 晶片看成一弹簧,则由定义可求出其劲度系数为
结果分析
测试现场压实材料为砾土，压路机的行走速度控制 为1.7Km/h。对采集得到的加速度信号进行功率谱 分析，可得到功率谱的变化趋势，与理论分析所得 结论是一致的，即振动轮系统中主要响应参数是随 着压实作业过程中土壤性能变化呈现规律性变化。 将此规律应用在土壤压实的自动检测，为土壤密实 度在线监测系统提供新思路。在提高振动轮的压实 效果的同时，此规律也为实现振动压路机压实作业 的自动化提供了理论依据。
注意
由于压电传感器的压电特性易受温度影响， 热胀冷缩造型的机械变形也会对输出产生英 系那个。因此，有必要进行温度补偿。温度 补偿的办法是通过实验对传感器在不同温度 下所产生的温度漂移值进行标定，然后在结 果中修正，以保证测试精确性。
结束语
压电式加速度计、电荷放大器、动态信号分 析仪组成的振动测试系统的原理，可以为振 动加速度测量或监测提供一种手段，也可为 需要解决振动现象的工程提供可靠的试验数 据和技术支持。随着科学技术、工农业生产 和国防建议事业的迅速发展，大量的工程振 动现象问题不断地出现，相信该系统将应用 更加广泛。
a=g(重力加速度)时得到的电荷Q值,常称为灵敏度,单位记 为C/g,即灵敏度为一个g产生的电荷。上式为灵敏度的电荷 表示法。灵敏度亦可用开路输出电压表示,因为
U Q Cd
式中,Cd为晶片的低频电容(自由电容) 所以
33 A
T
Cd
U
d 3 3 lM a
l
33 A
T
取a=g,即为灵敏度的电压表示法,即一个g时产生 的开路电压,单位记为V/g。
k A S 33l EA l
式中,E为压电晶片的杨氏模量。则固有频率
fn 1 2 k M
测试流程（以振动压路机为例）
如图所示
实验测试流程
振动源 电信号
放大器 放大信号
结果分析
结果显示
系统ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ术指标
该系统的采集方式为多通道并行；A/D分辨率 为12bit；最高采样频率为1MHz；频率范围 为0.5Hz—6kHz；低通滤波器的衰减斜率为12dB/OCT；加速度工作方式为叠加型平面剪 切；平均方式为块平均；加速度的测量范围 2 为0—50m/S
简介：
现代工业和自动化生产过程中，动态测试 中振动和冲击的精确测量很重要。常用压电 加速度传感器来获取冲击和振动信号。采用 压电式加速度传感器振动测试系统具有较高 的准确性和应用推广价值，，并具有结构简 单，成本低，性能稳定等优点。
采用压电式加速度振动测试方案
系统组成：压电式加速度计 、电荷放大器、 动态信号分析仪组成，如下图所示。被测对 象的振动加速度信号经传感器拾振，由传感 器电缆将加速度信号送入该系统电荷放大器， 电荷放大器将信号转换成电压信号并放大， 通过数据采集测试仪采样，便实现对信号的 采集
测试系统组成
一、压电式加速度计：测试系统中，压电式 加速度传感器的作用是把振动量转换成相应 的电信号。实验测试时，为了防止电缆相对 运动产生摩擦而引起的“电效应”，除需要 选用低噪声电缆，还应把电缆固定在试件上。
二、电荷放大器：压电式加速度计产生的电 荷量很小，输出阻抗很高，因此与它相连的 仪器输出阻抗的大小对测量系统的性能产生 重大影响。高输入的阻抗的前置放大器就是 以此为目的而设置的。