CN101539587A - 中高量程加速度传感器敏感方向灵敏度的测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种中高量程加速度传感器动态灵敏度的肩并肩式测试方法，其特征在于将已知灵敏度的高量程加速度传感器作为参考加速度传感器，同被测试的灵敏度未知的加速度传感器安装在同一金属杆两侧，金属杆自由下落碰撞金属砧产生高幅值的脉冲波，金属砧表面放置机械滤波用的缓冲滤波材料对两个传感器输出波形整形，利用得到的两个半正弦波形输出的电压峰值来比较和计算被测试加速度传感器的敏感方向的灵敏度；本发明不需要知道绝对的冲击加速度数值，且所述的两个加速度传感的安装方式相同，均在敏感方向安装。

Description

中高量程加速度传感器敏感方向灵敏度的测试方法

技术领域

本发明涉及提供一种中高量程加速度传感器动态灵敏度的测试方法，属于微传感器的力学测试分析领域。

背景技术

量程在2000g(g＝9.8m/s²)以上的加速度传感器能够用于较高的加速度和较短脉冲的碰撞、冲击等场合下试验和使用，这类传感器具有较快的响应和较高的抗过载能力，其碰撞、冲击等瞬时动态条件下的灵敏度是一个需要确定的重要参数。

碰撞冲击属于瞬时动态过程，理想情况下，通过细长的金属杆和金属砧相互碰撞在金属杆中产生应力波，在弹性碰撞范围内接触点的应力和应变成正比，当不考虑阻尼等耗散因素时，所产生的脉冲主应力波是正弦波。固定安装在细长金属杆上的高量程加速度传感器就能够记录这一瞬间所产生的波形，一般是半正弦波。加速度传感器的敏感结构的位移(形变)x输出具有正弦形式，表示为：x＝Asin(ωt)，位移对时间经过两次微分便得到加速度：a(ω)＝-Aω²sin(ωt)；这样，在压阻加速度传感器上，产生的脉冲主波电信号则表示为V(ω)＝V_osin(ωt)，V_o为峰值。压阻式加速度传感器的灵敏度定义为 $S\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{V_o}{a\left(\mathrm{\ω}\right)}.$ 实际上，在所有频率范围内，器件的灵敏度并不是恒定值。一般来说，在欠阻尼情况下，在一定频率范围内，灵敏度随频率基本上是恒定值，超过某一个频率后，灵敏度随频率升高而升高。实际碰撞冲击过程中会产生很多高频波，同时容易将器件的本征固有频率激发出来。尤其对量程为几千g的加速度传感器，由于其一阶共振频率不是很高，在碰撞过程中就更容易将本征频率激发出来。因此，碰撞过程所产生的主波包含了成分复杂的多个频率的波，是非单一频率的波，表示为： $x=\underset{n=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{A}_n\sin \left({\mathrm{\ω}}_{n}t\right),$ k为正整数。因此，碰撞过程时间内叠加到主波上的高频波将影响到灵敏度计算的精度。因为，灵敏度的计算是假定灵敏度随频率不变的。基于硅的压阻型加速度传感器一般是欠阻尼的，这就导致其幅频特性中，灵敏度(幅值)随频率升高而升高。因此，需要采用适当的方法对碰撞过程所产生的波进行机械滤波，以达到对输入波形具有一定的选择性，进而确定器件在一定频率范围内，相对来说是较低频率的动态灵敏度。

灵敏度的测试，一般分为绝对法和比较法，绝对法属于一级标定法，一般采用激光干涉绝对校准法，利用其波长作为绝对参考量。在Hopkinson法测试中，相当一部分试验是以一个应变片的输出作为标准，应变片具有较大的动态频率响应范围。比较法属于二次标定，它是将被测试的传感器和已知灵敏度的参考传感器以背靠背的方式安装在一起，在同样的激励方式下进行测试，比较两个传感器的输出，进而获得被测试加速度传感器的灵敏度[AlfredLink，Hans-J″urgen von Martens，Calibration of accelerometers by shockexcitation and laser interferometry，Shock and vibration，2000，V7，N2，pp101-112；Ueda，K and Umeda，A，Characterization of shock accelerometers using DaviesBar and Laser interferometer，experimental mechanics，1995，35(3)，pp216-223.]。

对于需要获得动态或者冲击灵敏度的校准测试，从已报道的文献中也分为冲击比较法和绝对法。绝对法中，被测试的加速度传感器安装在砧子上，砧子由一个支撑体支撑。测试校准时，钢球从一定高度自由落下，碰撞在装有传感器的砧子上，利用其速度变化获得加速度，这一近似弹性碰撞过程的主波输出具有半正弦波的形式，其冲击驰豫时间和幅值取决于缓冲垫的材料和厚度，然后通过一定方式计算出灵敏度[Nancy Ann Winfree，JosephHyunchul Kang，Mechanical filter for sensors，U.S.Cl.333/186，US2008/0136564；Frew D J，Forrestal M J，Chen W，Pulse shaping techniques for testing brittlematerials with a Hopkinson pressure bar，Experimental Mechanics，2002，42：pp93～106.]。而比较冲击法是在砧子上背靠背地安装标准加速度传感器和被较加速度传感器，测试装置和原理如图1所示意。在该方法中，对传感器安装测试面有较大的要求，由于两个传感器一般是紧密地“背靠背”竖立安装在一起的，其间存在较大的力学传递误差，这就会带来机械损失，同时会产生额外的安装共振频率。

因此，基于上述考虑，在本发明拟利用比较测试法，采用“肩并肩”式的安装方法以减小”背靠背”直接接触安装所带来的力学传递误差。当两个比较的器件具有不同的安装形式，或者没有考虑输入波形的性质时，灵敏度的输出会有较大的线性偏离。因此，为了消除高频率成分波等因素的影响，采用适当的机械滤波材料对输入波形整形以获得较为真实的动态碰撞过程中的灵敏度，从而引导出本发明的构思。

发明内容

综上所述，本发明的目的在于提供一种量程大于2000g的中高量程加速度传感器敏感方向灵敏度的测试方法。本发明利用金属杆自由落体碰撞地面上的金属砧过程中产生的较高加速度和频率成份丰富的高频率的波作为信号激发源，通过在碰撞面之间选择适当的缓冲材料以达到改变或改善输入波形的目的，将已知灵敏度的加速度传感器作为参考加速度传感器，同被测试的灵敏度未知的加速度传感器安装在同一金属杆两侧采用“肩并肩”的比较测试法，直接对两个传感器进行输出波形的比较，以此获得被测量加速度传感器的动态灵敏度。本发明的目的在于可以直接比较传感器灵敏度的大小，量程和响应等信息；此外，本发明提供的测试方法简单、容易操作和经济的测试方法；并对器件具有较小损伤的特点。

具体地说，将灵敏度已知的参考加速度传感器和灵敏度未知的待测试的加速度传感器固定安装在同一个金属杆上，直接将此金属杆自由落体到地面上的金属砧上，再利用双通道采集系统获取两个加速度传感器的输出数据。当没有考虑选择一定机械滤波材料时，经比较和分析波形的数据，可发现输出的两个波的波形形状和波形的脉冲宽度往往存在一定的偏差。这种偏差具体表现在，随自由落体冲击高度不同，灵敏度的输出往往会有较大的线性偏离。

当细长的金属杆从同一高度落下时，可以认为在金属杆和金属砧之间的碰撞产生的加速度会同样作用到加速度传感器上。当金属杆与金属钢砧相碰撞的时候，在金属杆与金属砧碰撞前后会有较大速度的变化，以此获得较高的加速度，如20,000g。碰撞过程中会产生很多高频波，这些波也会激发器件的一阶共振，共振波和高频波会叠加到主波上。一般来说，参考加速度传感器和待测试的加速度传感器分别具有不同的工作带宽和特性，当对同样的碰撞冲击响应时，会受到器件各自不同特性而具有不同的响应，这就会产生频率成份复杂的主波。实际上，通过选择碰撞面之间适当的缓冲滤波材料和厚度就可以消除共振波和高频波，达到对输出波形进行改善的目的。因此，采用适当的机械滤波材料，使输入具有一定选择性，在两个加速度传感器中产生相似的波形输出，即具有相同脉冲宽度和波形，保证测试的准确性。一般的碰撞过程，也就是碰撞过程所产生的主波其弛豫时间在几十微秒到数毫秒的量级，表示成频率就是在几个KHz频率范围内；而器件的一阶共振频率在几十KHz到几百KHz，甚至更高频率。采用适当的缓冲材料进行机械滤波就可以获得相对的低频成分的输出，这也满足器件在一般场合下的使用要求，如汽车用的碰撞加速度传感器其工作频率在几百Hz就足够了。

一般金属与金属之间的碰撞总是伴随着较高能量的波，在一定程度上，高频率成份的波会对器件造成损伤，但在碰撞面之间施加以缓冲材料时，缓冲材料也起到了保护器件的作用。因此，缓冲材料也就是起到了保护器件的作用和进行机械滤波的作用。在机械滤波过程中，主要是降低冲击输出幅度，另一个是将不感兴趣的高频成份波滤掉，起到对输入波形整形作用以达到近似半正弦波形的输出，对波形有明显改善的作用。同时，金属杆自由落体碰撞高度应该尽量低一些，以保证碰撞中应力和应变的关系是线性的、弹性的。金属杆的长度要远比杆的直径大以减小波在杆中传播的衰减和色散，这些都起到了保证产生半正弦波形的输出效果。因此，在本发明中，通过选择适当缓冲机械滤波材料以解决这个问题。在实验上，就可以获得在近似同样频率、同样波形、同样加速度作用下的动态灵敏度。

对于两个同样安装固定在金属杆上的传感器，当从一定高度落下时，在敏感方向上会产生同样的加速度a，因此，当两个器件具相同的安装时，在量程范围内，将获得相同的力学传递，则两个器件的输出比和灵敏度之间的关系为，

$\frac{V_u}{V_s}=\frac{S_u\left(\mathrm{\ω}\right)a}{S_s\left(\mathrm{\ω}\right)a}=\frac{S_u\left(\mathrm{\ω}\right)}{S_s\left(\mathrm{\ω}\right)}---\left(1\right)$

其中作为参考的加速度传感器在敏感方向的输出电压为V_s，而待测试的加速度传感器的输出电压为V_u，S_s(ω)为参考的加速度传感器敏感方向的灵敏度，这样，待测试的加速度传感器在敏感方向的灵敏度为

$S_u\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{V_u}{V_s}{S}_s\left(\mathrm{\ω}\right)---\left(2\right)$

单自由度的或者称之为单轴加速度传感器一般只对一个方向敏感，也就是说，加速度传感器的敏感方向就是当受到外界冲击作用时，加速度输出最大的方向就是加速度的敏感方向。在本发明中，将待测试的加速度传感器和参考加速度传感器固定安装在一个两侧顶端刻有凹槽的金属杆上，并且将两个加速度传感器均在敏感方向安装，即敏感方向与金属杆自由落体方向一致，在这个方向加速度传感器具有最大的输出，如图2所示。即采用“肩并肩”安装方法，直接进行波形比较，以此获得被测量加速度传感器的动态灵敏度。这样避免了常规的叠加安装形式传感器之间的力学传递误差以及需要的修正步骤。这样当金属杆从一定高度自由落下，两个传感器就可以获得同样的加速度。实验中，选择不同的起缓冲作用的滤波材料和厚度就可以得到期望的脉冲宽度和幅度的要求。实验中选择的起缓冲作用的滤波材料如薄橡胶垫、纤维素材料等以达到产生和调制不同加速度的脉宽和幅度。针对不同量程和灵敏度的器件，需要选择不同的滤波材料和滤波材料的厚度，以达到所需要的效果。滤波材料的选择就是要求能够有效地对产生的应变波进行整形；滤波材料太厚，则会损失较大的信号幅度，滤波材料太薄，就起不到滤波的作用。因此选择滤波材料和厚度的条件是尽量使输出波形不失真，达到近似半正弦波的作用。一般来说，合适的起缓冲作用的滤波材料对测量精度没有影响。

具体实施步骤为：

(1)加速度传感器的安装和连接：

按照图2，将已知灵敏度的单自由度的或者称之为单轴的高量程参考加速度传感器1和被测试的单轴的加速度传感器2以“肩并肩”的方式固定安装在金属杆尾端的两个凹口内，并且敏感方向与金属杆自由落体方向一致，这里是将两个传感器以同样的方式对称安装在金属杆的两侧。单自由度(单轴)的高量程参考加速度传感器是只对一个方向敏感的加速度传感器，在此方向，加速度传感器具有最大的输出，因此，所谓的敏感方向就是指输出最大的方向。所选择的参考加速度传感器一般要求是其量程要比被测试的加速度传感器要大，也就是高量程低灵敏度，最好是同种类型的加速度传感器。

将两个加速度传感器的输出与双通道放大器3连接好，从双通道放大器输出的信号通过电缆线连接到计算机的双输入端4，启动计算机和相应的控制数据采集软件。

(2)实验过程：

图3是整个测试装置示意图。测试中，将固定加速度传感器的金属杆6从一定高度自由落体和地面上的金属砧8碰撞，碰撞过程中产生应变波，表现为在传感器上的电压输出为一个近似半正弦的脉冲输出。应变波将沿着金属杆传递给加速度传感器，加速度传感器记录这一碰撞过程。当相互碰撞产生的应力波高于数据采集系统设定的阈值电平时，计算机的数据采集系统将开始自动记录输出的电压波形。同时为了获得较好的输出波形，在金属杆与金属砧碰撞面之间选择放置适当的缓冲滤波材料，如一定厚度的纤维素材料7，这样起到改善波形的作用。

试验中钢砧的尺寸为：长29.8cm，宽26.7cm，高19.2cm；铝合金杆长为L＝1m、直径D＝1.5cm；参考加速度传感器和待测试的加速度传感器(1或者2位置)安装固定在金属杆的顶端，传感器所产生的小信号通过细软电缆5与放大器6连接，经过放大的信号又通过电缆线与具有数据采集功能的计算机7连接，由传感器记录碰撞过程产生的波形显示于计算机屏幕上。金属杆从一定高度自由下落和金属砧相互碰撞后，当产生的应力波高于设定的阈值电平时，计算机的数据采集系统将开始自动记录输出的电压波形。

实验中，金属杆的选择是有一定的要求，要尽量减小波的色散和衰减。一般来说，碰撞所产生的应变波的波长λ和金属杆的直径D之比要大于10就可以，即λ/D＞10。在本发明中，在合金铝杆中产生的声波速度是c＝5000m/s，而产生的输出波周期T一般在160微秒，按照波长的计算公式可以得到：λ＝cT＝5000×160×10^-6m＝0.8m。而λ/D＝80/1.25＝64，这远大于10，因此，此金属杆的选择完全合乎要求。此外，对地面上放置的金属砧则没有具体的要求，只需要较厚就可以了。

(3)灵敏度的计算：

图4是记录得到的两个加速度传感器在敏感方向的输出波形，当输入加速度已知时，从放大器的电压输出就可以计算灵敏度；当参考加速度传感器的灵敏度已知时，在不知道输入加速度的情况下，就可以直接按照公式1进行计算，得到待测试传感器的灵敏度。

综上所述，本发明所述的量程大于2000g的中高量程加速度传感器敏感方向灵敏度的肩并肩式测试方法，其特征在于将已知灵敏度的高量程加速度传感器作为参考加速度传感器，同被测试的灵敏度未知的加速度传感器安装在同一金属杆两侧，金属杆自由下落碰撞金属砧产生高幅值的脉冲波，金属砧表面放置适当的缓冲滤波材料对两个传感器输出波形整形，利用得到的两个半正弦波形输出的电压峰值来比较和计算被测试加速度传感器的动态灵敏度。

①所述的利用“肩并肩”的安装比较法是将作为参考的加速度传感器和待测试加速度传感器同时安装到金属杆尾端切割的凹口上，金属杆自由落下于金属砧发生碰撞产生高幅值的冲击加速度，作为参考的加速度传感器和待测试加速度传感器经历同样的加速度输入；

②由两个加速度传感器产生的半正弦波同时被记录下来，具有相同的相位和峰形，两个加速度传感器在碰撞冲击过程中具有波形可识别、幅度可比较的特性；

③利用机械滤波的方法，获得碰撞冲击过程中加速度传感器近似半正弦单一频率的主波输出；所述的机械滤波用的缓冲滤波材料薄膜直接放置在金属砧表面上；可以选用不同的滤波材料，如橡胶垫、纤维素材料等以得到不同加速度的脉宽和幅度的调制，缓冲滤波材料厚度通常在0.10-0.20mm之间，选用的缓冲滤波材料对测量精度没有影响；

④所述的已知灵敏度的高量程传感器是单轴加速度传感器，敏感方向与金属杆自由落体的方向一致。

本发明提供的测试方法不需要知道绝对的冲击加速度数值，且所述的两个加速度传感器的安装方式相同，均在敏感方向安装。

附图说明：

图1，在振动台或者冲击台上待测试的加速度传感器和参考传感器以背靠背的安装方式测试的示意。

图2，在本方法中自由落杆上的“肩并肩式”的安装方式。

图3，自由落杆冲击波形比较法测试装置示意图。

图4，在同一冲击过程中利用“肩并肩”比较法测试得到的两个加速度传感器的输出波形。

图中，1表示参考加速度传感器，2表示待测试加速度传感器，3表示放大器，4表示数据采集系统，5表示振动台或冲击装置，6表示带有凹槽的金属杆，7表示缓冲材料，8表示金属砧，9表示自由落体的高度。

具体实施方式

首先，选择灵敏度已知的单端固支的悬臂梁结构型高量程压阻加速度传感器作为参考器件，该加速度传感器的量程为5万g，灵敏度为1.0μV/g；待测试的加速度传感器也是单端固支的悬臂梁结构型传感器，量程为5千g。然后按照图2所示和具体实施步骤，将两个器件以“肩并肩”的方式安装固定在金属杆尾端，分别将器件按照一定顺序连接电源的正极、负极和两个输出端，再同放大器连接，然后将放大器的输出电缆线连接到计算机，启动计算机和相应的控制数据采集软件，数据取样频率为625KHz。

实验中，将金属杆从一定高度自由释放，如10cm高度，金属杆与地面上的金属砧相互碰撞，同时为了获得较好的输出波形，在金属杆与金属砧碰撞面之间选择适当的缓冲滤波材料，如一定厚度的纤维素材料用以波形整形。计算机将自动采样记录两个器件的输出波形。图4是将两个器件以“肩并肩”的方式固定安装在金属杆上，两个器件均在敏感方向安装的输出波形示意图。实验中，选择不同的缓冲滤波材料和厚度就可以得到期望的脉冲宽度和幅度的要求。本实施例中选择的滤波材料为薄橡胶垫或纤维素材料等以达到产生和调制不同加速度的脉宽和幅度。缓冲滤波材料的选择就是要求能够有效地避免加速度传感器器件本身的高频成分波不被激发出来，高频波叠加到主冲击波上将要对灵敏度的计算产生一定的影响，因此需要选择适当的缓冲滤波材料和厚度能够有效地对产生的应变波进行波形整形；滤波材料太厚，则会损失较大的信号幅度，滤波材料太薄，就起不到滤波的作用。因此选择滤波材料和厚度的条件是尽量使输出波形不失真，达到近似半正弦波的作用。一般来说，合适的滤波材料对测量精度没有影响。本发明中选择的纤维素材料厚度在0.15mm厚度，可以有效地进行机械滤波整形。

试验中，选择灵敏度为1.0μV/g的量程为5万g的加速度传感器作为参考，其灵敏度低，所以输出的主冲击波很低，图4中箭头指向右侧坐标轴。在同一次冲击过程中，参考加速度传感器的输出仅为0.04V，而待测试加速度传感器的输出电压位0.54V，其主波后面的是其余波。按照上述公式(2)计算可以得到该传感器的灵敏度为13.5μV/g。

本实施例虽以单端固支的悬臂梁结构型已知灵敏度加速度传感器为实例，但只要是高量程低灵敏度的单轴加速度传感器，比被测试的加速度传感器的量程大均可作为参考加速度传感器。

Claims (9)

1、一种中高量程加速度传感器动态灵敏度的肩并肩式测试方法，其特征在于将已知灵敏度的高量程加速度传感器作为参考加速度传感器，同被测试的灵敏度未知的加速度传感器安装在同一金属杆两侧，金属杆自由下落碰撞金属砧产生高幅值的脉冲波，金属砧表面放置机械滤波用的缓冲滤波材料对两个传感器输出波形整形，利用得到的两个半正弦波形输出的电压峰值来比较和计算被测试加速度传感器的敏感方向的灵敏度；被测试的加速度传感器的敏感方向的灵敏度是按下式计算的：

$S_u\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{V_u}{V_s}{S}_s\left(\mathrm{\ω}\right)$

式中，V_u为被测试的加速度传感器的输出电压，

V_s为参考的加速度传感器的输出电压，

S_s(ω)参考的加速度传感器敏感方向的灵敏度。

2、按权利要求1所述的中高量程加速度传感器动态灵敏度的肩并肩式测试方法，其特征在于被测试的加速度传感器和参考加速度传感器同时安装在金属杆尾端切割的凹口上，安装在敏感方向。

3、按权利要求1或2所述的中高量程加速度传感器动态灵敏度的肩并肩式测试方法，其特征在于所述的已知灵敏度的高量程加速度传感器是单轴加速度传感器，敏感方向与金属杆自由落体的方向一致。

4、按权利要求1或2所述的中高量程加速度传感器动态灵敏度的肩并肩式测试方法，其特征在于所述的金属杆与金属砧发生碰撞产生的应变波的波长λ和金属杆的直径D之比大于10，即λ/D＞10。

5、按权利要求1所述的中高量程加速度传感器动态灵敏度的肩并肩式测试方法，其特征在于所述的已知灵敏度参考加速度传感器的量程比被测试的加速度传感器的量程大，即高量程低灵敏度。

6、按权利要求1或5所述的中高量程加速度传感器动态灵敏度的肩并肩式测试方法，其特征在于所述的已知灵敏度的参考加速度传感器和被测试的灵敏度未知的加速度传感器为同种类型的加速度传感器。

7、按权利要求1所述的中高量程加速度传感器动态灵敏度的肩并肩式测试方法，其特征在于所述的机械滤波用的缓冲滤波材料为橡胶垫或纤维素材料。

8、按权利要求1或7所述的中高量程加速度传感器动态灵敏度的肩并肩式测试方法，其特征在于所述的机械滤波用的缓冲滤波材料的厚度为0.10-0.20mm。

9、按权利要求1所述的中高量程加速度传感器动态灵敏度的肩并肩式测试方法，其特征在于所述的中高量程加速度传感器的量程为大于2000g。

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