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行檢查。沖擊法比諧振梁法可達到的最大加速度值高得多，現(xiàn)介紹沖擊法試驗的情況。
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面上或下面，當檢查正向靈敏度時，將傳感器正向固定在沖錘之上；當檢查負向靈敏度時，則將它反向固定在沖錘之下。壓電傳感器的輸出信號均經(jīng)同一臺B8K2626型電荷放大器放大歸一化，然后由同一臺2606型測量放大器再放大并指出峰值，因而排除了二次測量儀表的不同而產(chǎn)生的影響。該沖擊裝置在某一高度多次跌落沖錘時產(chǎn)生的加速度重復性較好；由于壓電式加速度計的質(zhì)量差異不大，在安裝一只加速度計的情況，對于同一跌落高度，不同傳感器對沖錘加速度的影響可忽略不計。通過測試發(fā)現(xiàn)，在同一跌落高度，當改變被測傳感器時，沖擊加速度的增長（或持續(xù)）時間也不變。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)最小二乘法計算，其值為：
式中：So為截距；S為在加速度為a時的靈敏度。
對于幾種加速度計的測試結(jié)果示于表1?？梢园l(fā)現(xiàn)，對不同的壓縮式傳感器，其靈敏度幅值線性度各不相同。當輸入加速度值較小時，加速度計的幅值線性度、重復性和穩(wěn)定性都較好；當輸入加速度值較高時（ 大于1 000 m／s2），這些性能變差。對于同一只傳感器，其正向與反向靈敏度有差異，發(fā)現(xiàn)有兩方面的問題 ： （1）當輸入加速度幅值不太高時，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）當輸入加速度幅值較大時，傳感器的正向與反向靈敏度的差值隨之增加。當加速度幅值增加到某個量值時，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，傳感器的靈敏度變化不大或無變化。此時的輸入加速度幅值稱為“飽和加速度（as）”。不同的傳感器as值也不同。實驗發(fā)現(xiàn)，我國生產(chǎn)的壓縮式傳感器的as普遍較低，所以其反向加速度的測量范圍也較小。相反，當輸入加速度幅值增大到一定程度時，傳感器的正向靈敏度不正常，甚至會導致傳感器損壞，這時的輸入加速度幅值稱為“失效加速度（a f）”。一般情況下，｜af｜＞｜as｜，從af到-as的區(qū)間稱為傳感器的測量加速度范圍。
表1 幾種加速度計的測量結(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題的分析
壓電傳感器是一種利用壓電效應進行機電能量轉(zhuǎn)換的變換器。因為它具有若干優(yōu)點，所以被廣泛地應用于機械結(jié)構(gòu)的振動與沖擊參量的測量。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，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；但各種標準規(guī)定不夠確切，只是泛指幅值線性度。實質(zhì)上是指檢查正向靈敏度的幅值線性度。但是對于有正負極性的二次指示儀表，測量高g（1g＝10 m／s2）值振動以及需要反向安裝傳感器的沖擊情況（即測量負脈沖沖擊加速度），若僅僅檢查傳感器的正向靈敏度幅值線性度是不夠的，還應檢查其“反向靈敏度線性度”，以便使傳感器得出正確的測試數(shù)據(jù)。在我國，壓縮式壓電傳感器的使用和生產(chǎn)量較大，為此，談談壓縮式壓電傳感器的正反向靈敏度的幅值線性度問題。
壓縮式壓電傳感器的靈敏度與其對輸入加速度的響應情況有關(guān)。實際上，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)響應的因素很多，如預緊彈簧、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)。對于給定的傳感器，這些因素就固定了。則某個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，由于裝配過程安裝部件的相對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。因而使各個壓縮式傳感器的靈敏度幅值線性度不一樣。
接觸剛度比預緊彈簧的剛度大得多，當外加加速度很小時，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；當外加加速度很大時，接觸剛度開始起作用，又因為接觸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?，這種接觸剛度也會影響傳感器的長期穩(wěn)定性。