我该如何校准DC直流响应的加速度计?

我该如何校准DC直流响应的加速度计?

DC加速度计的最佳实践经验


直流响应加速度计是能够测量直流或0 Hz响应的振动传感器。最常见的直流响应加速度计是基于可变电阻或电容设计的。测量和仪器仪表行业中通常称为压阻电阻(PR)或可变电容(VC)的传感器，这些传感器覆盖广泛的应用,从用于军事和国防应用的昂贵的精密传感器,到部署在智能手机和汽车安全气囊电子元件上的非常便宜的MEMS传感器。

PR压阻加速度计是由传感元件设计的，它们的电阻会因施加的机械应力而改变。他们利用压阻材料，通常是金属应变片或硅电阻，以惠斯通电桥形式配置，并需要一个固定的直流激励电压供电。传感元件通常与悬臂梁连接，悬臂梁会随着加速度而弯曲，从而导致电阻的变化。由于这种变化的电阻对稳态加速度很敏感，比如它在地球重力场中的方向，PR加速度计提供了一个真实的直流响应。


 压阻加速度计

VC加速度计感应到与加速度有关的电容的变化，从而改变通电电路的输出。通常，传感元件的设计由两个平行板电容在差分模式下工作组成。这些电容与两个固定电容一起工作在桥式电路中，当结构受到加速度影响时，它们会改变振荡器产生的峰值电压。电路捕获峰值电压，并将其输入一个加法放大器，该放大器处理最后的模拟输出电压信号进行测量。


可变电容加速度计

PR和VC加速度计都是典型的三线或四线制激励电源;对于四线制版本，一对用于信号/接地的引线和另一对用于电源/接地的引线;对于三线制版本，一对用于共享接地的引线。激励电压是一个固定的直流电压，通常设置在一个指定的范围内(请参阅制造商具体型号的技术规格表)，并可以影响被测单元的灵敏度。因此，在校准这些类型的传感器时，使用可靠的、校准过的直流电源，并在校准证书上注明激励电压是非常重要的。

这些类型的传感器设计的一个显著优点是，传感器是真正对直流加速度响应的，至少在0 Hz上它们具有内在的自校准能力。由于传感器对直流加速度很敏感，所以它们对地球引力场中的“翻转”也很敏感。因此，如果你有一个固体表面的平面，传感器可以从一边翻转到另一边，(180度翻转从底部到顶部)这相当于2 g的变化。通过测量直流电压输出变化，并除以2 g，可以计算出0 Hz时的单位灵敏度(单位为V/g或mV/g)，并验证其直流响应性能。此外，直流偏置电压也可以用同样的方法测量，通过找到1 g和-1 g激励之间的电压“中点”。

完整的校准通常还包括频率响应校准，传统上在电动空气轴承校准级振动台上作为步进正弦扫描进行。这种方法通常是二次校准，通常称为“背对背”，参照“背对背”传递标准设计。需要注意的是，校准的频率范围取决于振动台的性能。工业标准宽频空气轴承校准振动台的工作范围为5 Hz到15 kHz或20 kHz。这些振动台一般具有良好的横向运动特性，但行程短(通常约10毫米)。由于在下降的频率上缺乏合理的加速度水平，这一短行程无法在低于5Hz的频率上进行足够的校准。为校准5 Hz至0.1 Hz，必须使用专门的长冲程振动台(一般可达0.25 米冲程)，以便校准技术员在这些超低频率下产生适当的加速度。在校准直流响应加速度计时，这一点可能尤其重要。直流响应加速度计用于测量非常低的频率，适用于汽车行驶质量或民用基础设施动力学等应用。无论在校准过程中采用哪种振动台设计，将动态校准的最低频率与翻转试验的直流响应进行比较都是很好的实践。


空气轴承校准台


低频长冲程校准台

PCB®最新推出的便携式校准仪9210D，低频便携式振动校准仪是世界上第一个、也是唯一得到ISO 17025认证的，NIST可溯源的便携式振动校准台。其内部采用高分辨率的石英参考加速度计提供无与伦比的精度，而坚固耐用的碳纤维复合电枢支持更重的有效载（*高达800克）。它具有耐用的Pelican箱和长续航电池。闭环控制缩短了校准时间。9210D可按位移、速度或加速度(公制或英制单位)进行缩放，频率范围为0.7 Hz至2 kHz(42 CPM至120,000 CPM) ，便于客户现场验证传感器低频。



根据直流加速度计的特定应用，完整的校准还可以包括冲击校准。直流响应加速度计的一个常见用途是测量高g冲击和爆炸事件。对于这些传感器设计，最佳实践是连同频率响应进行一个冲击校准。有几种类型的冲击校准装置可以进行宽振幅范围的线性校准，它们通常通过某种碰撞产生。摆锤装置、气动控制的弹丸冲击和霍普金森杆冲击通常用于产生从100到100万g的脉冲。


气动冲击校准台

最后，与基于应变的直流加速度计相关的一种常见的"校准"技术称为分流校准。分流校准是本文前面提到的已知的应变计惠斯通电桥的电路不平衡。这是通过在桥的一条臂上放置一个固定电阻来实现的，或者“分流”它。利用该技术，在不将传感器暴露于已知物理输入的情况下，验证了与基于应变的直流传感器相匹配的信号调节器的增益。由于这种技术不能提供传感器的真正的机械校准，它主要用于对已知的、应用的、可跟踪的机械输入的校准之间的定期验证或检查。