壓電加速度計(jì)的歷史

HBK聲學(xué)與振動(dòng)

2025年5月9日 14:46

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#全球首款商用壓電加速度計(jì)是由Per V. Brüel博士于1943年發(fā)明的。這只是HBK眾多創(chuàng)新中的第一個(gè)，它塑造了測(cè)試和測(cè)量的世界。

可以毫不夸張地說(shuō)，聲音和振動(dòng)的整個(gè)學(xué)科都可以追溯到Per V. Brüel和他的合作伙伴Viggo Kj?r開(kāi)啟的這些創(chuàng)新。這些早期的創(chuàng)新為許多聲學(xué)和振動(dòng)測(cè)量技術(shù)奠定了基礎(chǔ)，這些技術(shù)可用于開(kāi)發(fā)和監(jiān)測(cè)我們今天使用的智能手機(jī)、汽車(chē)、洗衣機(jī)和飛機(jī)等。

始于1942年的加速度計(jì)創(chuàng)新

4301型只是世界上首批發(fā)布的一系列創(chuàng)新技術(shù)中的一個(gè)，但在了解第一臺(tái)商用加速度計(jì)是如何制造出來(lái)之前，先讓我們仔細(xì)看看HBK擁有的其它眾多技術(shù)創(chuàng)新。下表提供了突破性技術(shù)發(fā)明的完整概述，這些發(fā)明仍然在世界各地的測(cè)試和測(cè)量應(yīng)用中使用。

壓電加速度計(jì)的歷史的圖2

壓電加速度計(jì)的歷史的圖3

壓電加速度計(jì)的歷史的圖4

世界上第一個(gè)商用加速度計(jì)

1943年，Per V. Brüel設(shè)計(jì)了全球首支商用壓電加速度計(jì)，即4301型。它由羅謝爾鹽晶體制成，靈敏度為35-50mV/g，諧振頻率為2-3k Hz。

壓電加速度計(jì)的歷史的圖5

1943年制造的全球首款加速度計(jì)

左圖：4301型的原型圖。右圖：加速度計(jì)的實(shí)物圖。

在整個(gè)50年代，陶瓷材料取代了羅謝爾鹽晶體。這使得加速度計(jì)的靈敏度加倍并將諧振頻率提升到5k Hz。

之后，HBK在其產(chǎn)品線(xiàn)中增加了壓縮式加速度計(jì)，并于1964年進(jìn)一步改進(jìn)。這引入了一個(gè)新系列，降低了對(duì)外殼載荷和基座應(yīng)變的敏感性。1968年至1975年對(duì)壓縮設(shè)計(jì)進(jìn)行了進(jìn)一步改進(jìn)。

壓電加速度計(jì)的特性

壓電加速度計(jì)是自發(fā)電的，因此不需要電源。沒(méi)有可磨損的運(yùn)動(dòng)部件，且輸出與加速度成比例的信號(hào)并可積分成速度和位移信號(hào)。它們能夠在極端溫度下工作，但受到高輸出阻抗的限制，需要低噪聲電纜和電荷放大器來(lái)適調(diào)信號(hào)。

壓電加速度計(jì)的核心是壓電材料的切片，通常是一種人工極化的鐵電陶瓷，具有獨(dú)特的壓電效應(yīng)。當(dāng)它在張力、壓縮或剪切方面受到機(jī)械應(yīng)力時(shí)，它會(huì)在其極面上產(chǎn)生與施加的力成正比的電荷。

壓電加速度計(jì)的歷史的圖6

加速度計(jì)設(shè)計(jì)

在實(shí)際的加速度計(jì)設(shè)計(jì)中，壓電元件的布置能夠使得當(dāng)組件被振動(dòng)時(shí)，質(zhì)量單元向壓電元件施加與所受振動(dòng)加速度成正比的力。這可以從公式中看出：力=質(zhì)量x加速度。

對(duì)低于質(zhì)量彈簧系統(tǒng)諧振頻率以下的頻率，質(zhì)量的加速度將與基礎(chǔ)的加速度相同，因此輸出信號(hào)的幅度將與基座承受的加速度成正比。

通常使用兩種配置：

質(zhì)量對(duì)壓電元件施加壓縮力的壓縮類(lèi)型和質(zhì)量對(duì)壓電元件上施加剪切力的剪切類(lèi)型。

壓電加速度計(jì)的歷史的圖7

壓電式加速度計(jì)類(lèi)型

大多數(shù)制造商都提供各種各樣的加速度計(jì)，如果不了解，就無(wú)法輕松做出選擇。

但是一小組“通用”類(lèi)型可以滿(mǎn)足大多數(shù)需求。這些連接器有頂部或側(cè)面安裝的連接器，靈敏度范圍為1至10mV或pC/ms-2。HBK Uni-Gain?類(lèi)型的靈敏度已標(biāo)準(zhǔn)化為方便的“圓整數(shù)字”，例如1或10pc/ms-2，以簡(jiǎn)化測(cè)量系統(tǒng)的校準(zhǔn)。

CCLD/Deltatron?或者IPE加速度計(jì)

CCLD（恒流源線(xiàn)驅(qū)動(dòng)）加速度計(jì)或IEPE（集成電子Piezo Electric）加速度計(jì)是帶有集成前置放大器的壓電式加速度計(jì)，可在電源線(xiàn)上以電壓調(diào)制的形式提供輸出信號(hào)。

HBK的IEPE加速度計(jì)具有高輸出靈敏度、高信噪比和寬帶寬，因此適用于通用和高頻振動(dòng)測(cè)量。

這些加速度計(jì)是高性能儀器，其輸出靈敏度高于標(biāo)準(zhǔn)壓電加速度計(jì)（不帶積分放大器情形）。它們采用氣密密封以防止環(huán)境污染，對(duì)射頻和電磁輻射的敏感性較低，由于采用了外部恒流電源，它們的輸出阻抗較低。低阻抗輸出允許您使用廉價(jià)的同軸電纜用于加速度計(jì)。

許多超出通用范圍的加速度計(jì)的特性?xún)A向于特定應(yīng)用。例如：小型加速度計(jì)，用于高級(jí)值或高頻測(cè)量，用于重約0.5至2克的精密結(jié)構(gòu)、面板等。

其他特殊用途類(lèi)型經(jīng)過(guò)優(yōu)化，可在三個(gè)相互垂直的方向上同時(shí)進(jìn)行測(cè)量：高溫；極低的振動(dòng)水平；高沖擊；比較其他加速度計(jì)的校準(zhǔn)；以及在工業(yè)機(jī)器上進(jìn)行永久監(jiān)控。

壓電加速度計(jì)的歷史的圖8