一、振动参数测量的内容与振动测试系统的组成
振动测试是动态测试的典型内容之一，一般包含以下三个方面的内容。
(1)振动系统振动参数的测试，包括测量振动物体 上某点的位移、振动速度、振动加速度、效率和相位等参数，了解被测对象的振动状态，评定等级和寻找振源，对设备进行监测、分析、诊断和预测。
(2)振动系统特性参数的测试。以某种激振力作用在被测对象上，使它产生受迫振动，测量输入(激励)和输出(被测对象振动响应)，从而确定被测对象的振动力学参数或动态性能，如固有频率、阻尼、刚度、频率响应和模态等参数。
(3)机械动力强度和模拟环境振动试验，即按规定的振动条件，对设备进行振动例行试验，用以检查设备的耐振寿命、性能稳定性以及设计、制造、安装的合理性。
不同的振动测试系统，使用不同类型的振动加速度传感器，如磁电式速度传感器配用微积分放大器进行测试；压电式加速度传感器，配用电荷放大器进行振动参数测试。
本文只介绍目前最常用的压电式加速度传感器与电荷放大器组成的振动测试系统。压电式加速度传感器的工作原理是基于压电效应。
二、压电效应与逆压电效应
正压电效应是指由于形变而产生电极化的现象。当对压电材料施以物理压力时，材料体内之电偶极矩会因压缩而变短，此时压电材料为抵抗这变化会在材料相对的表面上产生等量正负电荷，以保持原状。
逆压电效应是指当在电介质的极化方向施加电场，这些电介质就在一定方向上产生机械变形或机械压力，当外加电场撤去时，这些变形或应力也随之消失。逆压电效应就是由电场来控制物体的形变，当压电体上下两端接好电线并且施加电压时，就会使物体沿着电场的方向伸长或是缩短。
正压电效应原当晶体受到某固定方向外力的作用时会发生形变，晶体的两个受力面上会产生符号相反的电荷，形变方向相反时，电荷的极性也随之改变，当外力撤去后，晶体又恢复到不带电的状态，此过程可以理解为晶体材料接收到超声波的压力将其转化为电信号，是接收超声波的过程。
逆压电效原理是应当在压电材料表面施加电场(电压)，因电场作用压电材料会沿电场方向伸长或收缩，该过程可以理解为晶体材料收到电流激发而振动，振动的频率大于20KHz，是发送超声波的过程，是电能转化为机械能的过程。
三、压电式加速度传感器及其应用
1、 压电式加速度传感器原理
(1)压电式加速度传感器又称压电加速度计。它也属于惯性式传感器。它是利用某些物质如石英晶体的压电效应，在加速度计受振时，质量块加在压电元件上的力也随之变化。当被测振动频率远低于加速度计的固有频率时，则力的变化与被测加速度成正比。
(2)由于压电式传感器的输出电信号是微弱的电荷，而且传感器本身有很大内阻，故输出能量甚微，这给后接电路带来一定困难。为此，通常把传感器信号先输到高输入阻抗的前置放大器。经过阻抗变换以后，方可用于一般的放大、检测电路将信号输给指示 仪表或记录器。
2、压电式加速度传感器构成元件
常用的压电式加速度计的结构形式如图一所示。S是弹簧，M是质块，B是基座，P是压电元件，R是夹持环。图一a是中央安 装压缩型，压电元件—质量块—弹簧系统装在圆形中心支柱上，支柱与基座连接。这种结构有高的共振频率。然而基座B与测试对 象连接时，如果基座B有变形则将直接影响拾振器输出。此外，测试对象和环境温度变化将影响压电元件，并使预紧力发生变化， 易引起温度漂移。图一c为三角剪切形，压电元件由夹持环将其夹牢在三角形中心柱上。加速度计感受轴向振动时，压电元件承 受切应力。这种结构对底座变形和温度变化有极好的隔离作用，有较高的共振频率和良好的线性。图一b为环形剪切型，结构简单，能做成极小型、高共振频率的加速度计，环形质量块粘到装在中心支柱上的环形压电元件上。由于粘结剂会随温度增高而变软，因此最高工作温度受到限制。
3、压电式加速度传感器幅频特性
压电式加速度传感器及其应用
加速度计的使用上限频率取决于幅频曲线中的共振频率图(图二)。一般小阻尼(z<=0.1)的加速度计，上限频率若取为共振频率的 1/3，便可保证幅值误差低于1dB(即12%)；若取为共振频率的1/5，则可保证幅值误差小于0.5dB(即6%)，相移小于30。但共振频率与加速度计的固定状况有关，加速度计出厂时给出的幅频曲线是在刚性连接的固定情况下得到的。实际使用的固定方法往往难于达到刚性连接，因而共振频率和使用上限频率都会有所下降。
4、压电式加速度传感器及其应用
钢螺栓固定，是使共振频率能达到出厂共振频率的最好方法。螺栓不得全部拧入基座螺孔，以免引起基座 变形，影响加速度计的输出。在安装面上涂一层硅脂可增加不平整安装表面的连接可靠性。需要绝缘时可用绝缘螺栓和云母垫片来 固定加速度计，但垫圈应尽量簿。用一层簿蜡把加速度计粘在试件平整表面上，也可用于低温(40℃以下)的场合。手持探针测振方法)在多点测试时使用特别方便，但测量误差较大，重复性差，使用上限频率一般不高于 1000Hz。用专用永久磁铁固定加速度计，使用方便，多在低频测量中使用。此法也可使加速度计与试件绝缘。用硬性粘接螺栓或粘接剂的固定方法也长使用。某种典型的加速度计采用上述各种固定方法的共振频率分别约为：钢螺栓固定法31kHz，云母垫片28kHz，涂簿蜡层29kHz，手持法2kHz，永久磁铁固定法7kHz。
5、压电式加速度传感器的灵敏度
压电式加速度计的灵敏度 压电加速度计属发电型传感器，可把它看成电压源或电荷源，故灵敏度有电压灵敏度和 电荷灵敏度两种表示方法。前者是加速度计输出电压(mV)与所承受加速度之比；后者是加速度计输出电荷与所承受加速度之比。加速度单位为m/s2，但在振动测量中往往用标准重力加速度g作单位，1g= 9.80665m/s2。这是一种已为大家所接受的表示方式，几乎所有 测振仪器都用g作为加速度单位并在仪器的板面上和说明书中标出。对给定的压电材料而言，灵敏度随质量块的增大或压电元件的增多而增大。一般来说，加速度计尺寸越大 ，其固有频率越低。因此选用加速度计时应当权衡灵敏度和结构尺寸、附加质量的影响和频率响应特性之间的利弊。
(1)压电晶体加速度计的横向灵敏度表示它对横向(垂直于加速度计轴线)振动的敏感程度，横向灵敏度常以主灵敏度(即加速度计的电压灵敏度或电荷灵敏度)的百分比表示。一般在壳体上用小红点标出最小横向灵敏度方向，一个优良的加速度计的横向灵敏度应小于主灵敏度的3％。因此，压电式加速度计在测试时具有明显的方向性。
五、压电式加速度传感器误差形成因素分析
(2)压电加速度计的前置放大器 压电元件受力后产生的电荷量极其微弱，这电荷使压电元件边界和接在边界上的导体充电 到电压U=q/Ca(这里Ca是加速度计的内电容)。要测定这样微弱的电荷(或电压)的关键是防止导线、测量电路和加速度计本身的电荷泄漏。换句话讲，压电加速度计所用的前置放大器应具有极高的输入阻抗，把泄漏减少到测量准确度所要求的限度以内
四、振动加速度测量系统的基本组成
(1)测振系统的组成
因为振动基本参数的测量其被测对象是振动的，所以这类测试的振动传感器可根据测试的要求安装在被测对象测点上。常用测振系统原理如图5所示。
图5 测振系统原理图
对于压电加速度传感器，工作受振后直接有电荷或电压输出，但由于传感器输出的电信号均较微弱，所以为了能够推动记录设备，必须对信号进行放大。测振放大器是测试系统中传感器与记录器的中间环节，其输入特性必须满足传感器的要求，而其输出特性又必须与记录仪器相匹配。压电式加速度传感器，其输出电信号必须进行预放大再输入放大器，因为压电式加速度传感器是一个能产生电荷的高内阻发电元件，但由于产生的电荷的总量级较小，难以直接传输；同时，一般测量仪器的输入阻抗不可能很高，此微弱电荷又极易在测量电路的输入电阻上被释放掉，所以要求连接压电式加速度传感器的测量或放大装置(如电压放大器或电荷放大器)必须有较高的输入阻抗，并且将压电式加速度传感器的高输出阻抗变换为低输出阻抗，以便与主放大器连接。由于这类预放大装置都是作为测量系统的前级放大，故统称为前置放大器。测振放大器除了有放大作用外，常兼有积分、微分和滤波等功能。
根据振动测试的目的和要求，可以把经过放大的电信号直接输入指示记录仪器，将振动的时间历程记录显示出来；也可以把该信号先输入到分析仪器进行必要的参数统计分析，如频谱分析、相关分析及功率谱分析等，然后再记录显示。
(2)测试系统与测试仪器的选择
在振动加速度测试中合理选择测振仪器与测试系统十分重要，选择不当往往会得出错误的结果。这里主要考虑以下几个方面。
① 频率范围。根据被测对象振动的频率范围确定各测试环节(振动传感器、前置放大器、主放大器及指示记录仪器等)的频率响应特性。选用加速度传感器时，传感器固有频率应该是被测振动信号中最高频率的3～5倍，其他各测试环节中，不同的测试仪器其频率响应特性不同，可以测量的频率范围也不一样，选择仪器时应注意。相位有要求的测试项目(如作虚实频频谱、幅相图、振型等测量)，除了应该注意传感器的相频特性外，还要注意放大器，特别是带微积分网络的放大器的相频特性和测试系统中所有其他仪器的相频特性，因为所测得的激励和响应之间的相位已包括了测试系统中所有仪器的相移。
② 振级大小和测试精度要求。根据被测振动幅值的最大值和最小值确定各环节的动态范围，并确定各环节及总的测试精度；不能片面选用高灵敏度的仪器，加速度传感器灵敏度随质量块的增大而增大。但是其固有频率却随之降低，这就意味着使用上限频率的降低，对试件而言附加质量也增大了。此外，仪器的灵敏度越高，量程范围也越小，抗干扰能力越差，选用时应特别注意。
③ 试件质量与刚度大小。以此确定传感器型式、质量及有关固定方法。
④ 测试环境。如温度、湿度等，以此确定传感器的装配方法及系统接地等。
此外，还应该考虑测试系统内各个环节之间的配合关系，包括各环节间的阻抗匹配关系、灵敏度匹配关系、测试精度匹配关系等。
