压阻加速度计校准及注意事项
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摘 要 加速度计是汽车安全系统及其关键的一种传感器。本文简要阐述压阻加速度计的结构和振动比较法校准压阻加速度计的原理，分析校准环境及加速度计安装方式对校准结果的影响，并提出解决方法。
关键词 加速度计；压阻式；振动比较法
中图分类号 U46 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2014）119-0200-02
0 引言
随着国内汽车销量的扩大，车辆安全越来越受到用户的关注。广泛应用于汽车安全气囊、牵引力控制系统等安全系统的加速度传感器对保障用户安全发挥了重要作用。因此加速度计的校准准确与否直接关系到相关车辆安全系统的正常运行。本文介绍了加速度计的振动比较法校准，并就其校准过程中的注意事项做简要分析。
1 压阻加速度计的校准方法
1.1 压阻加速度计原理
压阻加速度计是利用半导体材料的压阻效应将被测量变化转换成该材料受机械力产生的电阻变化的传感器。
压阻加速度计采用单晶硅作悬臂梁，在其近根部扩散四个电阻。当传感器装在被测物体上随之运动时，悬臂梁的自由端的质量块受到加速度作用，质量块产生力作用在梁上，形成弯矩和应力，使电阻值发生变化。
电阻相对变化与加速度成正比。由四个电阻组成的电桥将产生与加速度成正比例电压输出[1]。压阻加速度计内部结构如图1所示。
1.2 振动比较法校准
压阻加速度计校准依据GB/T 20485.21-2007 《振动与冲击传感器校准方法第21部分：振动比较法校准》。
将被校传感器被校面与参考标准加速度计刚性地连接在一起，安装在校准振动台的台面上，采用同样加速度激励它们。参考传感器应经绝对校准方法校准。通过比较两只传感器的输出之间的关系求出被校传感器的技术性能。校准原理如图2所示。
在参考频率点确定传感器的灵敏度。对于加速度计，首选160Hz（第二选择为80Hz），参考加速度值首选100m/s2（其他选择为10m/s2、20m/s2或50m/s2），然后再确定其他校准频率点和加速度值下的灵敏度。该结果将以参考点灵敏度的绝对值或相对偏差和度的偏差来表示。
2 加速度计的校准注意事项
加速度计的校准结果受环境和安装方式等因素影响，如温湿度、温湿度变化梯度、加速度计安装位置、连接介质。以下简要分析加速度计校准结果影响因素及解决方法。
2.1 校准环境
校准常常需要在对加速度计有特殊要求的环境中进行，以最大限度消除所有环境因素对加速度计校准的影响。
2.1.1 温度范围
由于半导体的温度特性，决定了压阻加速度计存在一定程度的温度漂移，因此环境温度会对传感器的灵敏度产生影响。图3所示为ENDEVCO某型压阻加速度计的灵敏度偏差与温度的关系[2]，可见温度在24℃附近，灵敏度偏差接近零。要求校准环境温度设置在23±5℃。
2.1.2 温度瞬变
加速度计从较高或较低的温度回到校准温度时，灵敏度会产生变化，故要求加速度计在校准室内等温数小时。
2.1.3 相对湿度
加速度计一般都具有外壳做为密封结构，可以使加速度计有效地与湿度作用隔离。故对校准环境湿度要求在75%以下即可。
2.2 加速度计的安装
振动比较法采用被校加速度计与参考加速度计“背靠背”的安装方式，如图4所示。也可以将参考加速度计安装在固定装置的下面，与被校加速度计成一直线。由于存在多种被校加速度计与参考加速度计的“连接”方法，不同的方法对加速度计的频率范围和动态性能的产生影响，为了精确的校准加速度计，安装时必须确保：
1） 加速度计的安装不能限制有用频率和动态范围；
2）安装方式须保证校准结果良好的重复性；
常用的“连接”方法有使用专用夹具、蜂蜡、双面胶、强力胶等。分别采用上述方法，对ENDEVCO的压阻加速度计在20Hz～1600Hz内进行定频校准（如图5所示）。
从图5中可以看出：四种方法在低频 （20Hz～160Hz）时，其频响特征相似。随着频率的增加，双面胶的最大允许误差迅速增大，数值明显失真；其余三种连接方法最大允差增加平缓，强力胶的最大允差稍大于蜂蜡和专用夹具。
由此可知，使用专用夹具对校准结果的影响最小，而双面胶不适用于频率160Hz以上的校准。而专用夹具（见图6）还具有安装方便、再现性好的优点，在同型号大批量校准时，效率较高。
3 结论
综上所述，采用振动比较法校准加速度计时，应按照校准要求设置环境条件，温度为23±5℃，湿度不大于75%，充分考虑其余环境条件对校准结果的影响，尤其要注意加速度计的安装方式，既要选择对校准结果影响最小的方式，又要考虑在批量校准时的效率，推荐使用专用夹具，没有夹具时，可使用蜂蜡。
参考文献
[1]沈莉，沈自伟，赵敬月等.汽车碰撞试验用多轴压阻加速度传感器介绍及校准方法[J].上海计量测试，2011（2）：30.
[2]全国机械振动与冲击标准化技术委员会.GB/T 20485.21-2007[S].北京：中国标准出版社，2007.
[3]D.E.Lovelace，Development And Application Of A Piezoresistive Strain Gage Accelerometer.Endevco Tech Paper TP220：3.
[4]潘良明，刘立群.压电加速度计校准时不同安装方式的比较[J].上海计量测试，2013（6）：17.