介绍
本文主要回顾一下当前加速度测量的一些热点问题.确信无疑，在实验室或现场对加速度计进行校准才能保证测量是准确的。当然选择合适的配套电子设备也是必要的。也许整个测试过程中最简单的事情就是得到精确的加速度计及电子设备。当安装这些仪器设备时，必须小心谨慎，这样才能保证可靠地机械及电气连接。同样重要的就是需要考虑不利环境带来的负面影响。当仪器设备制造商及测试工程师足够仔细的考虑这些因素时，冲击及振动测量就是某种程度的日常工作，而且测量过程也不会出现一些不必要的误差。
加速度计校准
大部分实验室校准是使用正弦振动或冲击运动等机械激励方式施加于加速度计并测量电信号输出。通常现场校准是把电信号施加于加速度计并测量电信号输出。
灵敏度及频率响应
现在例行的校准都是在正弦振动校准激励下，频率范围5Hz~10000Hz内通过比较方式进行。
为了避免冲击及振动测量过程中出现不必要的误差，每个加速度计必须在它期望使用的频率范围内定期校准。校准间隔应该不要超过1年。如果有理由相信加速度计在超过它的温度范围或加速度范围使用过那么，那么加速度计应该进行更加频繁的定期校准。灵敏度及频率响应校准是在1g和10g的单一加速度下进行。通常，校准已经足够用来验证加速度计的性能特性没有变化或加速度计处于比较好的工作状态。
校准是在完全相同的运动激励下，把被测加速度计的输出和标准加速度计的输出进行比较。使用这种方式，可以确定被测加速度计的灵敏度及频率响应，在900Hz以下估计误差±1.5%，900Hz以上估计误差±2.5%。
图1
使用锆钛酸铅晶体加速度计的电压及电荷频率响应曲线如上所示。加速度计的电荷频率响应在高频区域几乎是平坦的，并没有出现因为加速度计共振而上升的现象。
使用石英P-2和晶体P-10的加速度计的电压及电荷频率响应曲线是完全一样的，在1/5共振频率之前的所用频率点的电压及电荷灵敏度是恒定的，在这里灵敏度增加了4%。另一方面，使用锆钛酸铅晶体的压电加速度计只有在使用电压放大器才会有这个特性，见图1。使用电荷放大器时，频率响应有一特性，它的灵敏度会随着频率的上升而下降。这个特性在改善高频响应时有一优势，因为电荷的高频响应的下降特性趋于抵消加速度计因为共振频率导致灵敏度的上升。这中合并的效果可以延长它的可用频率范围，在这个频率范围内，加速度计的灵敏度是恒定的。频率响应曲线同样显示了另外一个特性，就是电荷灵敏度在低频频率点也有所增加，见图1。因此，为了避免不必要的校准误差，如果电荷灵敏度是从电压灵敏度计算出来的，那么在测试电压灵敏度的同样频率点测量加速度计的电容值是必要的，反之亦然。这是因为采用锆钛酸铅晶体的加速度计的电荷灵敏度及电容值都是随着频率的升高而降低。
除了灵敏度及频率响应校准，加速度计用户还需要某些其它校准。这些校准包括横向灵敏度，温度响应及幅值线性度校准。
温度响应及幅值线性度
温度响应校准是在单一频率及单一加速度下，在计划使用的温度范围内改变温度进行的。这个校准规则适用于压电加速度计及内部阻尼率小于临界阻尼值0.1的压阻加速度计。如果压阻加速度计的阻尼率超过临界值0.1，那么温度响应校准就必须在计划使用的频率范围内及单一加速度下进行。
压电加速度计的温度响应仅在单一频率下校准是因为它的阻尼率及共振频率在极端温度下不发生改变。压电加速度计的这个表征现象可以在实验室实验验证。压电加速度计具备这些特性对我们来说是非常幸运的；否则，进行不同频率点的例行温度响应校准是非常昂贵的。不仅仅这些联合校准所需的设备昂贵，而且进行这些校准所需要的时间也是相当多，特别是为了保证校准不出现过多的误差而花费长时间的谨慎操作。
和温度响应类似，对于压电加速度计的幅值线性度校准只需在单一频率点下进行。频率点必须小于加速度计共振频率的1/5。校准的频率点通常取决于测试设备的极限值。大部分的正弦振动幅值线性度校准的加速度值可以进行到100g。尽管使用一些特殊设备，可以使正弦幅值线性度校准在更高的加速度值下进行，但是在超过100g情况下，冲击校准更加实用。（参见以下章节。）
我们有温度响应及幅值线性度校准相关设施可作为校准服务提供，没有必要所有的实验室都可以进行这些校准。
横向灵敏度
横向灵敏度校准是在加速度计的可用频率范围内的某一频率点进行例行校准。当加速度计在垂直感应灵敏轴的平面被进行直线往复振动时，压电加速度计的输出取决于平面内振动方向的角度位置。见图2.
图2
压电加速度计绕着它的感应灵敏轴旋转时，横向灵敏度的变化曲线
图3
(a) 由于水平空气轴承振动台的横向运动引起的加速度计2224C(S/N:GA37)的横向灵敏度曲线；
(b) 2223-6（S/N:D671）加速度计的横向灵敏度曲线
加速度计的横向灵敏度几乎是恒定的，除了在某些频率点，振动台出现过多的横向运动。
当加速度计绕着它的感应敏感轴旋转时，横向灵敏度的变化曲线可以描述成正弦曲线。这个曲线的最大数值就是横向灵敏度。
图2所示加速度计的横向灵敏度小于0.5%。它在评估电动振动台是否合适测量其它加速度计的横向灵敏度时非常有用。图3（a）显示一个这种评估结果。除了振动台的共振频率点500Hz及1100Hz附近外振动台的横向运动小于1%。这个振动台不建议在3000Hz以上频率使用，因为它在4500Hz频率出现显著的共振。
图3（a）同样也显示了这个加速度计的横向灵敏度在不同频率点是恒定，在图2中可以看出它的横向灵敏度小于0.5%。另外一支加速度计的测试结果如图3所示更加清楚地显示这个特点。特意选择了一支高横向灵敏度的加速度计，非常适合用来实验性地验证横向灵敏度的频率恒定特性。这支加速度计的横向灵敏度在振动台的可用频率范围3000Hz之前的所有频率点都是恒定的数值接近5%。这个加速度计的横向灵敏度曲线的异常点同样发生在振动台的共振频率点，见图3（a）。
冲击校准
使用在冲击测试应用的加速度计应该通过冲击运动激励来校准。例外的情况就是当冲击运动测试的加速度没有超过加速度计正弦振动校准所用的加速度值而且冲击运动的频率分量在加速度计正弦振动校准的频率响应之内。这种情况出现在比如冲击运动测量的加速度值只到100g。针对某种型号的加速度计，只需要对一个产品进行冲击校准。如果制造控制过程比较好地保持，那么某一型号的所有加速度计的性能应该是一样的。冲击校准应该在计划使用的加速度范围内进行。通常使用的冲击台都会产生短时间的脉冲。这种冲击有一个优势，它包含相当的高频分量可以实验性地验证加速度计的性能，如果它的共振频率点存在这个高频分量可以激发加速度计的共振频率响应。
现场校准
尽管实验室校准是把机械激励施加到加速度计来完成，但是大部分现场校准是通过电激励来进行的。两种电激励方式会用到。
电激励是在加速度计的晶体串联一个电阻。使用一个电阻是因为施加在电阻的交流电压会使加速度计产生一定的输出。为了计算方便，选择的电阻值可以产生一个相当数值的加速度，比如，在和加速度计一起使用的放大器输出端输出100g的加速度值。进行全系统的校准有一优势它可以验证整个电路系统的完整性。这个校准不仅保证了不同的加速度计及放大器之间没有误接，同样可以检测加速度计或加速度计和放大器之间没有短路或开路。这种校准实质来说是被动的，晶体没有被机械激励而且加速度计的振动灵敏度没有验证。然而，它对晶体施加了一个电压，可以检测到电容值的任何变化。这是一个可靠的现场校准程序，因为很少出现加速度计在电容值不变的情况下灵敏度发生变化的情况。
另外一种可靠的现场校准是通过设计加速度计提供一个主动的内部激励来进行的。传感器可以通过加速度计内部额外的压电晶体作为力激励源来机械性地激励压电晶体。电压会施加到作为力激励源的晶体。电压导致这个晶体的尺寸变化从而产生力作用于传感器感应晶体使它的尺寸也产生变化。这种加速度计设计它可以在力激励源晶体施加一定的电压从而使加速度计产生一个预选加速度值的相应电压或电荷输出。这种类型的现场校准可以验证加速度计的振动灵敏度没有变化。它同样进行了所有电路完整性的检查，如上面描述的被动校准所检测的内容。
放大器
过去，仅仅电压放大器及阴极跟踪器可以用来配套压电加速度计。使用这种仪器时很难达到足够的低频响应来满足某些应用。阴极跟踪器的低频性能仅仅取决于单位为赫兹的频率乘以阴极跟踪器的输入电阻（单位为欧姆）乘以加速度计的电容值（单位为法拉）。只有当FRC乘积值等于或大于1时，频率响应才比较平坦。当在某些频率点它的FRC这个乘积值小于1时，频率响应会减少。比如，当FRC值接近0.16时，它的频率响应就下降了3dB。
使用电压放大器时，同样需要考虑这个FRC乘积值。然而，通常这个乘积值只在低于电压放大器本身的低频截止频率时才会小于1。这种情况下，电压放大器的低频响应性能就是一个决定性的因素。很重要的一点就是频率响应下降3dB的该频率点是足够满足要求的低频点，不管它是因为电压放大器或者是FRC乘积值导致频率响应下降3dB。例如，在冲击运动应用中，下降3dB的该频率倒数的数值必须大于冲击运动脉冲宽度。
低于50Hz的正弦及随机振动测量时，了解电压放大器及阴极跟踪器的低频性能非常重要。当使用低电容值的加速度计时，阴极跟踪器在低频响应会急速下落。
电压放大器及阴极跟踪器除了低频响应问题之外，还有必要确定因为电缆长度改变而引起的灵敏度变化。输出会因为和加速度计并联的电容值增加而减少。当电缆长度改变时，有必要计算新的灵敏度或重新校准加速度计。
如果必须使用电压放大器系统，一个非常好的惯例就是校准加速度计的灵敏度及频率响应时使用该振动及冲击测试应用实际所使用的电缆和放大器。
事实上，使用电压放大器及阴极跟踪器来放大压电加速度计的缺点，在使用电荷放大器时都可以消除。无论使用什么电缆，电荷放大器的输出都会保持不变。电缆长度可以长到1英里。电缆可以随意替换而不用进行计算或校准。此外，使用电荷放大器时更加容易获得预期的低频响应。电荷放大器的低频响应可以到一个很低的预选截止频率点，从5Hz到小于1Hz的范围。根据冲击及振动测试应用的要求来决定如何选择加速度计的低频响应。一个非常好的惯例就是选择低频截止点时要考虑周到。如果低频截止频率点小于1Hz，测量误差有可能是加速度计的热电效应产生的输出，参见以下章节。
环境因素
为了保证加速度测量的准确性，必须考虑一定的环境影响。这些环境因素包括温度瞬变，安装条件及冲击测试应用中出现的共振频率激励。
温度瞬变
压电加速度计有一个特性，当晶体的温度发生变化时它会产生输出。几乎在所有的测试应用中，加速度计的温度都是在几秒或几分钟的周期内逐步发生变化。因此，热电效应产生的输出没法被检测，因为大部分放大器并没有足够的低频响应性能来检测这个缓慢变化的热电输出。热电输出信号仅仅包含了相当低的低频分量，通常小于1Hz。然而，如果放大器可以通过这些低频信号或者这些热电输出足够大到可以使放大器过载，那么就必须考虑这些热电输出信号，因此在热电输出信号出现的这段时间要使放大器不起作用。压电晶体的这个热电输出特性是众所周知，任何具体的加速度计-放大器组合在特定温度条件下的热电输出是可以实验性地确定大小。
总共有3种类型的热电输出。主要型热电输出是因为通过晶体的均匀温度发生变化产生的电荷。次要型热电输出是因为晶体均匀温度变化引起晶体尺寸变化产生的压电电荷。第三位的热电输出是因为晶体的温度梯度产生的晶体压电输出。当晶体被约束防止尺寸变化的情况下才会出现单纯的主要型热电输出。相反地，当晶体没有被约束的情况下，会出现单纯的次要型及第三位热电输出。主要型热电输出仅出现在垂直于晶体极化方向的晶体表面。反之，次要型及第三位热电输出出现在晶体的电极表面，无论它的极化方向。剪切型加速度计设计使电极表面不在晶体极化的方向，因此，剪切型加速度计不会产生主要型热电输出，通常来讲它受温度变化产生的影响要小于产生热电输出的压缩型加速度计。所有的陶瓷晶体产生次要型热电输出。然而P-2晶体（石英）仅仅产生第三位热电输出。因此，放大器设计使用低于1Hz频率的测试中应优先使用石英型加速度计。在测试相当长脉宽的冲击运动测试应用中需要这类放大器。在大部分的冲击及振动测试应用中，常用到低频截止频率点接近或高于3Hz的放大器，它们不会出现因为热电输出产生的误差。
安装条件
测试加速度计的共振频率时，通常使用坚固钢质螺钉它使加速度计的基座和测试结构的安装表面直接连接。当加速度计基座和测试结构的安装表面之间使用绝缘安装螺钉或坚硬的辅助夹具连接时，它的共振频率会降低。共振频率大约降低15%。由于大部分加速度计的共振频率接近或超过30KHz，所有共振频率的这个变化并没有显著地影响低于5KHz的频率响应。当冲击及振动测试的频率分量超过5KHz时，校准加速度计的频率响应时，应该使用测试中实际的螺钉或夹具。此外，注意要尽量避免使用任何夹具除非它是坚硬的。
当加速度计或测试结构的安装表面出现很大的应力时，加速度计的外壳会明显得变形。这些应力有可能是机械负载或不均匀温度产生的。这些应力对加速度计性能的影响是使用振动的横梁来得到的，它的曲率半径为1000英寸，弯曲应力为250微英寸/英寸。这些测试条件是在美国标准协会和美国仪表协会中的一个标准。大部分的剪切型加速度计的应变灵敏度是相当小的，在大部分的测试应用中，安装应力的影响可以忽略。压缩型加速度计的应力灵敏度有时是非常明显的。高性能的加速度计比如相当高共振频率计相当高加速度值的加速度计通常比其它加速度计更容易受应力环境的影响。测试应用中当测试结构的静态或动态表面应力接近或超过250微英寸/英寸，可以考虑使用绝缘安装螺钉或坚固的夹具作为应力过滤器。这个预防措施仅仅在某些使用高性能加速度计测量低加速度值应用中考虑使用。针对这种应用更好的解决方案就是选择高振动灵敏度同时低应力灵敏度的加速度计。
共振频率激励
加速度值从10000g~100000g的冲击测试应用中的加速度计对设计要求非常苛刻。这些高加速度值冲击的脉宽是相当短的。此外，脉冲的上升时间经常小于5µs。这个冲击运动可以激发测试结构的共振频率从而产生高加速度值振动运动。这个振动运动可能发生在接近加速度计共振频率的频率点。由于加速度计是弱阻尼，因为测试结构这个振动运动产生的输出可能大于冲击运动的输出。经验指出在这些测试环境下，有时加速度计的输出在冲击运动结束后不能归零。零点漂移的原因起源于加速度计。测试加速度值接近或超过50000g的应用中要完全消除这个问题还需要额外的研究与研发。通常10000g加速度的测试可以通过选择合适的加速度计来避免这些误差。冲击测试应用优先选择低灵敏度加速度计。
声学灵敏度
声场对压电加速度计的影响在Peters 的那些记录中有详细讨论。有些加速度计的设计已经被废弃了，但是还有在使用的，它们在声压接近180db的水平时有非常显著的输出。然而，最近几年的大部分加速度计的声场响应都是非常小的。方便实用的目的，大部分声场引起的输出可以忽略。
很早之前压电加速度计声场响应测试取得的实验数据其实包含了施加在加速度计上的加速度产生的输出。最近在混响室进行的测试显示加速度计的实际声场响应比其它测试技术得到的数据小很多。通过把加速度计安装到一个很大质量块同时使用屏蔽声场的另外一个加速度计来修正残余的加速度输出这样来最小化加速度带来的影响。这个测试技术可以在3000Hz频率之前得到实际的加速度计声场响应。在更高频率点，测试结果表明声场响应输出大于理论预测值。然而，声场响应输出对于单端压缩型加速度计及剪切型加速度计来说仍然可以忽略不计，这些加速度计的外壳没有和压电元件没有直接机械连接。Peters指出在加速度计的声场测试中，高频频率点有大的输出是不可避免的。加速度计的声场响应仅在低频点可以更好地通过测试确定，而在高频点通过理论计算确定。
杂散电场
在实验室进行的冲击及振动测试可以消除杂散电场的影响。选择足够灵敏度的加速度计及放大器同时稍加注意避免出现接地回路就可以很容易地避免过多的误差，
在飞行应用中使用的传感器系统指定要求进行常用广播频率干扰测试。为了满足这些规格的要求，只需要注意一下配套放大器的设计。
在许多飞行应用中，更重要的误差是加速度计和放大器之间使用的长电缆或把数据传送到仪表的长电缆带来的。大型导弹及航天器运载火箭的飞行测试中，电缆长度达到100英尺很普遍。在现场测试中使用长电缆也会出现同样的状况。必须注意避免加速度计及放大器安装表面上的杂散电场带来的测量误差。可以通过对电缆和放大器进行合适地接地和屏蔽技巧来最小化这些误差。当然也有必要使用和安装表面电绝缘的加速度计。绝缘安装螺钉也可以成功的解决这个问题。此外，还有一些加速度计内部已经和安装表面电绝缘。为了保持安装表面和加速度计输出端子之间的高电阻，非常有必要使要压电晶体元件和安装表面之间的耦合电容最小。使用信号输出端、信号地线与安装表面之间低电容的加速度计可以使测量误差最小。
机械阻抗
和十年前相比，现在更多实验者正在进行机械阻抗测试。尽管可以通过随机振动或冲击运动激励来进行机械阻抗测量，但是使用正弦振动激励更加简单。不过进行正弦振动测量机械阻抗时，采取一定的预防措施还是很有必要。
必须注意不要改变被测结构的边界条件。现场安装机械阻抗头的测试结构的横切面积及重量必须等于或尽可能大于阻抗头和振动台的组合尺寸及重量。当在高频频率点进行测量时，阻抗头和测试结构之间使用的夹具尽可能小。如果测试结构在2000Hz高频点还表现为一个坚硬的质量块，那么还是避免使用任何夹具。
从机械阻抗头出来的力及加速度输出都是经过过滤的。为了取得经验同时验证大小及相位测量的准确性，在进行实际的机械阻抗测试之前，可以先在小的坚固的质量块上进行测试练习，这是一个很好的惯例。另外值得去做的就是通过测试横梁来验证仪表的动态范围，特别是那些实验者之前没有使用测试系统经验的这种情况。
总结
准确的加速度测量可以通过在实验室周期性地例行正弦振动及冲击运动校准来保证。此外，在比较复杂的测试应用中，如果有可能存在不正确或不可靠的电气连接，那么进行电激励的现场校准是期望的。
在某些测试应用中，有必要考虑一下不利环境带来的影响。温度瞬变和安装条件造成的测量误差可以通过选择合适的加速度计和配套的电子设备来避免。
加速度值接近或超过50000g的冲击测试应用对仪表和加速度计要求非常苛刻。为了使这类测试更加容易还需要更多的研究及研发。对于加速度值低于10000g的冲击测试，可以通过选择合适的仪表和加速度计来避免不必要的测量误差。
尽管随机振动和冲击测试的方法可以测量机械阻抗，但是使用正弦振动激励进行机械阻抗测量更加准确。选择夹具和振动台时要注意避免改变测试结构的边界条件。另外，如果用户之前没有使用阻抗头和配套电子设备的经验，那么测试小的坚固质量块和柔性梁的机械阻抗是一个很好的练习。
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