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針對(duì)溫-濕-振綜合環(huán)境中加速度計(jì)脫落或損壞等問(wèn)題。本文通過(guò)溫、濕度試驗(yàn)結(jié)合振動(dòng)試驗(yàn)篩選出粘貼效果最好的粘貼劑并得到粘貼劑的固化時(shí)間等指標(biāo)；通過(guò)溫-濕-振綜合環(huán)境試驗(yàn)驗(yàn)證了加速度計(jì)安裝方法的可靠性。結(jié)果表明，AB膠-膠木塊-螺釘-加速度計(jì)組合的安裝方式，不需在試件或夾具上打孔，安裝簡(jiǎn)單、便捷，能很好的實(shí)現(xiàn)加速度計(jì)與被測(cè)物體之間的電絕緣，且頻響特性較好，可避免在高低溫或高濕條件下進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)加速度計(jì)發(fā)生脫落或損壞。

 

振動(dòng)試驗(yàn)中對(duì)控制點(diǎn)和監(jiān)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)量值大多是通過(guò)加速度計(jì)采樣而得，該數(shù)值的準(zhǔn)確性和可信性，直接影響到對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的判讀和加速度計(jì)動(dòng)態(tài)性能的評(píng)估。在進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)，加速度計(jì)的安裝大多采用快干膠水固定的方式，但其耐溫性較差，在高低溫試驗(yàn)條件下膠水容易失效，從而發(fā)生加速度計(jì)的脫落；濕度的變換則會(huì)引起測(cè)試電纜與加速度計(jì)接觸電阻、分布電容等參數(shù)的變化，特別是加速度計(jì)本身到接頭的絕緣電阻，會(huì)受潮氣和進(jìn)水而大為降低，從而嚴(yán)重影響測(cè)試結(jié)果。

 

在進(jìn)行溫-濕-振綜合環(huán)境試驗(yàn)中，加速度計(jì)除要承受振動(dòng)的情況外，同時(shí)受到溫、濕度環(huán)境因素的影響，故在復(fù)合環(huán)境試驗(yàn)中對(duì)于加速度計(jì)的安裝提出了新的要求。因此研究加速度計(jì)安裝方式優(yōu)劣和環(huán)境條件（溫濕度）對(duì)加速度計(jì)性能的影響對(duì)實(shí)際測(cè)量、性能指標(biāo)及節(jié)約成本等具有重要意義。

 

加速度計(jì)的原理和使用

 

壓電式加速度計(jì)因其體積小，重量輕、精確度高、抗干擾能力強(qiáng)以及安裝方便等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛采用。壓電加速度計(jì)，是利用壓電敏感元件的正壓電效應(yīng)工作的，即當(dāng)加速度計(jì)受振時(shí)，壓電敏感元件上的質(zhì)量塊產(chǎn)生一個(gè)與加速度成正比的力，壓電敏感元件受此力作用后產(chǎn)生與這一力成正比的電荷信號(hào)，經(jīng)變換器轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)并放大，反饋給振動(dòng)控制儀。壓電加速度計(jì)包括電荷輸出型和電壓輸出型（自帶電荷放大器），電荷輸出型加速度計(jì)將振動(dòng)信號(hào)輸出成電荷值，電壓輸出型加速度計(jì)將振動(dòng)信號(hào)直接輸出成電壓值。

 

在選擇壓電加速度計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)振動(dòng)量級(jí)的大小選擇不同靈敏度的加速度計(jì)，以提高后續(xù)儀器輸入信號(hào)，提高信噪比。加速度計(jì)在被測(cè)表面上的安裝方法很多，以往研究表明，采用螺釘安裝和粘貼劑（如502膠水，AB膠等）固定時(shí)加速度計(jì)諧振頻率高，頻響范圍寬，靈敏度高，可以獲得較高的頻響特性。但很多產(chǎn)品無(wú)法通過(guò)螺釘安裝加速度計(jì)，螺釘安裝方式具有一定的局限性，因此加速度計(jì)的安裝方式仍以粘貼為主。

 

粘貼劑篩選試驗(yàn)

 

通過(guò)溫、濕度試驗(yàn)結(jié)合振動(dòng)試驗(yàn)篩選出粘貼效果最佳的粘貼劑并得到粘貼劑的固化時(shí)間等指標(biāo)，從而得到適用于溫-濕-振綜合環(huán)境試驗(yàn)加速度計(jì)的最佳安裝方法。分別通過(guò)502膠水和AB膠將膠木塊固定在夾具頂部，膠水凝固時(shí)間30min，隨后進(jìn)行表1中四組試驗(yàn)，試驗(yàn)箱內(nèi)溫、濕度穩(wěn)定后保持1h，每組試驗(yàn)結(jié)束后，立即開(kāi)展隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)（總均方根G1=25.33g），觀察加速度計(jì)是否脫落，振動(dòng)試驗(yàn)條件見(jiàn)圖1，試驗(yàn)照片見(jiàn)圖2。膠木塊和夾具連接所用粘結(jié)劑為康達(dá)結(jié)構(gòu)AB膠、卡夫特強(qiáng)力AB膠、得力萬(wàn)能AB膠、北化502膠水，將四個(gè)膠木塊分別編號(hào)為a，b，c，d。

 

表1 粘貼劑篩選試驗(yàn)

 

 

 

  圖1(左)隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)譜形； 圖2(右)粘貼劑篩選試驗(yàn)照片

 

由表1可知，四個(gè)膠木塊在85℃條件下保溫1小時(shí)隨后進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)，通過(guò)得力萬(wàn)能AB膠和夾具連接的膠木塊c發(fā)生脫落，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)束后得力萬(wàn)能AB膠仍未完全凝固，同時(shí)檢查膠木塊a和膠木塊b的膠水均完全凝固。而通過(guò)北化502膠水和夾具連接的膠木塊d也發(fā)生脫落，說(shuō)明在85℃高溫保持一小時(shí)后，北化502膠水的粘貼能力顯著下降，已不能滿(mǎn)足振動(dòng)試驗(yàn)的要求。

 

條件1試驗(yàn)結(jié)束后，將夾具和膠木塊a和b在105℃條件下保溫1小時(shí)隨后進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)，通過(guò)卡夫特強(qiáng)力AB膠和夾具連接的膠木塊b發(fā)生脫落，說(shuō)明在105℃高溫保持1小時(shí)后，卡夫特強(qiáng)力AB膠的粘貼能力顯著下降，已不能滿(mǎn)足振動(dòng)試驗(yàn)的要求。

 

條件2試驗(yàn)結(jié)束后，將夾具和膠木塊a在85℃、90%RH的條件下保持1小時(shí)隨后進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)，通過(guò)康達(dá)結(jié)構(gòu)AB膠和夾具連接的膠木塊a未發(fā)生脫落，膠木塊a在-45℃的條件下保持1小時(shí)隨后進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)，膠木塊a也未脫落。

 

表2 粘貼劑優(yōu)缺點(diǎn)

 

 

綜上所述，在開(kāi)展溫-濕-振綜合環(huán)境試驗(yàn)時(shí)，首先通過(guò)螺釘將加速度計(jì)固定在膠木塊上，然后通過(guò)康達(dá)結(jié)構(gòu)AB膠將膠木塊粘接在待測(cè)物體表面，凝固1小時(shí)后即可開(kāi)展相應(yīng)試驗(yàn)。

 

溫-濕-振綜合環(huán)境試驗(yàn)

 

通過(guò)上文可知，康達(dá)結(jié)構(gòu)AB膠-膠木塊-螺釘-加速度計(jì)組合的安裝方式效果較好，因此我們開(kāi)展了溫-濕-振綜合環(huán)境試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證該方法的可靠性，避免在高低溫或高濕條件下進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)發(fā)生加速度計(jì)脫落或損壞。

 

表3 加速度計(jì)安裝方式

 

 

溫-濕-振綜合環(huán)境試驗(yàn)條件見(jiàn)圖3，共進(jìn)行2個(gè)循環(huán)，試驗(yàn)總時(shí)間約16小時(shí)。

 

 

圖3 溫-濕-振綜合環(huán)境試驗(yàn)條件

 

1）低量級(jí)振級(jí)：在第1次振動(dòng)（5min）、在第2次振動(dòng)（5min）、在第4次振動(dòng)（5min）、在第5次振動(dòng)（8min）、在第6次振動(dòng)（8min）、第7次振動(dòng)（8min）中施加。均方根為21.2g。

 

2）高量級(jí)振級(jí)：在第3次振動(dòng)（3min）、第8次振動(dòng)（3min）中施加。均方根為30.1g。

 

 

圖4 溫-濕-振綜合環(huán)境試驗(yàn)照片

 

 

圖5(上)第1個(gè)循環(huán)中第3次振動(dòng)試驗(yàn)控制曲線(xiàn)；圖6(下)第1個(gè)循環(huán)中第8次振動(dòng)試驗(yàn)響應(yīng)曲線(xiàn)（3#、4#、5#）

 

 

圖7(上)第2個(gè)循環(huán)中第3次振動(dòng)試驗(yàn)控制曲線(xiàn);圖8(下)第2個(gè)循環(huán)中第8次振動(dòng)試驗(yàn)響應(yīng)曲線(xiàn)（3#、4#、5#）

 

 

圖9 第2個(gè)循環(huán)溫、濕度試驗(yàn)曲線(xiàn)（紅線(xiàn)為溫度曲線(xiàn)，綠線(xiàn)為濕度曲線(xiàn)）

 

8次振動(dòng)試驗(yàn)功率譜密度控制曲線(xiàn)，在20Hz~2000Hz范圍內(nèi)允差不超過(guò)±3dB，總均方根值在整個(gè)頻帶內(nèi)與規(guī)定值相差不超過(guò)±1.5dB，符合GJB 150.16A-2009的規(guī)定。由振動(dòng)試驗(yàn)功率譜密度響應(yīng)曲線(xiàn)可以看出，3#、4#和5#加速度計(jì)的響應(yīng)測(cè)量特征幾乎一致，其中3#和4#均通過(guò)密封膠帶對(duì)加速度計(jì)接頭及其引出線(xiàn)進(jìn)行了防潮處理，而5#加速度計(jì)未進(jìn)行防潮處理。由于本次溫-濕-振綜合環(huán)境試驗(yàn)時(shí)間為16小時(shí)，若進(jìn)行16小時(shí)以上綜合試驗(yàn)，建議加速度計(jì)進(jìn)行防潮處理。圖10為振動(dòng)試驗(yàn)響應(yīng)點(diǎn)總均方根（3#、4#、5#），可以看出六次低量級(jí)和兩次高量級(jí)的總均方根波動(dòng)較小，其中4#加速度計(jì)總均方根的標(biāo)準(zhǔn)差最小。

 

 

圖10 振動(dòng)試驗(yàn)響應(yīng)點(diǎn)總均方根（3#、4#、5#）

 

由以上分析可知，在溫-濕-振綜合環(huán)境試驗(yàn)時(shí)，為了排除溫度對(duì)試驗(yàn)中所使用加速度計(jì)的影響，應(yīng)根據(jù)試驗(yàn)要求的具體溫度環(huán)境，選擇符合試驗(yàn)條件的加速度計(jì)（如本次試驗(yàn)所用加速度計(jì)使用溫度范圍：-74~250 ℃），應(yīng)使所選加速度計(jì)的溫度范圍包容試驗(yàn)要求的溫度變化范圍。加速度計(jì)均通過(guò)螺釘（M5）安裝至膠木塊上，螺釘擰緊力矩為3.5 N•m，康達(dá)結(jié)構(gòu)AB膠的凝固時(shí)間為60分鐘，可在-45~105 ℃的環(huán)境下使用，在90%RH的環(huán)境下也能保持較高的粘貼效果。膠木塊和振動(dòng)臺(tái)面的連接可通過(guò)壓板固定，膠木塊和夾具或者受試產(chǎn)品的連接則通過(guò)康達(dá)結(jié)構(gòu)AB膠固定，且加速度計(jì)接頭及其引出線(xiàn)通過(guò)耐高溫膠帶進(jìn)行密封防潮處理。

 

粘貼劑篩選試驗(yàn)

 

1）在溫-濕-振綜合環(huán)境試驗(yàn)中，加速度計(jì)必須進(jìn)行保護(hù)性防潮處理；

 

2）在溫-濕-振綜合環(huán)境試驗(yàn)中，選擇加速度計(jì)的基本原則為：所選加速度計(jì)及接線(xiàn)的工作的溫度范圍應(yīng)包容試驗(yàn)要求的溫度變化范圍；

 

3）目前所用的502膠水只能在常溫下使用，康達(dá)結(jié)構(gòu)AB膠的凝固時(shí)間為60分鐘，可在-45℃~105℃的環(huán)境下使用，在90%RH的環(huán)境下也能保持較好的粘貼效果；

 

4）康達(dá)結(jié)構(gòu)AB膠-膠木塊-螺釘-加速度計(jì)組合的安裝方式，不需在試件或夾具上打孔，安裝簡(jiǎn)單、便捷，能很好的實(shí)現(xiàn)加速度計(jì)與被測(cè)物體之間的電絕緣，且頻響特性較好。

 

引用本文：

 

朱升賀，季曉軍，李曉旭，牛金皓，孫溢，賀海軍，孫浩.溫-濕-振綜合環(huán)境中加速度計(jì)使用方法研究[J].環(huán)境技術(shù)，2021，(S1):82-86.

 

專(zhuān)家簡(jiǎn)介：朱升賀，男，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)榄h(huán)境與可靠性試驗(yàn)技術(shù)。