4. 加速度计与应变片测量基础

航天器振动测试中，传感器是把机械量转换为可记录电信号的第一道关口。加速度计负责捕捉结构在宽带随机、正弦扫频和瞬态冲击下的运动响应，应变片则用于测量局部结构的动态变形与应力。理解它们的物理原理、安装方式、组桥规则以及灵敏度、量程、频响和校准方法，是判断"测到的数据是否可信"的前提。

一、三类加速度计的物理原理与适用边界

压电式加速度计基于压电晶体的正压电效应：质量块在加速度作用下对压电片施加惯性力，晶体表面产生与加速度成正比的电荷 Q = d·F = d·m·a，其中 d 为压电常数。它自带电荷输出，需配电荷放大器或 IEPE 恒流源供电。特点是频响宽（典型 0.5 Hz～10 kHz）、动态范围大、体积小、耐高温，但无法真正测量 0 Hz 的静态加速度，低频受放大器时间常数限制。

压阻式加速度计采用 MEMS 悬臂梁或双端固支梁结构，梁根部扩散压敏电阻并组成惠斯通电桥。加速度使梁弯曲，电阻变化经电桥转为电压输出。它可测量直流加速度（含重力分量），适合低频与准静态测量，但灵敏度通常低于压电式，且对温度较敏感，需要温度补偿。

电容式加速度计利用质量块位移改变差分电容 ΔC/C₀ = Δd/d₀，通过电容检测电路输出。其灵敏度高、噪声低、温漂小，广泛用于低量级、低频振动与微振动测量，但量程相对有限，接口电路较复杂。

二、应变片粘贴与组桥

应变片的核心是敏感栅随构件表面变形而改变电阻，ΔR/R = K·ε，K 为灵敏系数（康铜箔式约 2.0～2.2）。粘贴质量直接决定测量成败，标准流程为：打磨→清洁→划线定位→涂胶→加压固化→贴端子→焊接引线→涂防护层。胶层应薄而均匀，避免气泡与局部脱粘；引线需固定，防止振动中拉扯敏感栅。

组桥方式决定输出灵敏度与温度补偿能力。设单臂应变引起的相对电阻变化为 ΔR/R，电桥输出近似为：

单臂（1/4桥）：Uo ≈ (U/4)·(ΔR/R)
半桥（相邻两臂反向应变）：Uo ≈ (U/2)·(ΔR/R)
全桥（四臂两两反向）：Uo ≈ U·(ΔR/R)

因此全桥灵敏度最高，且能自动补偿温度与轴向拉压的共模分量。航天器结构应变测量中，弯曲应变常用上下表面各贴一片组成半桥；拉压应变常用工作片加温度补偿片组成半桥；需要最高信噪比时采用全桥。桥路必须与应变仪桥盒匹配，注意桥压、桥臂电阻（常见 120 Ω、350 Ω）和引线电阻补偿。

三、灵敏度、量程与频响

灵敏度是输出与输入的比值。压电式加速度计标称灵敏度单位为 mV/g 或 pC/g，典型值 10～100 mV/g；应变片灵敏度以灵敏系数 K 表示，配合桥路后整体输出为 μV/με。灵敏度越高，可分辨的微小振动越小，但量程往往越低。

量程指传感器线性输出的上限。压电式受限于晶体非线性与放大器饱和，压阻/电容式受限于梁的位移极限。航天器试验中，整星低频段加速度可能仅 0.01 g，而火工品冲击可达数千 g，必须按测点预期量级分别选型，避免"小信号用大量程"导致信噪比恶化。

频响由传感器安装谐振频率 fₙ 决定。工程上要求测量上限不超过 fₙ 的 1/3～1/5，以保证幅值误差小于 5%。安装方式显著影响 fₙ：钢螺栓安装可达 30 kHz 以上，磁座约 2～5 kHz，双面胶带仅 1～2 kHz。应变片的频响主要受胶层与引线影响，动态应变测量中胶层越薄、引线越短，高频响应越好。

四、校准方法

加速度计常用校准方法有三类：背靠背比较法——将标准加速度计与被校传感器刚性背靠背安装在同一振动台上，比较两者输出，得到灵敏度与频响曲线，这是最常用的宽带校准方法；绝对法（激光干涉法）——用激光干涉仪直接测量振动台位移，作为绝对基准，精度最高，用于标准传递；冲击校准——用落锤或摆锤产生已知冲击，适合高 g 值传感器校准。

应变片校准通常采用等强度梁标定：在已知弹性模量 E 和截面尺寸的等强度梁上粘贴应变片，施加已知载荷 F，理论应变 ε = 6FL/(Ebh²)，与应变仪读数比较，得到系统灵敏度与线性度。校准应在与实际测量相同的桥路、桥压和导线条件下进行。

五、工程选型与安装检查要点

• 按测点预期频率范围选择传感器类型，确保测量上限低于安装谐振频率的 1/3。
• 按预期加速度量级选择量程，使最大信号落在满量程的 30%～80%，兼顾信噪比与线性度。
• 应变片粘贴后测量绝缘电阻（通常要求 >100 MΩ），并检查零点漂移。
• 组桥时确认桥臂电阻匹配、引线电阻补偿，半桥/全桥注意工作片与补偿片的应变符号关系。
• 加速度计安装面应平整、清洁，螺栓扭矩按厂家规定，避免引入安装谐振与非线性。
• 所有传感器编号、位置、灵敏度、校准日期应记录在测点清单中，与数据采集通道一一对应。

传感器与应变片是振动测试链路的起点，其原理理解、安装质量和校准状态共同决定了后续数据处理的可靠性。只有在灵敏度、量程、频响和校准四个维度都匹配试验需求时，测得的加速度与应变才具备工程判读价值。