Endevco技術論文—TP312—加速度計粘接安裝指導

07-20

目的

本文主要介紹幾種加速度計粘接安裝方式以及其優缺點。便於測試工程在特定應用中確定最佳粘接安裝類型。

背景

在許多情況下，要求在不破壞安裝表面的情況下進行加速度計的安裝，如安裝表面無法加工螺紋孔時（由於複合表面材料、結構厚度不夠、安裝面小或多個安裝點導致加速度計隨機移動），此時可以考慮粘接安裝加速度計。

對於給定的環境，如何選擇合適的粘接安裝方式是值得考慮的。因為加速度計的安裝共振頻率取決於耦合的剛度。慎重選擇正確的粘接安裝方式，需要考慮以下因素：加速度計重量、試驗所要求的頻率範圍、預計的加速度幅值和加速度計安裝位置的溫度。本文所考慮的測量類型是正弦振動和隨機振動試驗，而不考慮高衝擊試驗。目前有很多種粘接劑可供工程師選擇用於加速度計的安裝。

常用的粘接安裝主要包括氰基丙烯酸酯瞬干膠、磁座安裝、雙面膠帶安裝、石蠟和熱熔膠。該選擇哪種安裝方式，正是下文所要解答的問題。

本文選用兩個典型的加速度計：Endevco 751-100型加速度計和2226C型加速度計在上述所述的五種安裝方式下進行正弦振動測試。該試驗是在溫度可控的實驗室中進行，在改變加速度計使用溫度前先在室溫下測量加速度計的響應。加速度計所在的試驗箱中的溫度是由熱電偶實時監測的。

安裝建議

當採用粘接安裝的方式進行加速度計安裝時，為了獲得理想的頻率響應，要特別注意粘接劑的量，也就是厚度。粘接劑形成的膜越薄，傳遞率越高，頻響範圍越寬。安裝加速度計前，需要用烴類溶劑如Loctite? X-NMS將安裝表面弄乾凈。多數情況下，使用氰基丙烯酸酯瞬干膠、雙面膠帶和石蠟，很容易使厚度均勻，得到滿意的試驗結果。而使用熱熔膠時要額外的小心，因為熱熔膠固化時間非常短。然而在某些特殊應用中，熱熔膠快速方便的特性使其成為最佳選擇。

Endevco 751-100型和2226C型加速度計是最有代表性的通用型加速度計，751-100型加速度計重量僅為7.8克，在高頻振動台上測得其平坦的頻率響應範圍：1~15k Hz（±5%）；2226C型加速度計重量僅為2.8克，使用氰基丙烯酸酯瞬干膠安裝在高頻振動台上測得其頻率響應範圍是：1~5k Hz。751-100型和2226C型加速度計的幅頻響應曲線如圖1所示。

圖1（a）751-100幅頻響應曲線

圖1（b）2226C幅頻響應曲線

幾種粘接安裝方式的具體評估

基丙烯酸酯瞬干膠

Endevco試驗結果表明對於質量不大於10克的加速度計，基丙烯酸酯瞬干膠是最好的粘接安裝方式。對於751-100型和2226C型加速度計，使用基丙烯酸酯瞬干膠最佳使用溫度是-18 °C ~ 121 °C。基丙烯酸酯瞬干膠也可在高於 121 °C溫度以上使用，最高溫度為 177 °C。基丙烯酸酯是由液態單體聚合形成硬塑料。這種硬塑料可以粘附在金屬、橡膠、玻璃和多種塑料材料上。基丙烯酸酯層越薄，固化時間越短。一般來說，對於鋁合金或不鏽鋼外殼的加速度計，推薦使用甲基基丙烯酸酯瞬干膠，這種粘接劑可以將金屬和玻璃很好的粘接在一起。對於某些特殊的表面材料，不能確定是否可以使用基丙烯酸酯瞬干膠時，最好單獨地進行取樣測試。

優點

室溫固化

固化時間短（瞬間）

頻率響應範圍寬、溫度範圍寬

缺點

拆卸加速度計前需要溶劑（Loctite? X-NMS或其他類似產品）對安裝面軟化

拆卸加速度計和清理安裝面非常耗時

不宜在粗糙表面使用

石蠟

在低溫環境使用時，石蠟是一個非常好的粘接劑。與基丙烯酸酯類似，隨著使用溫度的降低，平坦頻率範圍增加。

建議

需要注意的是，在光滑的鋼表面使用時，石蠟最大的粘接強度約為15 psi。因此對於重量不大於100克，安裝面積為5/8英寸的加速度計，其振動幅值最高約為20 g峰值。石蠟的厚度必須小於等於1/8英寸，最好小於等於1/10英寸。可以根據公式1確定使用石蠟安裝時的加速度計安裝共振頻率。

公式 1

其中 fn為加速度計安裝共振頻率，單位Hz

A為加速度計的石蠟安裝面積，單位平方英寸

t為石蠟厚度，單位英寸

E石蠟的彈性模量，單位psi*

W加速度計重量，單位鎊

*約為5X10⁴ psi，隨著此數據可能會隨石蠟硬化而改變。

優點

易於使用

存儲方便

方便迅速，不需固化

加速度計拆卸方便（無需溶劑）

缺點

有限的溫度上限

有限的幅值範圍

可用的頻率上限下降

Blanchard 7036蠟

另一種可選的粘接劑是強力Blanchard 7036蠟（J.H. Young Company, Inc.產品）。這種粘接劑在將粘接安裝的加速度計安裝到螺釘適配器如Endevco 2988上時經常用到。通常由於多種原因會用到螺釘適配器，比如在感測器校準過程中獲得可重複的結果。

在高振級測試中，這種粘接劑具有出色的傳遞性和牢固性。其最高使用溫度約為70 °C。當溫度高於70 °C時，蠟開始變軟，從而降低頻率響應。

使用時最好將適配器放在加熱盤上加熱到200 °C，當7036蠟軟化時粘接加速度計，然後粘接劑固化。

Blanchard7036蠟可以用於永久安裝。加速度計拆卸時需要使用丙酮。

雙面膠帶

與基丙烯酸酯瞬干膠類似，雙面膠帶也具有很寬的溫度範圍。例如對於Endevco 751-100型加速度計，工作溫度範圍為-18 °C ~ 93 °C。Endevco 751-100型加速度計在 93 °C時頻率響應平直到4 kHz。

優點

使用和移除簡單方便

寬溫度範圍

缺點

有限的幅值範圍

由於電纜運動限制頂端出現加速度計或大尺寸加速度計的使用

熱熔膠

熱熔膠使用溫度是-18 °C ~ 93 °C，溫度高於93 °C時，熱熔膠的剛度大大降低，嚴重影響頻率響應。與其他粘接安裝方式相比較，使用熱熔膠粘接安裝時更要注意，尤其是在高頻應用中。對於頻率響應在2 kHz以下的應用沒有影響。像其他多數粘接劑，熱熔膠頻率響應隨著使用溫度的降低而增加。目前熱熔膠粘接變為越來越常用的一種方式，它可以用於多種材料，且加速度計可輕鬆拆卸。使用熱熔膠噴射槍可以在狹小空間對加速度計進行安裝。

優點

使用方便

固化時間短、移除簡單

缺點

固化時間極短，需要特別的謹慎操作確保良好粘接和預期的頻率響應

不可在高於93 °C溫度使用

磁座

使用磁座對加速度計進行安裝方便簡單，但是降低了感測器頻率響應。磁座安裝不受環境的影響，但是大大地降低了共振頻率。磁座安裝只適用於部分材料。對於751-100型加速度計，使用螺釘安裝時頻率響應可平直到15 kHz，使用磁座安裝時頻率響應可平直到3.4 kHz。因此，磁座安裝應該僅用於低頻試驗。一般重量大於50克的加速度計可使用磁座安裝，因為這些感測器一般具有較高靈敏度和較窄帶寬，由磁座安裝導致的共振頻率降低可忽略。同時注意磁座的重量可能與加速度計重量接近，防止由質量負載帶來的測量誤差。

優點

使用方便

溫度範圍寬

安裝牢固

尺寸可選

缺點

帶寬減小

將加速度計或磁座靠近安裝表面時需額外小心

注意

當安裝有加速度計的磁座與硬的安裝表面直接結合在一起時，可能會損壞加速度計。因為高頻尖峰會對加速度計造成損壞。應當將磁座從安裝表面的邊緣慢慢移到合適位置。

一般注意事項

1. 對於長時間安裝使用，不要在粘接劑的極限溫度使用。否則粘接劑性能降低，抗拉強度變差。

2. 若加速度計設計用於粘接安裝，則其性能參數表中已將粘接安裝的影響考慮在內。

結論

當試驗加速度計不能使用螺釘安裝而需要使用粘接方法時，需要謹慎選擇粘接安裝方式：基丙烯酸酯瞬干膠具有最寬的頻率範圍和溫度範圍，加速度計頻響曲線在-18 °C ~ 121 °C溫度範圍內都很平坦。在較低溫度，如溫度小於 54 °C時，石蠟是可以替代基丙烯酸酯瞬干膠最好的粘接劑，方便使用。使用一小薄層蠟，可以增加可用的帶寬。對於溫度高於 93 °C，雙面膠帶是一種合適的粘接方法，應當注意的是不同雙面膠帶在低溫時性能不同，使用時應尤為注意。在溫度小於 93 °C時，不能使用基丙烯酸酯瞬干膠和雙面膠帶時，也可使用熱熔膠。使用熱熔膠時要防止由於固化過快和不理想的安裝，影響加速度計的頻率響應。

因為磁座安裝對加速度計的高頻響應有極大影響，因此磁座安裝只使用低頻測試。磁座安裝不受溫度影響。

不同安裝方法得到的頻響曲線如下圖所示。

751-100（0 °F，-17.78 °C）