振动测量传感器

1、第二部分振动测量传感器振动传感器的分类 按物理过程 发电式电动式磁电式压电式电磁感应原理电参数电阻式电感式电容式压阻式 按力学过程惯性式 （质量-弹簧）无参照系接触式 （跟随）有参照系非接触式 （电涡流、激光、光电）振动传感器的分类 按被测参数位移传感器速度传感器加速度传感器力传感器应变传感器扭振传感器扭矩传感器振动传感器的分类惯性式传感器 工作原理 力学模型如图所示。图中y1、y0、y01分别表示壳体绝对位移、质块的绝对位移和壳体与 质块的相对位移。测试时，壳体和被测物体联接（用胶接或机械方法），当传感器外壳跟随振动物体振动时，其内部质量与外壳之间产生相对运动。适当选取传感器的结构参数，所测

2、结果将分别反映振动问题的位移、速度和加速度 运动方程 0110101()0m yycyky20100100112yyyy 20km02cm强迫振动解为01sin()myyt其中20122200()1() (2)mmyy 0202arctg1() 惯性式传感器则20222100()1() (2)mmyy 惯性式传感器 对 的讨论1mmyy11mmyy表明质块和壳体的相对运动（输 出）和基础的振动（输入）近乎相等，即表明质块在惯性座标中几乎处于静止状态 作为加速度计的条件210()mmyy1201mmyy作为位移计的条件（应用于动圈式速度传感器的设计）20222100()1() (2)mmyy 1

3、 当 时 ，即被测频率远高于传感器固有频率时 2 当 时 ，即被测频率远低于传感器固有频率时 阻尼对惯性位移计幅频特性的影响01234501234561.00.70.50.20.12.01mmyy0惯性式传感器惯性式传感器 阻尼对惯性加速度传感器幅频特性的影响02021mmyy10-310-210-11001011000.10.20.50.712惯性式传感器001234500.511.522.533.50.10.22.01.00.70.5 阻尼对惯性传感器相频特性的影响电磁感应式速度传感器 分类 运动导体切割磁力线产生感应电动式电动式速度传感器磁电式速度传感器导体不动，穿过导体的磁力线数发生变

4、化，导体两端产生感应电动式eBl dendx 电动式速度传感器-相对式速度传感器1顶杆 2弹簧片 3磁钢 4线圈 5引出线 6壳体 用来测量振动系统中两部件之间的相对振动速度，壳体固定于一部件上，而顶杆与另一部件相连接。从而使传感器内部的 线圈与磁钢产生相对运动，产生相应的电动势来。 特点：1、可测量频率从零赫兹开始的相对振动量；2、使用频率上限由接触杆与被测物体表面的接触共 振频率决定，或者由连杆和线圈骨架组成的轴向 固有频率决定；3、输入与输出之间的相移基本为零；4、附加质量不大；5、对被测物体有附加刚度。电动式速度传感器-相对式速度传感器 使用应注意的问题使用应注意的问题电动式速度传感器

5、-相对式速度传感器电动式速度传感器惯性式速度传感器 a 单磁隙结构 b双磁隙结构 c动磁钢结构 结构： 支撑弹簧电动式速度传感器惯性式速度传感器弹簧片除了提供弹性恢复力外，还对可动部件起导向作用。良好的弹簧片除了提供弹性恢复力外，还对可动部件起导向作用。良好的弹簧片其刚度非线性应很小，弹簧片本身作为弹性体振动的频率要弹簧片其刚度非线性应很小，弹簧片本身作为弹性体振动的频率要足够高，并且还应具有较强的抗侧向失稳能力。足够高，并且还应具有较强的抗侧向失稳能力。 双磁隙结构与工作原理1弹簧 2壳体 3阻尼环 4磁钢 5线圈 6芯轴 在测振时，传感器固定于被测系统，磁钢在测振时，传感器固定于被测系统，

6、磁钢4 4与壳体与壳体2 2一起随被测系统的一起随被测系统的振动而振动，惯性质量由装在芯轴振动而振动，惯性质量由装在芯轴6 6上的线圈上的线圈5 5和阻尼环和阻尼环3 3组成，并在组成，并在磁场中运动。弹簧片磁场中运动。弹簧片1 1径向刚度很大、轴向刚度很小，使惯性系统既径向刚度很大、轴向刚度很小，使惯性系统既得到可靠的径向支承，又保证有很低的轴向固有频率。阻尼环一方面得到可靠的径向支承，又保证有很低的轴向固有频率。阻尼环一方面可增加惯性系统质量，降低固有频率，另一方面在磁场中运动产生的可增加惯性系统质量，降低固有频率，另一方面在磁场中运动产生的阻尼力使振动系统具有合理的阻尼阻尼力使振动系统具

7、有合理的阻尼. . 电动式速度传感器- -惯性式速度传感器 力学模型与运动方程电动式速度传感器惯性式速度传感器 机械接收部分 机电变换部分 rrremxcxkxmxBli 0()ttrd iLRRiB lxd t 当 时rrremxc xkxmx 2 20B iccR SBl灵敏度0ruBlx 阻尼的实现 1 1、扩展速度拾振器的工作频率下限，一般采用、扩展速度拾振器的工作频率下限，一般采用=0.5-0.7=0.5-0.7的的 阻尼阻尼 比，在幅值误差不超过比，在幅值误差不超过5%5%的情况下，工作下限可扩展到的情况下，工作下限可扩展到 2 2、有助于迅速衰减意外瞬态扰动所引起的瞬态振动。、有

8、助于迅速衰减意外瞬态扰动所引起的瞬态振动。 3 3、使传感器的相频特性在工作频率范围内基本保持比例相移、使传感器的相频特性在工作频率范围内基本保持比例相移电动式速度传感器惯性式速度传感器 1、油阻尼、油阻尼 2、电涡流阻尼、电涡流阻尼 3、电磁阻尼、电磁阻尼 阻尼的作用阻尼的作用1.7n 惯性式速度传感器的特点1、测量的是绝对速度振动量；测量的是绝对速度振动量；2 2、频率下限受固有频率限制，不能到零。频率、频率下限受固有频率限制，不能到零。频率 上限受安装共振频率及线圈阻抗特性限制；上限受安装共振频率及线圈阻抗特性限制；3 3、全部质量都附加给被测物体；、全部质量都附加给被测物体；4 4、灵

9、敏度高、信噪比强；、灵敏度高、信噪比强；5 5、输出阻抗小，且输出直接是电压量，可直接、输出阻抗小，且输出直接是电压量，可直接 测量；测量；6 6、横向灵敏度较小，频率范围较宽、横向灵敏度较小，频率范围较宽电动式速度传感器磁电式速度传感器结构eNS振动物体变换过程物体与物体与传感器传感器的相对的相对运动运动空气空气间隙间隙变化变化穿过线穿过线圈的磁圈的磁通量变通量变化化产生产生感应感应电动电动式式ddennxdtdx 输入与输输入与输出关系式出关系式磁电式速度传感器的特点磁电式速度传感器的特点1、非接触型，对被测体无附加质量和刚度；非接触型，对被测体无附加质量和刚度；2 2、灵敏度不等于常数，

10、与间隙、振动物体的、灵敏度不等于常数，与间隙、振动物体的 大小、材料形状等有关，受测量物体表面大小、材料形状等有关，受测量物体表面 电涡流影响；电涡流影响；3 3、动态幅值不是线性，只有当被测物体位移、动态幅值不是线性，只有当被测物体位移 远小于空气间隙时，它的幅值才基本上维远小于空气间隙时，它的幅值才基本上维 持线性持线性磁电式速度传感器压电式加速度传感器压电式加速度传感器 压电式加速度计的结构压电式加速度计的结构 (a)中心安装压缩型 (b)环形剪切型 (c) 三角剪切型 在图中在图中，S S是弹簧，是弹簧，M M是质块，是质块，B B是基座，是基座，P P是压电元件，是压电元件，R R是

11、夹持是夹持环。环。图图a a是中央安装压缩型是中央安装压缩型，压电元件，压电元件质量块质量块弹簧系统装在弹簧系统装在圆形中心支柱上，支柱与基座连接。这种结构有高的共振频率。圆形中心支柱上，支柱与基座连接。这种结构有高的共振频率。然而基座然而基座B B与测试对象连接时，如果基座与测试对象连接时，如果基座B B有变形则将直接影响拾有变形则将直接影响拾振器输出。此外，测试对象和环境温度变化将影响压电元件，并振器输出。此外，测试对象和环境温度变化将影响压电元件，并使预紧力发生变化，使预紧力发生变化， 易引起温度漂移。易引起温度漂移。图图b b为环形剪切型为环形剪切型，结构，结构简单，能做成极小型、高共

12、振频率的加速度计，环形质量块粘到简单，能做成极小型、高共振频率的加速度计，环形质量块粘到装在中心支柱上的环形压电元件上。由于粘结剂会随温度增高而装在中心支柱上的环形压电元件上。由于粘结剂会随温度增高而变软，因此最高工作温度受到限制。变软，因此最高工作温度受到限制。图图c c为三角剪切形为三角剪切形，压电元，压电元件由夹持环将其夹牢在三角形中心柱上。加速度计感受轴向振动件由夹持环将其夹牢在三角形中心柱上。加速度计感受轴向振动时，压电元件承时，压电元件承 受切应力。这种结构对底座变形和温度变化有受切应力。这种结构对底座变形和温度变化有极好的隔离作用，有较高的共振频率和良好的线性。极好的隔离作用，有

13、较高的共振频率和良好的线性。各种结构特点压电式加速度传感器压电式加速度传感器 压电式加速度计的敏感元件 天然石英晶体天然石英晶体机械强度高，绝缘性能机械强度高，绝缘性能好，压电常数在好，压电常数在500500度度以下不随温度变化，但以下不随温度变化，但压电常数低。压电常数低。压电常数大，比石英晶体大几压电常数大，比石英晶体大几十倍，但压电常数稳定性差，十倍，但压电常数稳定性差，受温度影响大，当超过居里温受温度影响大，当超过居里温度时，压电效应就会消失。度时，压电效应就会消失。正压电效应正压电效应压电元件在一定方向的外力作用下压电元件在一定方向的外力作用下或施加机械变形时，在压电元件的或施加机械

14、变形时，在压电元件的晶面或极化面上将产生电荷晶面或极化面上将产生电荷。在压电元件表面通一电压，由在压电元件表面通一电压，由于电场的作用，压电元件将产于电场的作用，压电元件将产生几何变形。生几何变形。逆压电效应逆压电效应人工极化陶瓷人工极化陶瓷压电晶体压电晶体压电效应压电效应压电式加速度传感器压电式加速度传感器压电式加速度传感器压电式加速度传感器石英晶体的压电效应石英晶体的压电效应理想形状：中间为六棱柱，两端为对理想形状：中间为六棱柱，两端为对称的棱锥，共称的棱锥，共3030个晶面。个晶面。 光轴光轴 电轴电轴 机械轴机械轴光轴光轴：z z 轴，与晶体纵轴方向一致。轴，与晶体纵轴方向一致。光线沿

15、光线沿z z 轴方向通过晶体不发生双折轴方向通过晶体不发生双折射。沿光轴的作用力不产生压电效应，射。沿光轴的作用力不产生压电效应，故又称为故又称为中性轴。中性轴。压电式加速度传感器压电式加速度传感器电轴：电轴：x x 轴，通过两个相对的六角棱线并垂直于光轴的轴，通过两个相对的六角棱线并垂直于光轴的轴线。垂直于此轴的晶面上有最强的压电效应。轴线。垂直于此轴的晶面上有最强的压电效应。 机械轴机械轴：y y轴，垂直于轴，垂直于x x轴和轴和z z轴所在平面的轴线。在电场轴所在平面的轴线。在电场作用下，作用下，y y轴具有最明显的机械变形。轴具有最明显的机械变形。石英晶体的压电效应石英晶体的压电效应石

16、英晶体石英晶体z z轴仅一个，轴仅一个，x x轴和轴和y y轴各有轴各有3 3个。个。压电式加速度传感器压电式加速度传感器压电效应模型压电效应模型 纵向压电效应：沿纵向压电效应：沿x x轴加力，电荷出现在垂直于轴加力，电荷出现在垂直于x x轴的表面。轴的表面。 横向压电效应：沿横向压电效应：沿y y 轴加力，电荷仍出现在垂直于轴加力，电荷仍出现在垂直于x x 轴的表面。轴的表面。 切向压电效应：沿切向压电效应：沿x x轴或轴或y y轴施加垂直于轴施加垂直于z z轴的剪切力，在垂直于轴的剪切力，在垂直于x x轴的轴的 晶体表面产生电荷。晶体表面产生电荷。压电式加速度传感器压电式加速度传感器压电式

17、传感器及其等效电路压电式传感器及其等效电路在压电晶片的两个工作面上进行金属蒸镀，形在压电晶片的两个工作面上进行金属蒸镀，形成金属膜，构成两个电极。当压电晶片受到压成金属膜，构成两个电极。当压电晶片受到压力力F F的作用时，分别在两个极板上积聚数量相等的作用时，分别在两个极板上积聚数量相等而极性相反的电荷，形成电场。压电元件的开而极性相反的电荷，形成电场。压电元件的开路电压：路电压：压电元件的开路电压：压电元件的开路电压：/aaUq C压电式加速度传感器压电式加速度传感器压电式传感器及其等效电路压电式传感器及其等效电路若考虑负载（测量电路），等效电路如下：若考虑负载（测量电路），等效电路如下：假

18、设一恒定力假设一恒定力F F作用于压电器件，产生电量作用于压电器件，产生电量q q，则输出电压：，则输出电压：其中，其中，CcCc、CiCi分别为电缆寄生电容及后续测量电路的输入电容。分别为电缆寄生电容及后续测量电路的输入电容。压电式加速度传感器压电式加速度传感器压电式传感器的使用压电式传感器的使用由于电荷泄漏，静态测量或准静态量值时由于电荷泄漏，静态测量或准静态量值时, ,必须采必须采取一定措施取一定措施, ,使电荷从压电元件经测量电路的漏失使电荷从压电元件经测量电路的漏失减小到足够小的程度；减小到足够小的程度；动态测量时动态测量时, ,电荷可以不断补充电荷可以不断补充, ,从而供给测量电从

19、而供给测量电路一定的电流路一定的电流, ,故压电式传感器故压电式传感器适宜作动态测量适宜作动态测量。压电式加速度传感器压电式加速度传感器压电元件的串接压电元件的串接压电式传感器有电荷及电压两种输出方式。为了增大输出压电式传感器有电荷及电压两种输出方式。为了增大输出值，压电传感器往往用两个（较多见）或两个以上的晶体值，压电传感器往往用两个（较多见）或两个以上的晶体串接或并接：串接或并接：n n 个晶体串接时，输出电荷量与单片晶体个晶体串接时，输出电荷量与单片晶体电荷相同，总电容为单片晶体电容的电荷相同，总电容为单片晶体电容的1/1/n n，输出电压为单片晶体电压的输出电压为单片晶体电压的n n倍

20、。倍。串接时，输出电压大、电容小、时间常数串接时，输出电压大、电容小、时间常数小，适宜测量迅变信号和以电压输出的场小，适宜测量迅变信号和以电压输出的场合。合。FFa)串联串联压电式加速度传感器压电式加速度传感器压电元件的并接压电元件的并接n n个晶体并接时，输出电荷量为单片晶体个晶体并接时，输出电荷量为单片晶体电荷电荷n n 倍，总电容为单片晶体电容倍，总电容为单片晶体电容n n 倍，倍，输出电压等于单片晶体电压。输出电压等于单片晶体电压。并接时，输出电荷量大、电容大、时间并接时，输出电荷量大、电容大、时间常数大，适宜测量缓变信号和以电荷输常数大，适宜测量缓变信号和以电荷输出的场合。出的场合。

21、FFb)并联并联pqmbmkrxex 振动物体 压电式加速度计的特性分析1、力学模型力学模型中心压缩型中心压缩型2、机电转换过程机电转换过程ex 惯性惯性接收接收压电压电变换变换物理量物理量转换转换pqu当传感器跟随物体运动时，惯性接收部分将被测的加速度当传感器跟随物体运动时，惯性接收部分将被测的加速度 接收为接收为 相对于底座的相对振动位移相对于底座的相对振动位移 ，于是压电晶，于是压电晶体片受到体片受到 的动态力，然后由压电正效应变换为作的动态力，然后由压电正效应变换为作用在晶体面上的电荷用在晶体面上的电荷 。ex mrxrpkxq332rqd kx332eqd mx21rnexx3、输入

22、与输出关系式输入与输出关系式压电式加速度传感器压电式加速度传感器4、特性参数特性参数 灵敏度灵敏度电荷灵敏度电荷灵敏度电压灵敏度电压灵敏度332qeqSd mx2(/pc ms/)pc g3324eed mteSxD2( /v ms/)v g其中其中3324eEd mx tqecD22EDct（开路电压开路电压）（极间电容）（极间电容） 动态范围动态范围最小可测振级主要受测量仪器的噪声电平限制最小可测振级主要受测量仪器的噪声电平限制最大可测振级主要受传感器的强度及非线性因素限制最大可测振级主要受传感器的强度及非线性因素限制压电式加速度传感器压电式加速度传感器 频率特性频率特性 加速度计的使用上

23、限频率取决于幅频曲线中的共振频率。一般阻尼加速度计的使用上限频率取决于幅频曲线中的共振频率。一般阻尼比小于比小于0.10.1的加速度计，上限频率若取为共振频率的的加速度计，上限频率若取为共振频率的 1/31/3，便可保证，便可保证幅值误差低于幅值误差低于1dB1dB（即（即12%12%）；若取为共振频率的）；若取为共振频率的1/51/5，则可保证幅值，则可保证幅值误差小于误差小于0.5dB0.5dB（即（即6%6%），相移小于），相移小于3 3度。但共振频率与加速度计的度。但共振频率与加速度计的安装有关，加速度计出厂时给出的幅频曲线是在刚性连接的固定情安装有关，加速度计出厂时给出的幅频曲线是在

24、刚性连接的固定情况下得到的。实际使用的固定方法往往难于达到刚性连接，因而共况下得到的。实际使用的固定方法往往难于达到刚性连接，因而共振频率和使用上限频率都会有所下降。振频率和使用上限频率都会有所下降。nff上f下S 横向灵敏度横向灵敏度 环境特性环境特性温度，湿度，磁场等温度，湿度，磁场等小于小于5%5%固有频率、灵敏度和动态范围相互制约固有频率、灵敏度和动态范围相互制约,nnSmfDSmfD当时当时压电式加速度传感器压电式加速度传感器5、 加速度计的固定方法加速度计的固定方法 其中其中图图a a采用钢螺栓固定，采用钢螺栓固定，是共振频率能达到出厂共振是共振频率能达到出厂共振频率的最好方法。螺

25、栓不得频率的最好方法。螺栓不得全部拧入基座螺孔，以免引全部拧入基座螺孔，以免引起基座起基座 变形，影响加速度变形，影响加速度计的输出。在安装面上涂一计的输出。在安装面上涂一层硅脂可增加不平整安装表层硅脂可增加不平整安装表面的连接可靠性。面的连接可靠性。需要绝缘时可用绝需要绝缘时可用绝缘螺栓和云母垫片来固定加速度计（缘螺栓和云母垫片来固定加速度计（图图b b），但垫圈应尽），但垫圈应尽量簿。用一层簿蜡把加速度计粘在试件平整表面上（量簿。用一层簿蜡把加速度计粘在试件平整表面上（图图c c），也可用于温度），也可用于温度低于低于4040以下的场合。手持探针测振方法（以下的场合。手持探针测振方法（图图

26、d d）在多点测试时使用特别方）在多点测试时使用特别方便，但测量误差较大，重复性差，使用上限频率一般不高于便，但测量误差较大，重复性差，使用上限频率一般不高于 1000Hz1000Hz。用专。用专用永久磁铁固定加速度计（用永久磁铁固定加速度计（图图e e），使用方便，多在低频测量中使用。此法），使用方便，多在低频测量中使用。此法也可使加速度计与试件绝缘。用硬性粘接螺栓（也可使加速度计与试件绝缘。用硬性粘接螺栓（图图f f）或粘接剂（或粘接剂（图图g g）的固）的固定方法也长使用。某种典型的加速度计采用上述各种固定方法的共振频率分定方法也长使用。某种典型的加速度计采用上述各种固定方法的共振频率分

27、别约为：钢螺栓固定法别约为：钢螺栓固定法31kHz31kHz，云母垫片，云母垫片28kHz28kHz，涂簿蜡层，涂簿蜡层29kHz29kHz，手持法，手持法2kHz2kHz，永久磁铁固定法，永久磁铁固定法7kHz7kHz。 压电式加速度传感器压电式加速度传感器6、 加速度计的接地问题加速度计的接地问题 注意：单点接地注意：单点接地压电式加速度传感器压电式加速度传感器7、 加速度计的前置放大器加速度计的前置放大器 压电式传感器的前置放大器有：电压放大器和电荷放大器。所用电压压电式传感器的前置放大器有：电压放大器和电荷放大器。所用电压放大器就是高输入阻抗的比例放大器。其电路比较简单，但输出受连放大

28、器就是高输入阻抗的比例放大器。其电路比较简单，但输出受连接电缆对地电容的影响，适用于一般振动测量。电荷放大器以电容作接电缆对地电容的影响，适用于一般振动测量。电荷放大器以电容作负反馈，使用中基本不受电缆电容的影响。在电荷放大器中，通常用负反馈，使用中基本不受电缆电容的影响。在电荷放大器中，通常用高质量的元器件，输入阻抗高，但价格也比较贵高质量的元器件，输入阻抗高，但价格也比较贵. . 8、 电荷放大器作用电荷放大器作用阻抗变换阻抗变换物理量转换物理量转换输出归一化输出归一化压电式加速度传感器压电式加速度传感器9、 压电加速度计压电加速度计的类型的类型 低阻抗电压模式低阻抗电压模式目前大部分压电

29、式加速度计在壳体目前大部分压电式加速度计在壳体内都集成放大器，由它来完成阻抗内都集成放大器，由它来完成阻抗变换的功能。这类内装集成放大器变换的功能。这类内装集成放大器的加速度计可使用长电缆而无衰减，的加速度计可使用长电缆而无衰减，并可直接与大多数通用的仪表、计并可直接与大多数通用的仪表、计算机等连接。一般采用算机等连接。一般采用2 2线制，即线制，即用用2 2根电缆给传感器供给根电缆给传感器供给 2 210mA10mA的恒流电源，而输出信号也由这的恒流电源，而输出信号也由这2 2根电缆输出，大大方便了现场的接根电缆输出，大大方便了现场的接线线 。智能式智能式内置芯片，出厂内置芯片，出厂时，将传

30、感器的时，将传感器的序列号，生产厂序列号，生产厂家，灵敏度等参家，灵敏度等参数储存在芯片里，数储存在芯片里，分析仪可直接识分析仪可直接识别出这些参数，别出这些参数，这对多点测量非这对多点测量非常方便常方便。高阻抗电荷模式高阻抗电荷模式输出阻抗很输出阻抗很高，必须接高，必须接前置放大器，前置放大器，但环境适应但环境适应性强，尤其性强，尤其适合于高低适合于高低温，高冲击温，高冲击试验场合试验场合。压电式加速度传感器压电式加速度传感器1010、 压电加速度计压电加速度计的低频特性的低频特性 从压电式传感器的力学模型看，它具有从压电式传感器的力学模型看，它具有“低通低通”特性，原可特性，原可测量极低频

31、的振动。但实际上由于低频尤其小振幅振动时，测量极低频的振动。但实际上由于低频尤其小振幅振动时，加速度值小，传感器的灵敏度有限，因此输出的信号将很微加速度值小，传感器的灵敏度有限，因此输出的信号将很微弱，信噪比很低；另外电荷的泄漏，积分电路的漂移（用于弱，信噪比很低；另外电荷的泄漏，积分电路的漂移（用于测振动速度和位移）、器件的噪声都是不可避免的，所以实测振动速度和位移）、器件的噪声都是不可避免的，所以实际低频端也出现际低频端也出现“截止频率截止频率”，约为，约为0.10.11Hz1Hz左右。左右。 1111、 压电加速度计压电加速度计的特点与应用的特点与应用 具有动态范围大、频率范围宽、坚固耐

32、用、受外界干扰小以具有动态范围大、频率范围宽、坚固耐用、受外界干扰小以及压电材料受力自产生电荷信号不需要任何外界电源等特点，及压电材料受力自产生电荷信号不需要任何外界电源等特点，是最为广泛使用的振动测量传感器是最为广泛使用的振动测量传感器 压电式加速度传感器压电式加速度传感器 压阻式加速度传感器的结构压阻式加速度传感器的结构压阻式加速度传感器（1）（3）分体型压阻式与固态压阻式1 1、体型压阻式、体型压阻式（2） 2、固态压阻式固态压阻式压阻式加速度传感器压阻式加速度传感器 工作原理工作原理 优点优点 应用应用 缺点缺点通常采用悬臂梁式结构实现其通常采用悬臂梁式结构实现其惯性接收，再利用半导体

33、材料惯性接收，再利用半导体材料的压阻效应将正比于加速度的的压阻效应将正比于加速度的应力转换为电阻值的变化。应力转换为电阻值的变化。 灵敏度高，具有零频率响应灵敏度高，具有零频率响应适合测量持续时间较长的慢变适合测量持续时间较长的慢变冲击过程及特低频率振动过程冲击过程及特低频率振动过程由于半导体片对温度非常敏感，由于半导体片对温度非常敏感，必须在传感器内部有温度补偿必须在传感器内部有温度补偿措施措施半导体材料由于半导体材料由于内部应力场而引内部应力场而引起各点的电阻率起各点的电阻率变化的现象，单变化的现象，单晶硅的压阻效应晶硅的压阻效应特别显著，比一特别显著，比一般金属材料灵敏般金属材料灵敏度高

34、度高50-10050-100倍倍。压阻效应压阻效应 伺服式加速度传感器 结构结构内部有两套机电变换装置，内部有两套机电变换装置，其一是将机械量转换为电量，其一是将机械量转换为电量，以提供测量和反馈信号；另以提供测量和反馈信号；另一是将电量转换为机械量，一是将电量转换为机械量，即起反向传感器的作用，其即起反向传感器的作用，其作用是执行反馈环节，其一作用是执行反馈环节，其一是电容式机电变换，其二是是电容式机电变换，其二是可逆的电动式变换可逆的电动式变换 工作原理工作原理伺服式加速度传感器如果反馈电流满足如果反馈电流满足efmxiG 优点优点 应用应用1、具有另频率响应；、具有另频率响应；2、幅值线

35、性度极好；、幅值线性度极好；3、精度高。、精度高。比较适合于飞机、土木结构、桥梁等低频及静态比较适合于飞机、土木结构、桥梁等低频及静态结构加速度测量结构加速度测量伺服式加速度传感器电容式加速度传感器 结构与原理结构与原理 优点优点 应用应用较多地用于低频测量，其通用性不如压电式加速度传感较多地用于低频测量，其通用性不如压电式加速度传感器，且成本也比压电式加速度传感器高得多器，且成本也比压电式加速度传感器高得多与其它类型的加速度传感器相比具有灵敏度高、零频响与其它类型的加速度传感器相比具有灵敏度高、零频响应、环境适应性好等特点，尤其是受温度的影响比较小应、环境适应性好等特点，尤其是受温度的影响比

36、较小 多数采用差动式结构，有两个固定电极，两电极之间有多数采用差动式结构，有两个固定电极，两电极之间有一用弹簧支撑的质量快，此质量快的两个端平面作为活一用弹簧支撑的质量快，此质量快的两个端平面作为活动板极，当传感器测量垂直方向振动时，由于质量块的动板极，当传感器测量垂直方向振动时，由于质量块的惯性作用，使两个固定板极相对质量块产生位移。惯性作用，使两个固定板极相对质量块产生位移。 缺点缺点信号的输入与输出为非线性，量程有限，受电缆的电容信号的输入与输出为非线性，量程有限，受电缆的电容影响，以及电容传感器本身是高阻抗信号源，因此电容影响，以及电容传感器本身是高阻抗信号源，因此电容传感器的输出信号

37、往往需通过后继电路给于改善传感器的输出信号往往需通过后继电路给于改善 结构示意图结构示意图 测量参数测量参数涡流传感器已成系列，测量范围从涡流传感器已成系列，测量范围从0.5mm0.5mm至至10mm10mm以上，灵以上，灵敏阀约为测量范围的敏阀约为测量范围的0.1%0.1%。常用的外径。常用的外径8mm8mm的传感器与工件的的传感器与工件的安装间隙约安装间隙约1mm1mm，在，在0.5mm0.5mm范围内有良好的线性，灵敏度为范围内有良好的线性，灵敏度为7.87mv/mm7.87mv/mm，频响范围为，频响范围为0 012000Hz12000Hz。电涡流位移传感器电涡流位移传感器电涡流式位移

38、传感器是一种非接触式电涡流式位移传感器是一种非接触式测振传感器，其基本原理是利用金属测振传感器，其基本原理是利用金属体在交变磁场中的电涡流效应。当通体在交变磁场中的电涡流效应。当通有交变电流的线圈靠近导体表面时，有交变电流的线圈靠近导体表面时，穿过导体的磁通链将在导体表面感应穿过导体的磁通链将在导体表面感应出交变电流，该电流在导体表面形成出交变电流，该电流在导体表面形成一闭环回路，称之为涡流。这一电流一闭环回路，称之为涡流。这一电流又产生一穿过原线圈的磁通链，因此，又产生一穿过原线圈的磁通链，因此，原线圈与电涡流相当于两个相互耦合原线圈与电涡流相当于两个相互耦合的线圈，耦合的结果使得原线圈的电

39、的线圈，耦合的结果使得原线圈的电感发生了变化。感发生了变化。 工作原理工作原理 等效电路等效电路当输入电流频率很高时，有当输入电流频率很高时，有1eMkLL图中图中Mk互感系数互感系数耦合系数耦合系数电涡流位移传感器此时此时2eeLRRk RL2(1)LLk电涡流位移传感器 测量电路0icZUUR为了测量为了测量 ，可以采用串并联，可以采用串并联谐振电路，即在原线圈两端并一谐振电路，即在原线圈两端并一电容，再与一电阻串联，在满足电容，再与一电阻串联，在满足L的条件下的条件下电路的谐振频率为电路的谐振频率为2(0)11( )21rrf kf kL ck电路阻抗为电路阻抗为11()LZcRjLc电

40、路输出电压为电路输出电压为cicZUUR 传感器特点传感器特点 这类传感器具有线性范围大、灵敏度高、频率范围宽、抗干这类传感器具有线性范围大、灵敏度高、频率范围宽、抗干扰能力强、不受油污等介质影响以及非接触测量等特点。涡扰能力强、不受油污等介质影响以及非接触测量等特点。涡流传感器属于相对式拾振器，能方便地测量运动部件与静止流传感器属于相对式拾振器，能方便地测量运动部件与静止部件间的间隙变化。表面粗糙度对测量几乎没有影响，但表部件间的间隙变化。表面粗糙度对测量几乎没有影响，但表面的微裂缝和被测材料的电导率和导磁率对灵敏度有影响。面的微裂缝和被测材料的电导率和导磁率对灵敏度有影响。 电涡流传感器除

41、用来测量静态位移外，被广泛用来测量汽轮电涡流传感器除用来测量静态位移外，被广泛用来测量汽轮机、压缩机、电机等旋转轴系的振动、轴向位移、转速等，机、压缩机、电机等旋转轴系的振动、轴向位移、转速等，在工况监测与故障诊断中应用甚广。在工况监测与故障诊断中应用甚广。 传感器的应用传感器的应用电涡流位移传感器压电式力传感器 结构与力学模型结构与力学模型 力的传递力的传递发力体作用体bfpftfpkbxbx txtx bmtm 输入与输出关系输入与输出关系11pqd f 压电元件的动态力与作用给受力体的力之间压电元件的动态力与作用给受力体的力之间的关系的关系由上图可知由上图可知ptttffm x注意：压电

42、式力传感器与压电式加速度传感器测量电路完全相同注意：压电式力传感器与压电式加速度传感器测量电路完全相同压电式力传感器 力传感器的使用力传感器的使用压电式力传感器振动测量传感器的选择正确的选用应该基于对测量信号以下三方面正确的选用应该基于对测量信号以下三方面的分析和估算。的分析和估算。 1) 1) 被测振动量的大小被测振动量的大小 2) 2) 被测振动信号的频率范围被测振动信号的频率范围 3) 3) 振动测试现场环境振动测试现场环境 传感器的灵敏度传感器的灵敏度 灵敏度是传感器的最基本指标之一灵敏度是传感器的最基本指标之一, ,其大小直接影响到传感其大小直接影响到传感器对振动信号的测量。不难理解

43、，传感器的灵敏度应根据被测振器对振动信号的测量。不难理解，传感器的灵敏度应根据被测振动量（加速度值）大小而定，但由于压电加速度传感器是测量振动量（加速度值）大小而定，但由于压电加速度传感器是测量振动的加速度值，而在相同的位移幅值条件下加速度值与信号的频动的加速度值，而在相同的位移幅值条件下加速度值与信号的频率平方成正比，所以不同频段的加速度信号大小相差甚大。大型率平方成正比，所以不同频段的加速度信号大小相差甚大。大型结构的低频振动其振动量的加速度值可能会相当小，例如当振动结构的低频振动其振动量的加速度值可能会相当小，例如当振动位移为位移为 1mm, 1mm, 频率为频率为1 Hz 1 Hz 的

44、信号其加速度值仅为的信号其加速度值仅为0.04m/s0.04m/s2 2 (0.004g)(0.004g)；然而对高频振动当位移为；然而对高频振动当位移为0.1mm0.1mm，频率为，频率为10 kHz10 kHz的信的信号其加速度值可达号其加速度值可达4 x 104 x 105 5m/s2 (40000g)m/s2 (40000g)。因此尽管压电式加速。因此尽管压电式加速度传感器具有较大的测量量程范围，但对用于测量高低两端频率度传感器具有较大的测量量程范围，但对用于测量高低两端频率的振动信号，选择加速度传感器灵敏度时应对信号有充分的估计。的振动信号，选择加速度传感器灵敏度时应对信号有充分的估

45、计。最常用的振动测量压电式加速度计灵敏度，电压输出型（最常用的振动测量压电式加速度计灵敏度，电压输出型（IEPE IEPE 型）为型）为50-100 mV/g50-100 mV/g，电荷输出型为，电荷输出型为10 -50 pC/g10 -50 pC/g。振动测量传感器的选择 传感器的动态范围传感器的动态范围 传感器的测量量程范围是指传感器在一定的非线性误差范围传感器的测量量程范围是指传感器在一定的非线性误差范围内所能测量的最大测量值。通用型压电加速度传感器的非线内所能测量的最大测量值。通用型压电加速度传感器的非线性误差大多为性误差大多为1%1%。作为一般原则，灵敏度越高其测量范围越。作为一般原则，灵敏度越高其测量范围越小，反之灵