传感器大作业

1、第1章 工程振动测试方法在工程振动测试领域中，测试手段与方法多种多样，但是按各种参数的测量方法及测量过程的物理性质来分，可以分成三类。1、机械式测量方法将工程振动的参量转换成机械信号，再经机械系统放大后，进行测量、记录，常用的仪器有杠杆式测振仪和盖格尔测振仪，它能测量的频率较低，精度也较差。但在现场测试时较为简单方便。2、光学式测量方法将工程振动的参量转换为光学信号，经光学系统放大后显示和记录。如读数显微镜和激光测振仪等。3、电测方法将工程振动的参量转换成电信号，经电子线路放大后显示和记录。电测法的要点在于先将机械振动量转换为电量（电动势、电荷、及其它电量），然后再对电量进行测量，从而得到所要

2、测量的机械量。这是目前应用得最广泛的测量方法。上述三种测量方法的物理性质虽然各不相同，但是，组成的测量系统基本相同，它们都包含拾振、测量放大线路和显示记录三个环节。图1 基本测量系统示意图1.1拾振环节 把被测的机械振动量转换为机械的、光学的或电的信号，完成这项转换工作的器件叫传感器。1.2测量线路 测量线路的种类甚多，它们都是针对各种传感器的变换原理而设计的。比如，专配压电式传感器的测量线路有电压放大器、电荷放大器等；此外，还有积分线路、微分线路、滤波线路、归一化装置等等。 1.3信号分析及显示、记录环节 从测量线路输出的电压信号，可按测量的要求输入给信号分析仪或输送给显示仪器（如电子电压表

3、、示波器、相位计等）、记录设备（如光线示波器、磁带记录仪、XY 记录仪等）等。也可在必要时记录在磁带上，然后再输入到信号分析仪进行各种分析处理，从而得到最终结果。第2章 传感器的机械接收原理 振动传感器在测试技术中是关键部件之一，它的作用主要是将机械量接收下来，并转换为与之成比例的电量。由于它也是一种机电转换装置。所以我们有时也称它为换能器、拾振器等。 图2 振动传感器的工作原理 振动传感器并不是直接将原始要测的机械量转变为电量，而是将原始要测的机械量做为振动传感器的输入量，然后由机械接收部分加以接收，形成另一个适合于变换的机械量，最后由机电变换部分再将变换为电量。因此一个传感器的工作性能是由

4、机械接收部分和机电变换部分的工作性能来决定的。2.1相对式机械接收原理 图3 相对式机械接收原理示意图由于机械运动是物质运动的最简单的形式，因此人们最先想到的是用机械方法测量振动，从而制造出了机械式测振仪（如盖格尔测振仪等）。传感器的机械接收原理就是建立在此基础上的。相对式测振仪的工作接收原理是在测量时，把仪器固定在不动的支架上，使触杆与被测物体的振动方向一致，并借弹簧的弹性力与被测物体表面相接触，当物体振动时，触杆就跟随它一起运动，并推动记录笔杆在移动的纸带上描绘出振动物体的位移随时间的变化曲线，根据这个记录曲线可以计算出位移的大小及频率等参数。由此可知，相对式机械接收部分所测得的结果是被测

5、物体相对于参考体的相对振动，只有当参考体绝对不动时，才能测得被测物体的绝对振动。这样，就发生一个问题，当需要测的是绝对振动，但又找不到不动的参考点时，这类仪器就无用武之地。例如：在行驶的内燃机车上测试内燃机车的振动，在地震时测量地面及楼房的振动，都不存在一个不动的参考点。在这种情况下，我们必须用另一种测量方式的测振仪进行测量，即利用惯性式测振仪。2.2惯性式机械接收原理 图4 惯性式机械接收原理示意图 图5 惯性质量块的受力图 惯性式机械测振仪测振时，是将测振仪直接固定在被测振动物体的测点上，当传感器外壳随被测振动物体运动时，由弹性支承的惯性质量块将与外壳发生相对运动，则装在质量块上的记录笔就

6、可记录下质量元件与外壳的相对振动位移幅值，然后利用惯性质量块与外壳的相对振动位移的关系式，即可求出被测物体的绝对振动位移波形。第3章 振动传感器的机电变换原理一般来说，振动传感器在机械接收原理方面，只有相对式、惯性式两种，但在机电变换方面，由于变换方法和性质不同，其种类繁多，应用范围也极其广泛。在现代振动测量中所用的传感器，已不是传统概念上独立的机械测量装置，它仅是整个测量系统中的一个环节，且与后续的电子线路紧密相关。以电测法为例，其测试系统示意框图如图6示图6 电测法测试系统示意图由于传感器内部机电变换原理的不同，输出的电量也各不相同。有的是将机械量的变化变换为电动势、电荷的变化，有的是将机

7、械振动量的变化变换为电阻、电感等电参量的变化。一般说来，这些电量并不能直接被后续的显示、记录、分析仪器所接受。因此针对不同机电变换原理的传感器，必须附以专配的测量线路。测量线路的作用是将传感器的输出电量最后变为后续显示、分析仪器所能接受的一般电压信号。因此，振动传感器按其功能可有以下几种分类方法：表1 振动传感器的分类按机械接收原理分：相对式、惯性式；按机电变换原理分：压电式、压阻式、电容式、电感式（电动式、电涡流式）以及光电式。按所测机械量分：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。以上三种分类法中的传感器是相容的。3.1相对式电动传感器图7 相对

8、电动式传感器结构示意图电动式传感器基于电磁感应原理，即当运动的导体在固定的磁场里切割磁力线时，导体两端就感生出电动势，因此利用这一原理而生产的传感器称为电动式传感器。相对式电动传感器从机械接收原理来说，是一个位移传感器，由于在机电变换原理中应用的是电磁感应电律，其产生的电动势同被测振动速度成正比，所以它实际上是一个速度传感器。3.2电涡流式传感器图8 电涡流传感器的结构示意图电涡流传感器是一种相对式非接触式传感器，它是通过传感器端部与被测物体之间的距离变化来测量物体的振动位移或幅值的。电涡流传感器具有频率范围宽（010 kHZ），线性工作范围大、灵敏度高以及非接触式测量等优点，主要应用于静位移

9、的测量、振动位移的测量、旋转机械中监测转轴的振动测量。3.3电感式传感器图9 带有气隙的电感元件依据传感器的相对式机械接收原理，电感式传感器能把被测的机械振动参数的变化转换成为电参量信号的变化。因此，电感传感器有二种形式，一是可变间隙，二是可变导磁面积。图10 电感元件参量变化形式示意图3.4电容式传感器电容式传感器一般分为两种类型，即可变间隙式和可变公共面积式。可变间隙式可以测量直线振动的位移。可变面积式可以测量扭转振动的角位移。图11 电容传感器的工作原理示意图 电容传感器和电感传感器都属于参量式传感器，可以用于非接触测量技术中，也可以根据需要做成各种传感器。变面积型电容式角位移传感器的结

10、构如图12（a） 示。它采用的是差动式结构形式，测杆随被测位移而运动，它带动活动电极移动，从而改变了活动电极与两个固定电极之间极板的相互覆盖面积，使电容发生变化。由于变面积型电容式传感器的输人、输出特性是线性的，因此这种传感振器有良好的线性。差动电容式加速度传感器如图12（b） 示，它是一种空气阻尼的电容式加速度传感器。该传感器采用差动式结构，有两个固定电极，两极板之间用弹簧支撑的一个质量块，此质量块的两个端面经过磨平抛光后作为可动极板。当传感器测量垂直方向上的振动时，利用的是惯性式机械接收原理，由于质量块的惯性作用，使两固定的极板相对质量块产生位移，从而测出在振动方向的参数值。图12 电容传

11、感器的结构示意图3.5惯性式电动传感器图13 惯性式电动传感器结构示意图惯性式电动传感器由固定部分、可动部分以及支承弹簧部分所组成。为了使传感器工作在位移传感器状态，其可动部分的质量应该足够的大，而支承弹簧的刚度应该足够的小，也就是让传感器具有足够低的固有频率。根据电磁感应定律，感应电动势为：u=Blx&r式中B为磁通密度，l为线圈在磁场内的有效长度， r x&为线圈在磁场中的相对速度。从传感器的结构上来说，惯性式电动传感器是一个位移传感器。然而由于其输出的电信号是由电磁感应产生，根据电磁感应电律，当线圈在磁场中作相对运动时，所感生的电动势与线圈切割磁力线的速度成正比。因此就传感器的输出信号来

12、说，感应电动势是同被测振动速度成正比的，所以它实际上是一个速度传感器。3.6压电式加速度传感器压电式加速度传感器的机械接收部分是惯性式加速度机械接收原理，机电部分利用的是压电晶体的正压电效应。其原理是某些晶体（如人工极化陶瓷、压电石英晶体等，不同的压电材料具有不同的压电系数，一般都可以在压电材料性能表中查到。）在一定方向的外力作用下或承受变形时，它的晶体面或极化面上将有电荷产生，这种从机械能（力，变形）到电能（电荷，电场）的变换称为正压电效应。而从电能（电场，电压）到机械能（变形，力）的变换称为逆压电效应。因此利用晶体的压电效应，可以制成测力传感器，在振动测量中，由于压电晶体所受的力是惯性质量

13、块的牵连惯性力，所产生的电荷数与加速度大小成正比，所以压电式传感器是加速度传感器。图13 压电加速度传感器的结构示意图3.7压电式力传感器在振动试验中，除了测量振动，还经常需要测量对试件施加的动态激振力。压电式力传感器具有频率范围宽、动态范围大、体积小和重量轻等优点，因而获得广泛应用。压电式力传感器的工作原理是利用压电晶体的压电效应，即压电式力传感器的输出电荷信号与外力成正比。图14 压电力传感器示意图3.8阻抗头图15 阻抗头结构简图阻抗头是一种综合性传感器。它集压电式力传感器和压电式加速度传感器于一体，其作用是在力传递点测量激振力的同时测量该点的运动响应。因此阻抗头由两部分组成，一部分是力

14、传感器，另一部分是加速度传感器，它的优点是，保证测量点的响应就是激振点的响应。使用时将小头（测力端）连向结构，大头（测量加速度）与激振器的施力杆相连。从“力信号输出端”测量激振力的信号，从“加速度信号输出端”测量加速度的响应信号。注意，阻抗头一般只能承受轻载荷，因而只可以用于轻型的结构、机械部件以及材料试样的测量。无论是力传感器还是阻抗头，其信号转换元件都是压电晶体，因而其测量线路均应是电压放大器或电荷放大器。3.9电阻应变式传感器电阻式应变式传感器是将被测的机械振动量转换成传感元件电阻的变化量。实现这种机电转换的传感元件有多种形式，其中最常见的是电阻应变式的传感器。图16 应变片加速度传感器

15、结构示意图电阻应变片的工作原理为：应变片粘贴在某试件上时，试件受力变形，应变片原长变化，从而应变片阻值变化，实验证明，在试件的弹性变化范围内，应变片电阻的相对变化和其长度的相对变化成正比。第4章 振动传感器的选择振动传感器按工作原理分，有电涡流型、速度型、加速度型、电容型、电感型等五种。后两种因受周围介质影响较大，目前已很少采用。在振动测试中合理地选择振动传感器，不但可以获得满意的测试结果，也可节省劳力和时间，而且对于尽快查明振动故障原因，提高转子平衡精度和减少机器起停次数，都有着重要作用。4.1电涡流位移（振动）传感器 电涡流传感器能静态和动态地非接触、高线性度、高分辨力地测量被测金属导体距

16、探头表面的距离。它是一种非接触的线性化计量工具。电涡流传感器能准确测量被测体（必须是金属导体）与探头端面之间静态和动态的相对位移变化。在高速旋转机械和往复式运动机械的状态分析，振动研究、分析测量中，对非接触的高精度振动、位移信号，能连续准确地采集到转子振动状态的多种参数。如轴的径向振动、振幅以及轴向位置。从转子动力学、轴承学的理论上分析，大型旋转机械的运动状态，主要取决于其核心转轴，而电涡流传感器，能直接非接触测量转轴的状态，对诸如转子的不平衡、不对中、轴承磨损、轴裂纹及发生摩擦等机械问题的早期判定，可提供关键的信息。电涡流传感器以其长期工作可靠性好、测量范围宽、灵敏度高、分辨率高、响应速度快

17、、抗干扰力强、不受油污等介质的影响、结构简单等优点，在大型旋转机械状态的在线监测与故障诊断中得到广泛应用。电涡流传感器系统广泛应用于电力、石油、化工、冶金等行业和一些科研单位。对汽轮机、水轮机、鼓风机、压缩机、空分机、齿轮箱、大型冷却泵等大型旋转机械轴的径向振动、轴向位移、键相器、轴转速、胀差、偏心、以及转子动力学研究和零件尺寸检验等进行在线测量和保护。4.1.1 电涡流传感器的基本原理根据法拉第电磁感应原理，块状金属导体置于变化的磁场中或在磁场中作切割磁力线运动时，导体内将产生呈涡旋状的感应电流，此电流叫电涡流，以上现象称为电涡流效应。而根据电涡流效应制成的传感器称为电涡流式传感器。前置器中

18、高频振荡电流通过延伸电缆流入探头线圈，在探头头部的线圈中产生交变的磁场。当被测金属体靠近这一磁场，则在此金属表面产生感应电流，与此同时该电涡流场也产生一个方向与头部线圈方向相反的交变磁场，由于其反作用，使头部线圈高频电流的幅度和相位得到改变（线圈的有效阻抗），这一变化与金属体磁导率、电导率、线圈的几何形状、几何尺寸、电流频率以及头部线圈到金属导体表面的距离等参数有关。通常假定金属导体材质均匀且性能是线性和各项同性，则线圈和金属导体系统的物理性质可由金属导体的电导率、磁导率、尺寸因子、头部体线圈与金属导体表面的距离D、电流强度I和频率参数来描述。则线圈特征阻抗可用Z=F(, , , D, I,

19、)函数来表示。通常我们能做到控制, , , I, 这几个参数在一定范围内不变，则线圈的特征阻抗Z就成为距离D的单值函数，虽然它整个函数是一非线性的，其函数特征为“S”型曲线，但可以选取它近似为线性的一段。于此，通过前置器电子线路的处理，将线圈阻抗Z的变化，即头部体线圈与金属导体的距离D的变化转化成电压或电流的变化。输出信号的大小随探头到被测体表面之间的间距而变化，电涡流传感器就是根据这一原理实现对金属物体的位移、振动等参数的测量。其工作过程是：当被测金属与探头之间的距离发生变化时，探头中线圈的Q值也发生变化，Q值的变化引起振荡电压幅度的变化，而这个随距离变化的振荡电压经过检波、滤波、线性补偿、

20、放大归一处理转化成电压（电流）变化，最终完成机械位移(间隙)转换成电压（电流）。由上所述，电涡流传感器工作系统中被测体可看作传感器系统的一半，即一个电涡流位移传感器的性能与被测体有关。按照电涡流在导体内的贯穿情况，此传感器可分为高频反射式和低频透射式两类，但从基本工作原理上来说仍是相似的。电涡流式传感器最大的特点是能对位移、厚度、表面温度、速度、 应力、材料损伤等进行非接触式连续测量，另外还具有体积小，灵敏度高，频率响应宽等特点，应用极其广泛。4.1.2 电涡流传感器的典型应用电涡流传感器系统广泛应用于电力、石油、化工、冶金等行业和一些科研单位。对汽轮机、水轮机、鼓风机、压缩机、空分机、齿轮箱

21、、大型冷却泵等大型旋转机械轴的径向振动、轴向位移、键相器、轴转速、胀差、偏心、以及转子动力学研究和零件尺寸检验等进行在线测量和保护。1、相对振动测量测量径向振动，可以由它分析轴承的工作状态，还可以看到分析转子的不平衡，不对中等机械故障。电涡流传感器系统可以提供对于下列关键或是基础机械状态监测所需要的信息：工业透平，蒸汽/燃气压缩机，径向/轴向膨胀机动力发电透平，蒸汽/燃气/水利 发动马达 发动机 励磁机齿轮箱泵风箱 鼓风机往复式机械（1）相对振动测量（小型机械）振动测量同样可以用于对一般性的小型机械进行连续监测。电涡流传感器系统可为如下各种机械故障的早期判别提供重要信息：轴的同步振动油膜失稳

22、转子摩擦部件松动 轴承套筒松动压缩机踹振 滚动部件轴承失效径向预载，内部/外部包括不对中 轴承巴氏合金磨损轴承间隙过大，径向/轴向 平衡（阻气）活塞联轴器“锁死”磨损/失效 轴裂纹轴弯曲 齿轮咬合问题电动马达空气间隙不匀 叶轮通过现象透平叶片通道共振（2）偏心测量偏心是在低转速的情况下，电涡流传感器系统可对轴弯曲的程度进行测量，这些弯曲可由下列情况引起：原有的机械弯曲临时温升导致的弯曲 重力弯曲外力造成的弯曲偏心的测量，对于评价旋转机械全面的机械状态，是非常重要的。特别是对于装有透平监测仪表系统（TSI）的汽轮机，在启动或停机过程中，偏心测量已成为不可少的测量项目。它使你能看到由于受热或重力所

23、引起的轴弯曲的幅度。转子的偏心位置，也叫轴的径向位置，它经常用来指示轴承的磨损，以及加载荷的大小。如由不对中导致的那种情况，它同时也用来决定轴的方位角，方位角可以说明转子是否稳定。（3）胀差测量对于汽轮发电机组来说，在其启动和停机时，由于金属材料的不同，热膨胀系数的不同，以及散热的不同，轴的热膨胀可能超过壳体膨胀；有可能导致透平机的旋转部件和静止部件（如机壳、喷嘴、台座等）的相互接触，导致机器的破坏。因此胀差的测量是非常重要的。 2、转速测量对于所有旋转机械而言，都需要监测旋转机械轴的转速，转速是衡量机器正常运转的一个重要指标。旋转测量通常有以下几种传感器可选：电涡流转速传感器、无源磁电转速传

24、感器、有源磁电转速传感器等。具有需要选择那类传感器，则要根据转速测量的要求转速等，转速发生装置有以下几种：用标准的渐开的线齿数（M1M5）作转速发生信号，在转轴上开一键槽、在转轴在转轴上开孔眼、在轴转上凸键等转速发生信号装置。无源磁电式传感器是针对测齿轮而设计的发电型传感器（无源），不适合测零转速和较低转速，因低频时，幅值信号小，抗干扰能力差，它不需要供电。有源磁电式传感器采用了电源供电，输出波形为矩形波，具有负载驱动能力，适合测量 0.03HZ以上转速信号。而电涡流传感器测量转速的优越性是其它任何传感器测量没法比的，它既能响应零转速，也能响应高转速。对于被测体转轴的转速发生装置要求也很低，被

25、测体齿轮数可以很小，被测体也可以是一个很小的孔眼，一个凸键，一个小的凹键。电涡流传感器测转速，通常选用3mm、4mm、5mm、8mm、10mm的探头。转速测量频响为010KHZ。电涡流传感器测转速，传感器输出的信号幅值较高（在低速和高速整个范围内）抗干扰能力强。作转速测量的电涡流传感器有一体化和分体两种。一体化电涡流转速传感器取消前置器放大器、安装方便、适用于工作温度在20100的环境下,带前置器放大器的电涡流传感器适合在50250的工作环境中。 3、滚动轴承、电机换向器整流片动态监控对使用滚动轴承的机器预测性维修很重要。探头安装在轴承外壳中，以便观察轴承外环。由于滚动元件在轴承旋转时，滚动元

26、件与轴承有缺陷的地方相碰撞时，外环会产生微小变形。监测系统可以监测到这种变形信号，当信号变形时意味着发生了故障，如滚动元件的裂纹缺陷或者轴承环的缺陷等，还可以测量轴承内环运行状态，经过运算可以测量轴承打滑度。 4.1.3 电涡流传感器测量时的安装要求1、轴的径向振动测量当需要测量轴的径向振动时，要求轴的直径大于探头直径的三倍以上。每个测点应同时安装两个传感器探头，两个探头应分别安装在轴承两边的同一平面上相隔90o5o。由于轴承盖一般是水平分割的，因此通常将两个探头分别安装在垂直中心线每一侧45o，从原动机端看，分别定义为X探头（水平方向）和Y探头（垂直方向），X方向在垂直中心线的右侧，Y方向在

27、垂直中心线的左侧。轴的径向振动测量时探头的安装位置应该尽量靠近轴承，如图所示，否则由于轴的挠度，得到的值会有偏差。探头中心线应与轴心线正交，探头监测的表面（正对探头中心线的两边1.5倍探头直径宽度的轴的整个圆周面，如图）应无裂痕或其它任何不连续的表面现象（如键槽、凸凹不平、油孔等），且在这个范围内不能有喷镀金属或电镀，其表面的粗糟度应在0.4 um至0.8um之间。 2、轴的轴向位移测量测量轴的轴向位移时，测量面应该与轴是一个整体，这个测量面是以探头的中心线为中心，宽度为1.5倍的探头圆环。探头安装距离距止推法兰盘不应超过305mm，否则测量结果不仅包含轴向位移的变化，而且包含胀差在内的变化，

28、这样测量的不是轴的真实位移值。 3、键相测量键相测量就是通过在被测轴上设置一个凹槽或凸键，称键相标记。当这个凹槽或凸键转到探头位置时，相当于探头与被测面间距突变，传感器会产生一个脉冲信号，轴每转一圈，就会产生一个脉冲信号，产生的时刻表明了轴在每转周期中的位置。因此通过对脉冲计数，可以测量轴的转速；通过将脉冲与轴的振动信号比较，可以确定振动的相位角，用于轴的动平衡分析以及设备的故障分析与诊断等方面。凹槽或凸键要足够大，以使产生的脉冲信号峰峰值不小于5V。一般若采用5、8探头，则这一凹槽或凸键宽度应大于7.6mm、深度或高度应大于1.5mm（推荐采用2.5mm以上）、长度应大于0.2mm。凹槽或凸

29、键应平行于轴中心线，其长度尽量长，以防当轴产生轴向窜动时，探头还能对着凹槽或凸键。为了避免由于轴相位移引起的探头与被测面之间的间隙变化过大，应将键相探头安装在轴的径向，而不是轴向的位置。应尽可能地将键相探头安装在机组的驱动部分上，这样即使机组的驱动部分与载荷脱离，传感器仍会有键相信号输出。当机组具有不同的转速时通常需要有多套键相传感器探头对其进行监测，从而可以为机组的各部分提供有效的键相信号。键相标记可以是凹槽，也可以是凸键，如图所示，标准要求用凹槽的形式。当标记是凹槽时，安装探头要对着轴的完整部分调整初始安装间隙（安装在传感器的线性中点为宜），而不是对着凹槽来调整初始安装间隙。而当标记是凸键

30、时探头一定要对着凸起的顶部表面调整初始安装间隙（安装在传感器的线性中点为宜），不是对着轴的其它完整表面进行调整。否则当轴转动时，可能会造成凸键与探头碰撞，剪断探头。 4.1.4被测体对电涡流传感器特性的影响1、被测体材料对传感器的影响传感器特性与被测体的电导率、磁导率有关，当被测体为导磁材料（如普通钢、结构钢等）时，由于涡流效应和磁效应同时存在，磁效应反作用于涡流效应，使得涡流效应减弱，即传感器的灵敏度降低。而当被测体为弱导磁材料（如铜，铝，合金钢等）时，由于磁效应弱，相对来说涡流效应要强，因此传感器感应灵敏度要高。2、被测体表面平整度对传感器的影响不规则的被测体表面，会给实际的测量带来附加误

31、差，因此对被测体表面应该平整光滑，不应存在凸起、洞眼、刻痕、凹槽等缺陷。一般要求，对于振动测量的被测表面粗糙度要求在0.4um0.8um之间；对于位移测量被测表面粗糙度要求在0.4um1.6um之间。3、被测体表面磁效应对传感器的影响电涡流效应主要集中在被测体表面，如果由于加工过程中形成残磁效应，以及淬火不均匀、硬度不均匀、金相组织不均匀、结晶结构不均匀等都会影响传感器特性。在进行振动测量时，如果被测体表面残磁效应过大，会出现测量波形发生畸变。4、被测体表面镀层对传感器的影响被测体表面的镀层对传感器的影响相当于改变了被测体材料，视其镀层的材质、厚薄，传感器的灵敏度会略有变化。5、被测体表面尺寸

32、对传感器的影响由于探头线圈产生的磁场范围是一定的，而被测体表面形成的涡流场也是一定的。这样就对被测体表面大小有一定要求。通常，当被测体表面为平面时，以正对探头中心线的点为中心，被测面直径应大于探头头部直径的1.5倍以上；当被测体为圆轴且探头中心线与轴心线正交时，一般要求被测轴直径为探头头部直径的3倍以上，否则传感器的灵敏度会下降，被测体表面越小，灵敏度下降越多。实验测试，当被测体表面大小与探头头部直径相同，其灵敏度会下降到72%左右。被测体的厚度也会影响测量结果。被测体中电涡流场作用的深度由频率、材料导电率、导磁率决定。因此如果被测体太薄，将会造成电涡流作用不够，使传感器灵敏度下降，一般要求厚

33、度大于0.1mm以上的钢等导磁材料及厚度大于0.05mm以上的铜、铝等弱导磁材料，则灵敏度不会受其厚度的影响。4.1.5优缺点综述优点：1.可以直接测量转轴振动，而且能作静态和动态测量，适用于绝大多数机器的环境条件；2.输出信号与振动位移成正比，对于采用振幅描述振动状态的大多数机器来说，它可以获得较高的输出信号。3.结构简单、尺寸小，对于汽轮发电机组振动来说，具有合适的频响范围，标定（校验）较容易。4.除测量振动和部件静态位置外，还可测量轴中心的位置，起动过程中轴中心的移动轨迹，轴承中心的变化等。此外，还可以作为转速测量和振动相位测量的键相信号。缺点：1.当测量振动物体材料不同时，影响传感器线

34、性范围和灵敏度，需要重新标定。2.需外加电源，安装比较麻烦，要求十分严格，而且必须配前置器。4.2速度传感器物体的运动速度分为线速度和角速度（转速），对于不同的测试对象，不同的测量精度等情况，所采用的速度传感器类型及测试原理也各不一样。因此，在选用各种速度传感器时，需对它们的工作原理，性能和特点有所了解，以便于获得准确的测试结果。4.2.1微积分电路法 由于速度是位移对时间的微分，对加速度的积分，因此把任何一个位移传感器的输出电信号通过微分电路进行微分，或者把加速度传感器的输出电信号通过积分电路进行积分，就可得到与速度成比例的电信号。这种方法存在的主要问题是微分会增强信号中低幅高频噪声成分。另

35、外从交流传感器的输出，经过解调和滤波后所得到的信号中存在有载频纹波，也会带来一定的麻烦。4.2.2平均速度法 平均速度法适合于测量运动较平稳的物体的速度。该方法是通过已知的位移x和相应的时间间隔t来测量平均速度 ，即当t尽量减小而趋近于零时，平均速度所趋向的极限值可描述该点的瞬时速度，通常用来测量运动物体的初速度或末速度，如果被测对象作匀速运动，取较大的位移x和时间间隔t可获得较高的测量精度。如果被测对象作变速运动，则间距x应当足够小，使物体在该段距离上的速度没有明显的变化。这样，所测得的平均速度才能反映这段距离（时间）内的运动状态。为在已知位移x上得到比较精确的时间间隔t，可采用适当的区截装

36、置，在位移始末两端产生可控制测时过程的电信号。产生控制测时过程电信号的装置称为区截装置，简称为靶。放置在测时间距起点者称为靶，放置在测时间距终点者称为靶。区截装置的结构常因具体测量对象不同而异。常用的区截装置有线圈靶、光电靶、天幕靶、声靶等。下面介绍几种适于测量高速运动体（如弹丸）平均速度的区截装置。（1）线圈靶线圈靶是利用电磁感应原理制作的区截装置。因此，要求待测运动体必须是导磁体，线圈靶分感应式线圈靶和励磁式线圈靶两种。前者需将待测运动体事先磁化，当运动体穿过线圈靶时，造成穿过线圈的磁通量变化，在线圈内产生感应电势，形成区截信号。后者有两组线圈，内层为励磁线圈，工作时通入直流激磁电流，产生

37、一个恒定磁场。外层为感应线圈，被测运动体不需事先磁化，当运动体穿过线圈时，将使穿过感应线圈的磁通量发生变化，产生感应电动势，即区截信号。在配用线圈靶的测时仪中，使电子门动作的触发电压的大小和极性是一定的（不同型号的测时仪这种规定不一定相同）。安装线圈靶时，还应注意线圈靶的方向及使弹道和两靶连心线尽量一致，否则，也将引入系统误差。（2） 天幕靶天幕靶是一种光电靶，其利用太阳光在大气中散射而形成的自然光为光源。天幕靶对弹丸材料没有特殊要求，对弹丸飞行没有干扰，具有其它区截装置所没有的特殊优点。如图根据透镜成象原理，发光体ab所成的象为。如在象前装一个光阑，则只有光阑上狭缝所允许通过的光才能成象于。

38、如对准安装一个光敏元件，它所接收的只是垂直于纸面方向（与光阑狭缝平行），宽度为cd的一条光幕的光。当弹丸飞过该光幕时，弹丸的影像将使照射到光敏元件上的光通量发生变化，使光敏元件产生的电信号发生变化，发出区截信号。因此，天幕靶是以天光形成的光幕为区截面的，故而有此名称。4.2.3瞬时速度法 工程中许多机械运动部件的速度变化是瞬息万变的自动武器的心脏，自动机的运动的变化是十分剧烈的，在自由行程阶段，在短短的12毫秒内，枪机框的速度就由静止急剧地上升到10米/秒左右，在开锁、带动枪机、后座到位、闭锁、复进到位机构动作过程中，都有撞击存在，引起速度的突变，而枪机框的复进段，运动曲线的变化又比较平缓。永

39、磁型感应测速传感器的结构原理如图所示。在两根互相平行的铁芯2和5上分别均匀地密绕一层漆包线3和6，称为速度线圈。在铁芯5上开有等间距的窄凹槽，相邻两槽的间距为s，称为节距，在凹槽内嵌绕着位移线圈7，它的绕法是相邻两个位移槽内绕组的绕向相反。两根平行的铁芯线圈之间是一块永久磁铁1，使用时和被测件固接，永久磁铁在铁芯中形成的磁路如图中的虚线所示。在永久磁铁1和铁芯2、5之间的间隙内，将形成一个磁场，其方向垂直向上（下），并设磁感应强度为B。 当运动机构运动时，带动永久磁铁沿铁芯线圈轴线方向运动。这时，速度线圈将切割磁力线，因此线圈内将产生感应电动势e。若n为单位长度内速度线圈的匝数，u为永久磁铁的

40、速度，根据电磁感应定律，有。对于一定的均匀密绕的速度线圈来讲，n是一个常数；在永久磁铁和铁芯线圈之间的间隙中的磁感应强度B也近似恒定，因此，速度线圈中的感应电动势e和被测运动体的速度u成正比。传感器有两个速度线圈3和6，这两个速度线圈应串联连接，使它们的感应电动势相加。该连接方法一方面可提高传感器的灵敏度；另一方面，也是更重要的，就是当被测运动部件，如除水平运动之外，在垂直方向也有微小跳动，这会改变磁铁和铁芯间的间距，从而使间隙中的磁感应强度B发生变化。如只有一个速度线圈，B的变化将使感应电动势和速度之间的比例系数发生变化，从而破坏了感应电动势和速度之间的正比关系，引入测量误差。如果使用两个速

41、度线圈，当永久磁铁和上铁芯线圈之间的间隙减小时，永久磁铁和下铁芯线圈之间的间隙就将增大，上、下间隙之和保持不变，两个速度线圈的电动势是串联相加的，则上下跳动对感应电动势的影响就能相互补偿，使总的输出电动势基本上不受上下跳动的影响，而和运动体速度成正比。当永久磁铁运动时，在位移线圈中也要产生感应电动势。由于位移线圈中两个相邻绕组的绕向相反，对外电路来说，相邻绕组中产生的感应电动势的方向是相反的，所以，位移线圈输出的电动势是锯齿形的。产生锯齿波的峰尖的时刻，正是永久磁铁经过某个位移绕组的时刻；而相邻的峰尖和峰谷对应的时间间隔相当于永久磁铁通过一个节距所用的时间。 永磁型感应测速传感器的铁芯应采用软

42、磁材料，即它们的剩磁强度和矫顽力应尽可能的小。如剩磁强度较大，铁芯上的剩磁沿铁芯长度的分布必然是不均匀的，将破坏永久磁铁运动时磁感应强度B随位置改变的条件，而使传感器的感应电动势不仅和磁铁的速度有关，还和磁铁的位置有关，这样就破坏了感应电动势和磁铁速度之间的线性关系。此外，当磁铁运动时，除了速度线圈和位移线圈中产生感应电动势之外，如果铁芯是用良导体制成，并具备形成回路的条件，那么，铁芯的表面也将产生感应电动势，并形成感应电流，这就是涡电流，涡流也要在传感器线圈中产生感应电动势。由于涡流的磁场总是力图阻止外磁场的变化，所以，涡流引起的感应电动势将阻止速度线圈中的总感应电动势追随磁铁速度的变化。当

43、涡流严重时，传感器的灵敏度和动态特性将严重下降。因此，选择铁芯材料和结构形式时应尽可能地阻止铁芯中产生涡流。自然，铁芯材料应当是高导磁率的，以提高传感器的灵敏度。根据以上考虑，坡莫合金，一种经特殊热处理后的铁镍合金是较好的铁芯材料。 传感器的永久磁铁应选用剩磁强度和矫顽力尽可能大的硬磁材料，以提高传感器的灵敏度，并使磁铁具有抗工作过程中的振动和撞击而保持磁性不变的能力。如铝镍钴粉末永磁合金就是一种较理想的材料。永久磁铁的宽度应小于位移线圈的节距。4.2.4转速测量转速也是工程上经常碰到的一个参数。所谓转速就是转轴旋转的速度，用旋转体每分钟内的转速来表示，单位为r/min。 决定转速测量方案选择

44、的几点要素（1）被测物体运动的速度范围：超低速（0.102.00r/min）；低速（0.5500r/min）；中高速（2020000r/min）；高速（500200000r/min）；超高速（500600000r/min）；全速（0.10600000r/min）。测速范围作为基本参数，直接关系到传感器和测速仪的选择；比如在2020000r/min这一测速范围，函盖了低速、中高速，满足这一测速范围的传感器和测速仪表品种比较多；如果测速范围在20r/min以下，甚至0.1r/min以下，这就是超低转速测量，不是普通的传感器和测速仪表能满足的了。（2）被测物体可测点几何形状及环境条件：轴（光轴/带孔

45、/带槽/带销/叶片）；传动齿轮/皮带。被测物体可测点几何形状，关系到适用传感器的品种，可测点周边空间关系到选用传感器的可安装性，可测点环境关系到传感器和仪表的耐受特性。被测物体可测点几何状况及环境条件，往往是传感器和测速仪的最大制约因数。比如一种微型电机，被测旋转轴直径只有1.5mm，只有端面露在外面，且此轴没有负载能力，如何检测？再如被测物体转速0.102.00r/min，要求测量仪表输出420mA的标准信号，测量环境70，这就要求传感器和测速仪不光满足测速范围的要求，还要满足环境温度的要求。（3）动态/静态显示、记录、控制动态测量和静态测量，关系到测量方法和瞬时转速的概念，静态测量一般选用

46、的采样时间为0.5秒到2秒，超低转速时，可延时到60秒。动态测量一般采样时间选择小于0.1秒，高速采样时，要求采样时间不超过0.01秒。在线测量有时作为观测手段，只需要显示；有时作为反馈，用于系统调节，有时用于报警控制。（4）误差、响应时间、输出控制形式等。误差、响应时间、输出控制形式，直接关系到测量目的能否达到。 转速测量方法有多种，按输出信号的特点可分为模拟式和数字式两类数字式转速测量系统由频率式转速传感器、数字转换电路和数字显示器等部分组成。首先由传感器把转速转变成频率信号，再通过测量信号的频率或周期来测量转速。（1）频率式转速传感器把转速转换成脉冲系列的传感器常用者有磁电感应式、电涡流

47、式、霍尔式、磁敏二极管或三极管式和光电式传感器。A、磁电感应式转速传感器磁电感应式转速传感器的结构原理如图所示。当安装在被测转轴上的齿轮（导磁体）旋转时，其齿依次通过永久磁铁两磁极间的间隙，使磁路的磁阻和磁通发生周期性变化，从而在线圈上感应出频率和幅值均与轴转速成比例的交流电压信号u0。由于感应电压与磁通的变化率成比例，即（W是线圈匝数），故随着转速下降输出电压幅值减小，当转速低到一定程度时，电压幅值会减小到无法检测出来的程度。故这种传感器不适合于低速测量。B、为提高低转速的测量效果，可采用电涡流式、霍尔式、磁敏二极管（或三极管）式转速传感器它们的共同特点是输出电压幅值受转速影响很小。磁敏、磁

48、电、霍尔和部分接近开关同属磁性传感器，但它们也有适用性的差异，选用时注意比较。 电涡流传感器测量转速的优越性是其它任何传感器测量没法比的，它既能响应零转速，也能响应高转速。对于被测体转轴的转速发生装置要求也很低，被测体齿轮数可以很小，被测体也可以是一个很小的孔眼，一个凸键，一个小的凹键。电涡流传感器测转速，通常选用3mm、4mm、5mm、8mm、10mm的探头。转速测量频响为010KHZ。电涡流传感器测转速，传感器输出的信号幅值较高（在低速和高速整个范围内）抗干扰能力强。作转速测量的电涡流传感器有一体化和分体两种。一体化电涡流转速传感器取消前置器放大器、安装方便、适用于工作温度在-20100的

49、环境下，带前置器放大器的电涡流传感器适合在-50250的工作环境中。C、光电频率转速传感器光电式转速传感器分为反射式和透射式两大类，它们都由光源、光路系统、调制器和光敏元件组成，如图所示。调制器的作用是把连续光调制成光脉冲信号，可在其上开有均匀分布的多个缝隙（或小孔），或是直接在被测转轴的某一部位上涂以黑白相间的条纹。当安装在被测轴上的调制器随被测轴一起旋转时，利用圆盘缝隙（或小孔）的透光性，或黑白条纹对光的吸收或反射性把被测转速调制成相应的光脉冲。光脉冲照射到光敏元件上时，即产生相应的电脉冲信号，从而把转速转换成了电脉冲信号。把它做成一个整理，就是我们最常用的光电编码器。（2）数字化电路 为

50、了读出被测转速值，还需要进一步把传感器输出信号的频率或周期转换成数字量，以便于数字显示。如果在一确定的时间t内，被测信号产生的脉冲个数为NP，则按定义其频率为因此，如果能够测出已知的时间间隔内的脉冲数，就可按上式计算出信号的频率。根据这一原理，频率/数字转换电路至少应该包括时基电路、计数控制门和计数器三个基本环节，如图所示。时基电路的功能是提供时间基准（又称为时标），它由晶体振荡器和分频器电路组成。振荡器输出的标准频率信号经放大整形和分频后，产生出以脉冲宽度形式表示的时间基准来控制计数门，在t时间内分频器输出为高电平，计数控制门打开，被测信号脉冲通过，进入计数器计数。在t时间之外，分频器输出为

51、低电平，计数控制门被阻塞，不许被测信号脉冲通过。数字式转速测量系统除应包括转速传感器、数字化转换电路和显示器外，由于实际测量总是在一段时间内连续进行的，因此在每个测量循环开始之前，必须首先对时基电路、计数器和显示器进行清零。另外也需要使显示延长一定的时间，以便观察测量结果。故系统中还应设有完成这些功能的控制逻辑电路。4.2.5优点列举优点：1.安装简单，可适用于绝大数机器的环境条件。2.不需外加电源，振动信号不经任何处理可以传送到需要的地方。3.活动部件易损坏，低频响应不好。一般速度传感器在15Hz以下，将产生较大的振幅和相位误差，这种影响在3n时才完全消息（n为传感器的自振频率。）注：目前已

52、有部分厂家已开发出低频速度传感器，可以测量0.560Hz。4.3加速度传感器4.3.1什么是加速度传感器 加速度传感器是一种能够测量加速力的电子设备。加速力就是当物体在加速过程中作用在物体上的力，就好比地球引力，也就是重力。加速力可以是个常量，比如g，也可以是变量。 加速度计有两种：一种是角加速度计，是由陀螺仪（角速度传感器）的改进的。另一种就是线加速度计。4.3.2加速度传感器一般用在哪里 通过测量由于重力引起的加速度，你可以计算出设备相对于水平面的倾斜角度。通过分析动态加速度，你可以分析出设备移动的方式。但是刚开始的时候，你会发现光测量倾角和加速度好像不是很有用。但是，现在工程师们已经想出

53、了很多方法获得更多的有用的信息。 加速度传感器可以帮助你的机器人了解它现在身处的环境。是在爬山？还是在走下坡，摔倒了没有？或者对于飞行类的机器人来说，对于控制姿态也是至关重要的。更要确保的是，你的机器人没有带着炸弹自己前往人群密集处。一个好的程序员能够使用加速度传感器来回答所有上述问题。加速度传感器甚至可以用来分析发动机的振动。 目前最新IBM Thinkpad手提电脑里就内置了加速度传感器，能够动态的监测出笔记本在使用中的振动，并根据这些振动数据，系统会智能的选择关闭硬盘还是让其继续运行，这样可以最大程度的保护由于振动，比如颠簸的工作环境，或者不小心摔了电脑做造成的硬盘损害，最大程度的保护里

54、面的数据。另外一个用处就是目前用的数码相机和摄像机里，也有加速度传感器，用来检测拍摄时候的手部的振动，并根据这些振动，自动调节相机的聚焦。 概括起来，加速度传感器可应用在控制，手柄振动和摇晃，仪器仪表，汽车制动启动检测，地震检测，报警系统，玩具，结构物、环境监视，工程测振、地质勘探、铁路、桥梁、大坝的振动测试与分析；鼠标，高层建筑结构动态特性和安全保卫振动侦察上。4.3.3加速度传感器是如何工作的 线加速度计的原理是惯性原理，也就是力的平衡，A（加速度）=F（惯性力）/M（质量）我们只需要测量F就可以了。怎么测量F？用电磁力去平衡这个力就可以了。就可以得到 F对应于电流的关系。只需要用实验去标

55、定这个比例系数就行了。当然中间的信号传输、放大、滤波就是电路的事了。 现代科技要求加速度传感器廉价、性能优越、易于大批量生产。在诸如军工、空间系统、科学测量等领域，需要使用体积小、重量轻、性能稳定的加速度传感器。以传统加工方法制造的加速度传感器难以全面满足这些要求。于是应用新兴的微机械加工技术制作的微加速度传感器应运而生。这种传感器体积小、重量轻、功耗小、启动快、成本低、可靠性高、易于实现数字化和智能化。而且，由于微机械结构制作精确、重复性好、易于集成化、适于大批量生产，它的性能价格比很高。可以预见在不久的将来，它将在加速度传感器市场中占主导地位。 微加速度传感器有压阻式、压电式、电容式等形式

56、。 压电式 压电式传感器是利用弹簧质量系统原理。敏感芯体质量受振动加速度作用后产生一个与加速度成正比的力，压电材料受此力作用后沿其表面形成与这一力成正比的电荷信号。压电式加速度传感器具有动态范围大、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，是被最为广泛使用的振动测量传感器。虽然压电式加速度传感器的结构简单，商业化使用历史也很长，但因其性能指标与材料特性、设计和加工工艺密切相关，因此在市场上销售的同类传感器性能的实际参数以及其稳定性和一致性差别非常大。与压阻和电容式相比，其最大的缺点是压电式加速度传感器不能测量零频率的信号。 压阻式 应变压阻式加速度传感器的敏感芯体为半导体材料制成电阻测量电桥，其结构动态模型仍然是弹簧质量系统。现代微加工制造技术的发展使压阻形式敏感芯体的设计具有很大的灵活性以适合各种不同的测量要求。在灵敏度和量程方面，从低灵敏度高量程的冲击测量，到直流高灵敏度的低频测量都有压阻形式的加速度传感器。同时压阻式加速度传感器测量频率范围也可从直流信号到具有刚度高，测量频率范围到几十千赫兹的高频测量。超小型化的设计也是压阻式传感器的一个亮点。需要指出的是尽管压阻敏感芯体的设计和应用具有很大灵活性，但对某个特定设计的压阻式芯体而言其使用范围一般要小于压电型传感器。压阻式加速度