大型旋转机械振动研讨班资料之一(振动传感器基础知识)

1、大型旋转机械振动研讨班资料之一大型旋转机械测量、监测和分析振动传感器基础知识编写 目录030303030405050606060608080808090910101111111111111113131313131414141414141502概述­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­

2、73;­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­1.振动测量传感器­­­­­­

3、­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­

4、­­­­­­1.1振动测量传感器工作原理­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­

5、3;­­­­­­­1.1.1电涡流位移振幅传感器­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­&

6、#173;­­­­1.1.1.1工作原理­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­&#

7、173;­­­­­­­­­­­­1.1.1.2使用方法­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­

8、73;­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­1.1.2磁电式速度传感器­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­&#

9、173;­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­1.1.2.1结构原理­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­

10、73;­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­1.1.2.2电气原理­­­­­­­­­­­­­­­­­

11、3;­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­1.1.3压电式加速度传感器­­­­­­­­­&#

12、173;­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­1.1.3.1压电式加速度计结构­­­­­­­­

13、3;­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­1.1.3.2压电式加速度计的工作原理­­­­­­­­­

14、73;­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­1.2振动测量传感器使用方法及注意事项­­­­­­­­­­­­­­­­&#

15、173;­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­1.2.1传感器的安装和固定­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­

16、­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­1.2.2传感器的测点布置­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­

17、;­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­1.2.3振动传感器安装座的选择­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­&

18、#173;­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­1.2.4振动传感器的安装方法­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­

19、3;­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­1.2.5传感器对被测构件附加质量的影响­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­&#

20、173;­­­­­­­­­1.2.6传感器安装角度引起的误差­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­

21、73;­­­­1.2.7其它问题­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­

22、­­­­­­­­­­­­­­1.3振动测量传感器的选择原则­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­

23、73;­­­­­­­­­­­­­1.3.1压电式加速度计的选择­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­

24、­­­­­­­­­­­­1.3.1.1加速度计的类型­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­

25、3;­­­­­­­­­­­­­­1.3.1.2加速度计的频率响应­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­

26、­­­­­­­­­­­­­1.3.1.3加速度计的灵敏度­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­

27、73;­­­­­­­­­­­­­1.3.1.4加速度计的质量­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­&

28、#173;­­­­­­­­­­­­­­­1.3.1.5加速度计的动态范围­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­

29、73;­­­­­­­­­­­­­­1.3.1.6横向效应­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­

30、3;­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­1.3.1.7瞬态响应­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­

31、;­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­1.3.1.8温度影响­­­­­­­­­­­­­­­­­­

32、­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­1.3.1.9基座应变­­­­­­­­­­&

33、#173;­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­1.3.1.10核辐射­­&#

34、173;­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­&#

35、173;­­­­1.3.1.11磁场­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­

36、3;­­­­­­­­­­­­­­­1.3.1.12湿度­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­

37、­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­1.3.1.13噪声­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­&#

38、173;­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­1.3.2振动速度传感器的选择­­­­­­­­­­­

39、;­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­1.3.3电涡流位移振幅传感器的选择­­­­­­­­­­­­

40、;­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­1.3.3.1探头的选择­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­

41、;­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­1.3.3.2前置器的选择­­­­­­­­­­­­­

42、3;­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­概述振动问题在工程实际中是处处存在的，严重的振动，会使机器和设备以及人员带来各种危害。概括起来，表现在以下几方面：强烈而持续的振动会导致结构

43、的疲劳破坏，强烈的冲击会引起结构的瞬时断裂，造成严重事故。大型汽轮发电机组曾因轴承振动疲劳而发展到转子断成数段飞出数百米外，美国的塔柯马大桥因风振而断毁。水轮机振动造成的设备事故也屡见不鲜。强烈的振动会导致设备的失效，例如强烈的振动会使仪器仪表的精度降低，元件损坏，甚至失灵。强烈或持续的振动会使机件松动、密封破坏，以至不能工作。振动的环境对仪器设备的可靠性造成严重的威胁。强烈的振动环境对人体会造成严重的危害。例如坐车辆的随机振动频带在30赫兹左右时，人的腹腔将发生共振，因而要呕吐。当频带在300到400赫兹时，人的脑腔将发生共振，使人头昏。振动又是噪音的重要来源。强噪音造成环境污染，使人不能正

44、常工作，并造成各种职业病或污染性病害，危及人类健康。轻微的振动是无法避免的，但是剧烈的振动会带来许多危害性。发动机振动不但使发动机零、部件应力增大。强度降低，最终会导致发动机寿命缩短。风机的振动不仅有机械振动，应力、电磁振动。当上述机械的、液体的、电磁的激振频率与机组某些零、部件自振频率接近时发生共振，就会产生剧烈的振动，由此产生的激振力一般较大，它很容易激起相邻零、部件的振动，这些振动是相互牵连、相互影响的。为了分析上述错综复杂的振动现象，寻找出机组振动超限原因，也为了检查设备设计、加工、装配、质量，以便进一步提高设备的工作可靠性，延长工作寿命。因此，开展振动研究是非常必要的。典型的振动测量

45、分析的工作步骤一般分为：a.振动监测点位置的选择、布置；b.振动监测传感器的选用；c.振动监测仪的选用；d.振动监测系统的校准；e.振动监测部件限制值的拟定；f.对采集数据进行分析、处理；g.振动监测者对测试结果的分析意见；h.编写振动监测分析报告。振动测量按目前技术水平已不成什么问题了。但在具体测试过程中有一些细节值得人们重视。例如振动传感器的选择；振动传感器安装座型式的设计；安装位置的选择；监测何种振动参数；振动限制值根据什么原则制定；选用何种类型测量放大器（包含对滤波器特性、检波器特性的要求）；对测试结果类型识别；振动数据处理；振动故障的判断；甚至校准方法，校准频率的选择都要经过仔细考虑

46、。这些问题对于研制和使用中的风机又有所不同。如研制中的风机，振动测量测点布置应尽可能多些，测量频带应选择宽些，以便全面监测来自各方面的振动频率分量，便于全面分析水轮机振动水平和工作可靠性。而对于使用中风力发电机组，振动监测点数可相应减少，只选择典型位置即可以达到测振要求，测振放大器频带也不必那么宽。如机组测点布置图所示，在运行中的鼓风机组典型的振动测量（实测）的测点布置中用于大轴振动测量的传感器为电涡流式（非接触式），该传感器一般固定在轴承上，所反映的轴振动为一相对振动；用于机架振动测量的传感器为速度型或加速型，反映的振动是一种绝对振动，以下就振动传感器作基本介绍，供大家参考。1.振动测量传感

47、器在振动测量中，能将被测机械量转换成便于传递、交换、处理和保存的信号，并且又不受观测者直接影响的测量装置称为振动传感器。它是振动测量系统的关键环节之一。按照传感器所转换成的参数不同，机械振动的测量方法可分为机械法、光测法、电测法。近年来，随着电子技术的迅速发展。振动参量的电测法越来越显得优越。它与其它方法相比，具有频带范围宽，动态范围广，灵敏度高以及电信号便于传输、变换、处理与保存等一系列优点。从而取得了广泛的应用。振动测量的电测传感器种类很多。若按其机电交换的物理原理的不同可分为两大类：一类是发电式传感器，它的输入量是机械振动量，而输出是电荷、电压等电量。常见的型式有电动式、压电式和磁电式等

48、；另一类是参数式传感器，它的输入仍为机械振动。而输出是电参数的变化量，这些电参数的变化再由配用的测量电路交换成电压的变化。常见的有电感式，电容式，电阻式和涡流式等。另外，若按传感器接收部分原理还可分为相对式和惯性式；若按其所测振动量的不同又可分为位移、速度、加速度等类型的传感器。1.1振动测量传感器工作原理振动测量目前主要使用电涡流位移振幅传感器、磁电式速度传感器以及压电式加速度传感器。1.1.1电涡流位移振幅传感器1.1.1.1工作原理在电涡流传感器的端部有一线圈，线圈通以频率较高（一般为1MHz2MHz）的交变电压（见图1-1）。当线圈平面靠近某一导体面时，由于线圈磁通链穿过导体，使导体的

49、表面层感应出一涡流ie，而这一涡流ie所形成的磁通链e又穿过原线圈。这样，原线圈与涡流“线圈”形成了有一定耦合的互感。耦合系数的大小又与二者之间的距离及导体的材料有关。其等效线路如图1-2（a）。图中R和L为原线圈的电阻与电感；Re和Le为相应的涡流的电阻与自感；M为互感系数。当所加的Usr的频率fsr很高时，有2fsrL>>Re，可以证明图（b）中的R=R+K2Re（1-1）L=L（1-K2）（1-2）式中K=（1-3）K称为耦合系数。当导体材料给定时，耦合系数K与距离d有关，也即K是d的函数：K=K(d)K之值在01之间变化。当距离d增加，耦合减弱，K值减小。因此变化关系如下所

50、示：dKL这样，d的变化反映如图1-2（b）中的L的变化，因此，测定L的变化，也就是间接测定d的变化。为了测定L的变化，我们采用谐振分压线路。为此，我们在图1-2（b）中并上一电容C，这样，构成一R、L、C谐振回路，这一谐振回路的谐振频率（即阻抗Z达最大值时的频率）为：f谐=（1-4）当d=即K=0时，L=L，此时谐振频率最低，f谐=因此有：f谐=（1-5）这样，联系谐振频率来看，其变化关系如下dKLf谐即间隙增加，反映为谐振频率下降。为了将这一谐振频率的变化转变为某一输出电压的变化，我们在线路图1-2（b）中引进一分压电阻Rc，如图1-3所示。引进的分压电阻要足够大，使得谐振回路的阻抗| Z

51、 |，这样我们近似有Usc=Usr（1-6）从式（1-6）看出：当输入Usr的频率fsr等于谐振频率f谐时，具有极大值，这时输出Usc的幅值也达极大值。而当fsr大于或小于f谐时，输出Usc都将减小。对应不同的K（或d）的输出Usc的幅值随输入频率fsr的变化见图1-4（a）所示。如果将输入频率fsr严格固定在某一频率f0（比如1MHz）时，则对应于d=、d1、d2、.时的输出电压Usc，如图1-4（b）上实线所示。实线的两端部都偏离直线，只有中段非常接近直线。在直线部分，输出Usc的变化量与间隙的变化量成正比，这正是我们感兴趣的使用间隙范围。为了得到尽可能宽的线性范围，在线路电容C上并联一个

52、可调电容C，以得到最佳的谐振点。Usc还并不是我们最后所要的电压，因为它是载波频率为f0的调幅信号。为了得到最后正比于间隙的直流电压输出，还需对输出Usc进行检波，这才得到最后间隙随时间变化的电压波形。综上所述，为了实现电涡流位移测量，必须有一个专用的测量线路。这一测量线路应包括频率为f0的稳定的振荡器（一般用石英振荡器）和一个检波环节等。传感器加上测量线路（称之为前置器）的框图如图1-5a所示。从前置器输出的电压Ud是正比于间隙d的电压。它可以分为两部分U0+Ua，U0对位于平均间隙（或初试间隙）d0，Ua对应于振动间隙da。如果我们只对振动间隙感兴趣，可用电容隔直或加反向偏置的办法取出振动

53、部分电压。1.1.1.2使用方法在安装涡流传感器时要注意平均间隙的选取。要求平均间隙加上振动间隙，也即总间隙应处在线性段之内，否则的话，在非线性段的灵敏度变化将带来测量上误差和波形失真。一般说来，平均间隙选在线性段的中点，这样，在平均间隙两边容许有最大的动态振幅，如图1-6a(见附图)所示。在传感器安装时另一个要注意的问题是在传感器端部附近除了被测物体表面外，不得有其它导体与之靠近。因为其它导体靠近端部时，传感器端部线圈的磁通将有一部分从其它导体穿过，改变了传感器端部线圈与被测物的耦合状态，这样，我们不能得到正确反映间隙变化的输出。关于这一现象，见图1-7(见附图)所示，究竟多少距离范围以外的

54、其它导体不产生影响，这与传感器端部线圈几何尺寸有关。一般商品传感器在说明书上都载明这一范围。在使用中，除了注意上述传感器的安装问题外，还须考虑被测物体是何种导体材料，我们知道，耦合系数K不仅与距离有关，而且和导体的导电率有关，因为不同的材料对高频电磁场的电感效应和涡流损耗也不相同。因此，同一传感器测量不同材质的物体时，其输出灵敏度也不相同。一般说来，被测物的导电率越高，其灵敏度也越高。一般涡流传感器的厂家是这样处理这一问题：选定某一种材料（譬如某型号钢材）作为测试对象，调整其元件参效。使得传感器和前置放大器对这种材料具有最大的线性范围。并给出其标定灵敏度。因此，当用这一传感器系统测量材质很不相

55、同的物体的振动时，就需另行标定其灵敏度。好在涡流传感器具有零频率响应，容许用静态方法标定其使用频率范围内的灵敏度，并确定其线性范围。用静态方法标定灵敏度的装置如图1-8(见附图)所示。因此，为了得到较准确的测量数值，最好是用原材质进行静态校准，以求得实际的校准曲线，而且对于半径较小的转子轴或筒壁特薄的转筒，最好模仿原形进行校准。对于涡流传感器，除了上面提到的注意事项外，另一项非常重要指标是温度影响系数。旋转机械的转子有很多是在比常温高很多的温度下工作，油膜轴承的润滑油温度可达7080。不仅如此，有时温度还在变化。这样，我们要求传感器的温度影响系数尽可能小，即使这样，仍应给出温度影响的修正曲线，

56、以供修正间隙电压值及间隙电压灵敏度，特别是前者，它比灵敏度影响更为直接。1.1.2磁电式速度传感器1.1.2.1结构原理要测定机组的振动振幅值，就需要找到一个不参加振动的相对静止点，振动振幅值表示机组上任意一被测点相对于该静止点的偏高值。但对机组来说，在其附近，甚至在整个机组上，都很难找到这个不受机械振动影响的静止点。地震仪最早解决了这个难题，其原理如图1-9(见附图)所示。质量为m的惯性元件，通过弹簧与振动物体相联结，当m较大，弹簧较软（弹性系数K值较小），并且在足够高的频率下，虽然悬挂点P随着振动物体一起振动，但惯性元件实际上处于相对静止状态。我们可以通过数学运算加以证明。设y为悬挂点振动

57、的瞬时位移，x为质量m相对于悬挂点的瞬时位移，K为弹簧的弹性系数。为P点的谐运动的圆频率，0为惯性元件系统（弹簧及质量m）的无阻尼固有频率。通过微分方程的推导，得出公式：=（1-7）当>>0时，xy上式说明，当悬挂点的振动频率远远大于惯性元件的固有频率时，质量m和悬挂点间的相对位移x，实际上和悬挂点本身的振幅相等，也就是说质量m实际上处于不动的位置。归纳地震仪的特点，要求惯性系统的固有频率相当低，根据公式0=可以说明，当m越大，K值越小，则0越低。1.1.2.2电气原理速度式传感器的工作原理是基于电磁感应法则，如图1-10(见附图)所示。永久磁铁是相对静止的质量块m，它的磁力线经过

58、两个空气隙为传感器的壳体所闭合。当与壳体刚性联结的线圈随壳体上下振动时会切割磁力线，于是在线圈中就感应出与两者相对速度成正比的电动势E。E=BnlLV×10-5（ mV）（1-8）式中：B磁通密度（GS）l每匝线圈的平均长度（cm）V线圈组和相对于磁铁的运动速度（cm/s）n线圈匝数对于已经选定的结构，Bnl是一个常数，令C=Bnl，则线圈组合中的感应电动势正比于振动速度。E=CV（1-9）1.1.3压电式加速度传感器某些晶体材料（例如天然石英晶体和人工极化陶瓷等）在承受一定方向的外力或变形时，其晶面或极化面上会产生电荷，这种现象称为压电效应。利用这种原理制成的传感器称为压

59、电式传感器，它们可以将振动量和冲击量变成电量来进行测量，常用的有压电式加速度计，压电式力传感器和阻抗传感器等。1.1.3.1压电式加速度计结构图1-11(见附图)右边为周边压缩式结构图，压电片和质量块由上盖通过弹簧压紧在基座上，这种结构强度较大，灵敏度可做得较高，运用于加速度变化较大的场合，但抗干扰能力低。图1-11左边为中心压缩式结构，压电片和质量块被通过轴心的螺栓压紧在基座上，由于与外壳隔离，所以抗干扰性能较高，基座应变引起的误差和横向灵敏度均较小。图1-12(见附图)为剪切式结构图：利用压电晶体受剪切应力时产生压电效应的原理，由于一些环境干扰不会引起剪切应力的变化，所以其横向灵敏度、声灵

60、敏度、磁灵敏度及稳定性等指标均较好。倒装中心压缩式结构、压电片和质量块被通过轴心的螺栓紧固在上盖上，这样晶体片远离基座，其基座应变不容易传到压电片上，这项误差将很小。1.1.3.2压电式加速度计的工作原理压电加速度计是利用正压电效应制成的机电换能器，当它承受机械振动时，在它的输出端能产生与所承受的加速度成比例的电压或电荷量。A、力学原理图1-13(见附图)为压缩型加速度计的力学简化模型。设K为简化弹簧刚度，它是顶压弹簧刚度k1与压电片等效刚度k0之和。其中，压电陶瓷的杨氏模量约为0.51.0×106kg/cm2。而预压弹簧的刚度要比压电片的等效弹簧刚度小得多，它的作用是产生一定的预压

61、力，以保证在容许的加速度范围内压电陶瓷片与惯性块以及压电片与底座之间不产生脱离。质量m为质量块质量和压电陶瓷片简化质量之和，C为系统的等效阻尼。设加速度计的基座随被测物的绝对运动为u，质量块相对于基座的相对运动为x，则质量块的绝对运动为（u+x），它产生的惯性力为-m(u+x)，简化弹簧所产生的变形力为-kx，阻尼力为-C。由牛顿第二定律得质量块的运动方程：m(u+x)+ c+kx=0（1-10）移项得m+ c+kx=- m（1-11）设被测物作简谐振动，即u=u0cost又质量块相对于基座的强迫振动为：x=xcos(t-)代入方程解得：x=u0（1-12）=tg-1（1-13）其中n=，为加

62、速度计无阻尼固有频率；=，为加速度计简化系统的阻屁比；是质量块的位移与基础位移之间的相位差；U0是运动位移的幅值因为U是正弦运动。故其加速度a的幅值为A=2U0，而a与U的相位相反，由此可得质量块的相对位移幅值x与被测物体的绝对加速度幅值之间的关系为：=（1-14）x与a之间的相位差为：= tg-1（1-15）由式（1-14）与式（1-15）容易看出，当n>>，即加速度计的固有频率远远大于其工作频率的上限时，相对位移的幅值x正比于被测正弦振动的加速度幅值A，而两者之间的相位差趋近于零度。B、换能原理由于相对位移x就是压电元件在质量块的惯性力F作用下所产生的变形，故有：F0=K0&#

63、183;x（1-16）其中F0 为惯性力幅值，K0为压电片的等效刚度。由于压电元件表面产生的电荷q正比于作用力F，因此有关系式：Q=d·F0=d·K0·X（1-17）其中Q为电荷量的幅值，d为压电元件的压电常数。将上式代入式（1-14）得输出电量幅值与输入加速度幅值之比=（1-18）当n>>时，上式分母趋近于1，则式（1-18）变为：（1-19）对于给定的加速度计，式（1-19）右端各项均为常数，可见，压电加速度计的电输出幅值Q正比于被测振动的加速度幅值A。1.2振动测量传感器使用方法及注意事项1.2.1传感器的安装和固定振动测量中，传感器的不合理安装

64、固定和固定件的寄生振动会严重地影响测量结果。为了保证正确的测试记录，对测振传感器的安装和固定，要注意下面几个问题。A、首先要注意传感器的安装和测点布置位置能否反映被测对象的振动特性；B、传感器与被测物需良好固定，保证紧密接触，连接牢固，振动过程中不能有松动；C、考虑固定件的结构形式和寄生振动问题；D、对小型、轻结构的振动测试，要注意传感器及固定件的“额外”质量对被测结构原始振动的影响；E、导线的接地及连接可靠性。1.2.2传感器的测点布置布置传感器的测点时，必须寻找出能真实代表被测物所需要研究的振动位置，合理布点。通常应将测振点选择在转子支承点附近，或者刚性较好地方，最好安装在轴承座上。测振传

65、感器可根据测振的需要选择垂直安装、水平安装、轴向安装甚至侧面安装或倒装。1.2.3振动传感器安装座的选择传感器固定在被试物时通常采用专用设计的安装座，使传感器与被测物体中间增加了一个弹性垫层，安装座本身所产生的振动，属于寄生振动。设计不良的安装座，往往给振动数据分析带来不应有的混乱，甚至使振动测试结果产生错误的判断，因此在振动测试中，首先应尽量减少不必要的安装座，最好使传感器直接固接于被测物体上，仅在必要时才设置安装座。但良好的固定传感器安装座应尽量刚硬，其最低阶的自振频率大于被测物体上限振动频率的5-10倍以上，这时可使寄生振动影响减小到忽略不计。如果难以做到，应对所设计的振动传感器安装座在

66、使用前进行频率特性测试，以便对使用中振动分析谱加以识别，防止误诊断。1.2.4振动传感器的安装方法以压电式加速度计为例，介绍几种常用的安装方法。参见图1-14(见附图)。这些安装方法各有不同特点。第一种安装方法是采用钢螺栓，它的频率响应最好。基本符合加速度计实际校准曲线所要求的条件。若安装面不十分平滑，那么用螺钉拧紧加速度计前，最好在表面涂一薄层硅润滑脂，以便增加安装刚度。每次使用安装螺栓时，特别注意不要将螺栓完全拧入加速度计基座的螺孔中，不然，会引起加速度计基座面弯曲，影响加速度计的灵敏度。第二种方法是当加速度计和振动体之间需要电绝缘时采用。如现场环境需使测振仪器单点接地，以避免地电回路噪音

67、对测试的影响，选用绝缘螺栓和薄云母垫层，因云母的硬度较好，这样可使频率响应提高。使用时应使垫圈尽可能薄，云母是很容易被剥成薄层的。第三种安装方法是使用永久磁铁的吸引力固定，该磁铁也需和振动作电绝缘。磁铁使用闭合磁路。所以在加速度计处，实际上没有泄漏磁场。这种安装方法，不适用于加速度幅值高于2000m/s2的范围；当温度为150时，可允许短时间使用。第四种安装方法是当适合用胶合技术时，此方法是方便的，因为可以随时移动加速度计。最好用501胶和环氧树脂连接胶合螺栓，被胶合面要平整光洁，并需按胶接工艺清洗胶接面，对于大加速度的测量，请计算胶合强度。第五种方法是使用一薄层蜡，将加速度计粘附在振动物体的

68、面上，其频率响应仅次于用钢螺栓安装。可以看出虽然蜡的硬度差，但却给出了一个非常好的频率响应。在较高温度下，蜡的硬度将降低，导致它的频率响应变坏。应该避免使用软胶或树脂，后者有去耦作用，会滤掉一些频率成分。第六种方法是用手持探针测量，即使用可更换的圆头和尖头探针。这种方法适用于快速测试，例如在某些测试点很多而又不必固定安装的场合。但是测试频率不能太高，一般适用于1000Hz的频率范围，因为这种安装方法传感器本身自振频率很低。上述六种安装方法获得的压电晶体频率响应曲线如图1-15(见附图)供选用压电晶体加速度计安装方法时参考。另外，在安装中要注意对压电加速度计螺栓的安装力矩不能太大，否则会损坏加速

69、度计基体上的螺纹和加速度计壳体，尤其使用绝缘螺栓时，一般不能承受大于36kg·cm的力矩。因此，螺栓的安装力矩定为不大于18kg·cm， 以使用10-16cm扳手为宜。1.2.5传感器对被测构件附加质量的影响对于一些小巧轻型的结构或在薄板上测量振动参数时，传感器和安装座质量引起的“额外”负荷可能会改变结构的原始振动，因而使测量结果无效，在这种情况下应该使用小而轻的传感器，并估算加速度质量负载的影响。ar=as（1-20）式中ar带有加速度计的结构加速度响应；as不带有加速度计的结构加速度响应；ms待装加速度计的结构“部件”的等效质量；ma加速度计的质量。应该注意因附加质量而

70、改变结构振动的频率，这在大型工程结构测试中并不突出。而只对小型的机械零部件影响较大，测试中才考虑。1.2.6传感器安装角度引起的误差传感器的感振方向，应该与待测方向一致，否则会造成测试误差。现以惯性式悬臂梁型结构的加速度计为例，来说明这个问题。惯性式线加速度计因安装误差，使它的感振方向与待测加速度方向有一个倾斜角度，见图1-10(见附图).加速度计质量产生位移的方向不与基座运动方向重合，就将产生振动幅值的记录误差，记录值将比待测值小，如果被测加速度值为a，则记录值为：aR=acos（1-21）其误差为a/a=1-cos（1-22）由此可见误差随倾斜角增大而增大。如果倾斜角方向使重力的分力叠加在

71、所测加速度方向时，这时惯性质量m所受的力为：F=macos+mgsin（1-23）若所测量的加速度值近似地等于重力加速度即a=g时，则图右侧的作用力为：F=mg（cos+sin）（1-24）相反方向的力为：F=mg（cos+sin）（1-25）对微小的角度而言，sin近似于零，cos近似于1，因此，两者之和近似为1且略大于1.在朝相反方向运动时，两者之差将略小于1。在记录正弦和余弦振动时，因重力作用产生的误差会引起零线和平均值的错移。因此，在标定和测试时，应该用波形的峰值和谷值之和来消除重力引起的误差。当所测的加速度很大时，即a>>g，则力F可写成：F=ma(cos+sin)（1-

72、26）因角度引起的误差为：=1-( cos+sin)（1-27）由上式可知，误差将随着所测的加速度的增加而降低，如表1-1所示。表1-1传感器安装角度不同所引起误差角度加速度值误差a/a2º1g0.77%10g0.25%5º1g8.3%10g2.4%测量小加速度时，传感器应该精确地安装，使惯性质量偏移的方向和待测振动方向尽可能地重合。1.2.7其它问题A、振动测试系统每个接插件和开关工作状况都必须保证完善和良好，否则因接触不良，将会产生寄生的振动波形，有时还会使测试数据忽大忽小，这些问题往往在一次测试中所产生的误差是难以被发现的。B、振动测试通常用长导线将传感器与测振放大器

73、连接起来，这些连接导线长达数十米甚至数百米，由于传感器安装点与测振放大器不在同一地点，这就带来接地回路的问题，因此不良的接地或不合理的接地点，将对测试产生较大的电气干扰，使测试结果受到严重影响。对于大型设备和结构的多点测量，更应引起足够的重视。对于压电晶体加速度计的测振回路，有时可采用绝缘螺栓和云母垫圈使加速度计与安装部位的结构实施电气绝缘避免形成接地回路的唯一方法是确保装置接地在同一点上，接地点最好设置在放大器和分析仪上。C、使用压电式传感器测量时，还存在一个特殊问题，即连接电缆的噪声问题，这些噪声既可由电缆的机械运动引起，也可由接地回路效应的电感应和噪声引起。机械上引起的噪声是由于摩擦生电

74、效应或称为“颤动噪音”。它是由于连接电缆的拉伸、压缩和动态弯曲引起的电缆电容变化和摩擦引起的电荷变化产生的，这些容易造成低频干扰。压电式和电感调频式传感器对这个问题都是十分敏感的，在采用涂有石墨层的低噪音电缆的同时，为避免因导线的相对运动引起“颤动噪声”应该尽可能牢固地夹紧电缆线，参见图1-17(见附图)形式。当加速度计和测量设备分别接地时，由于两者接地点之间电位的细微差异，会在加速度计电缆屏蔽线上形成接地回路，流过接回路电流，用一只绝缘螺栓和一只云母垫圈，使加速度计基底与安装面之间绝缘，就可以使回路断开。当加速度计电缆位于工作电机附近时，会产生电磁噪声，采用双层屏蔽电线可减小这种噪声。但当环

75、境特别恶劣时，就得采用差动式加速度计和高分辨率的前置放大器，这一套仪器是旋转机械长期振动监测设备的标准组件。D、在测量极低频率和极低振级的振动时，还可能产生温度的干扰效应，即温度变化引起传感器的输出变化值，变化速度由放大器输入电路和时间常数确定。一般温度效应是不明显的。E、还应该指出的防潮问题。传感器本身到接头的绝缘电阻，会受潮气和进水而大为降低，从而严重地影响测试。受潮使电阻式传感器不能调平衡，而压电晶体传感器因测试数据误差太大而不能测试。所以测试系统的防潮是一项细致的工作。平时要保持接触插件、插头、插座的清洁、干噪。尤其是压电式传感器与电压和电荷放大器的连接，需用酒精、四氯化碳等清洁剂去插

76、头的脏物和汗渍。如果在液体内或非常潮湿的环境中进行测量。传感器与电缆的接头必须密封（图1-18见附图），密封材料可用环氧树脂或室温硫化硅橡胶，保证在-70+200宽的温度范围内表现出极好的性能。F、由于加速度计是精密的机电换能器件，必须妥善保管。为了保证其高阻抗特性，应严格防止插座部分污染并不得自行拆开。压电加速度计不得超过说明书技术规定的条件下使用，在使用前或经大的冲击、大的振动后，应对加速度计进行仔细校验。压电加速度计输出电缆为专用低噪音电缆，不可用其它输出电线代替，对于速度型传感器在使用过程中切勿受到撞击、锤击、或者掉落在地上，每次使用后均须记录工作时间，这由速度传感器工作寿命长短所确定

77、的。1.3振动测量传感器的选择原则1.3.1压电式加速度计的选择在一般振动测量中总是优先选用压电式加速度计，因为压电式加速度计与其它振动传感器相比有如下优点：A、体积小、重量轻、寿命长；B、它们的频率范围与动态范围非常宽，很适应近代的振动测量；C、加速度计放大器中所配的积分电路比微分电路简单可靠，可在很宽的频率与动态范围内精确方便地把加速度信号变成速度与位移量。因此，以下着重讨论如何选择加速度计。1.3.1.1加速度计的类型从使用的角度来看加速度计可分为两大类：一类是通用型的，它们具有不同的灵敏度，可在侧面或顶端连接，能满足大部分测量需要；另一类则是专用型的，它们具有各自的特性，以适应各种特殊

78、用途。在选择加速度计时，必须考虑加速度计参数及加速度计的使用环境。1.3.1.2加速度计的频率响应加速度计的频率响应可用图1-19(见附图)的特性来说明。测量中通常使用加速度计频率响应曲线的线性部分，根据经验，测量的上限频率一般取加速度计固有频率的三分之一，这时测得的振动量的误差不大于12%。1.3.1.3加速度计的灵敏度理论上，灵敏度越高该传感器就越好，但实际上，灵敏度越高，压电元件叠层越高，致使传感器的自身谐振频率严重下降，所以设计时只能兼顾灵敏度在内的各种参数。另外，现在设计的前置放大器能够接受低振级的信号，因此一般情况下，灵敏度不再是起决定作用的因素。1.3.1.4加速度计的质量在测试轻小试件时，加速度计的质量就显得很重要了，此时加速度计附加质量可能会大大改变测点的振级和频率，从而使所测结果无效。因此，加速度计的质量与被测构件的质量相比应尽可能地小。加速度计的质量所引起的结构响应的变化，可用下式近似估算：as=am(ms+ma)/ms（1-28）fs=fm（1-29）式中am带有加速度计的结构的加速度；as不带加速度计的结构的加速度；fm带有加速度