第三章 振动信号测取技术

1、第三章第三章 振动信号测取技术振动信号测取技术安徽科技学院目录目录l传感器概述传感器概述l振动传感器分类振动传感器分类 l常用传感器常用传感器 传感器概述传感器概述l传感器:是指直接作用于被测量，并能按一定是指直接作用于被测量，并能按一定规律将其转换成同种或别种量值输出的器件规律将其转换成同种或别种量值输出的器件。 传感器处于测试装置的输入端，其性能将直接影响着整个测试装置的工作质量。接触型（如微动开关、行程开关、接触开关）非接触型（如光电开关、接近开关）传感器的分类传感器的分类 代码型（如旋转编码器、磁尺等）计数型（二值计数器）数字型电感、电容型（如电感、电容式位移传感器）电压、电流型（如热

2、电偶、光电池等）电阻型（如电位器、电阻应变片等）模拟型 开关型(二值型)传感器传感器的基本特性传感器的基本特性 传感器的基本特性通常分为传感器的基本特性通常分为静态特性和动态特性静态特性和动态特性u静态特性静态特性灵敏度灵敏度线性度线性度迟滞迟滞重复性重复性漂移漂移分辨力分辨力u动态特性动态特性瞬态响应特性瞬态响应特性频率响应特性频率响应特性静态特性参数静态特性参数 传感器静态特性数学模型传感器静态特性数学模型nnxaxaxaay2210a a0 0 零位输出零位输出a a1 1 线性灵敏度线性灵敏度a a2 2 a an n 非线性系数非线性系数理想情况下：理想情况下：特性无线性关系情况下：

3、特性无线性关系情况下：相对灵敏度：相对灵敏度： 在相同测量精度要求下，被测量越小，要求的在相同测量精度要求下，被测量越小，要求的 绝对灵敏度越高，相对灵敏度没有变化。绝对灵敏度越高，相对灵敏度没有变化。常数y/xy/xkdxdyxykx/lim0)/(xxykr静态灵敏度的确定静态灵敏度的确定1、灵敏度、灵敏度 指传感器的实际输入输出特性曲线对于理想线指传感器的实际输入输出特性曲线对于理想线性输入输出特性的接近或偏离程度。性输入输出特性的接近或偏离程度。%100maxFSLYLmaxLFSY满量程；满量程；最大偏差。最大偏差。xy0图图2-3 线性度示意图线性度示意图实际工作曲线实际工作曲线理

4、想工作曲线理想工作曲线YFSLmax2、非线性（线性度）、非线性（线性度）表征正行程与反行程静态特性的不一致程度。表征正行程与反行程静态特性的不一致程度。%100maxFSHYHmaxH各标定点上正、各标定点上正、反行程输出平均值反行程输出平均值之间的最大偏差之间的最大偏差正行程工作曲正行程工作曲线线反行程工作曲线反行程工作曲线y0Hmaxx迟滞示意图迟滞示意图YFS3、迟滞性、迟滞性 传感器在同一工作条件下，按同一方向作全量传感器在同一工作条件下，按同一方向作全量程多次测量时，对于同一个激励量，其测量结果的程多次测量时，对于同一个激励量，其测量结果的不一致程度。不一致程度。%100FSRYR

5、R 同一激励量对应同一激励量对应多次循环的同向行程响多次循环的同向行程响应量的绝对误差应量的绝对误差xy R0重复性示意图重复性示意图4 4、重复性、重复性 重复性指标定值的分散性，是一种随机误差。可重复性指标定值的分散性，是一种随机误差。可根据标准偏差来计算根据标准偏差来计算R R。KK置信因子置信因子K=2K=2，置信度，置信度95%95%；K=3K=3，置信度，置信度99.73%99.73%KR 分辨率是指传感器能测量到输入量最小变化的能力分辨率是指传感器能测量到输入量最小变化的能力 xmax-xmax-传感器全量程范围内最大的传感器全量程范围内最大的xx； Y YFSFS- -传感器满

6、量程输出值。传感器满量程输出值。 为了保证测量系统的测量准确度，为了保证测量系统的测量准确度，工程上规定：工程上规定：测量系统的分辨率应小于允许误差的测量系统的分辨率应小于允许误差的1/3,1/51/3,1/5或或1/101/10。可以通过提高仪器的敏感单元增益的方法来提。可以通过提高仪器的敏感单元增益的方法来提高分辨率。高分辨率。%100maxFSYxF5 5、分辨率、分辨率 作用在传感器上的激励不变时，响应量随时间作用在传感器上的激励不变时，响应量随时间的变化趋势。表征传感器的不稳定性。的变化趋势。表征传感器的不稳定性。产生漂移的原因：产生漂移的原因：1 1、传感器自身结构参数的变化；传感

7、器自身结构参数的变化； 2 2、外界工作环境参数的变化。、外界工作环境参数的变化。7 7、量程及测量范围、量程及测量范围测量上限值与下限值的代数差称为测量上限值与下限值的代数差称为量程量程。测量系统能测量的最小输入量（下限）至最大输入量测量系统能测量的最小输入量（下限）至最大输入量（上限）之间的范围称为（上限）之间的范围称为测量范围测量范围。6 6、漂移、漂移传感器动态特性传感器动态特性 被测量是时间的函数，或是频率的函数。被测量是时间的函数，或是频率的函数。 用时域法表示成：用时域法表示成： YtfXtYjfXj 用频域法表示为：用频域法表示为： 动态特性是指传感器输出对时间变化的输入量的动

8、态特性是指传感器输出对时间变化的输入量的响应特性；响应特性； 除理想状态，多数传感器的输入信号是随时间变除理想状态，多数传感器的输入信号是随时间变化的，输出信号一定不会与输入信号有相同的时间化的，输出信号一定不会与输入信号有相同的时间函数，这种输入输出之间的差异就是函数，这种输入输出之间的差异就是动态误差。动态误差。振动传感器振动传感器振动传感器分类l振动传感器按其功能可有以下几种：l按机械接收原理分：相对式、惯性式；l按机电变换原理分：电动式、压电式、电涡流式、电感式、电容式、电阻式、光电式；l振动传感器按所测机械量分：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、

9、扭矩传感器。l以上三种分类法中的传感器是相容的。 某些物质如石英晶体，在受到冲击性外力作用后，不仅几何尺寸发生变化，而且其内部发生极化，相对的表面出现电荷，形成电场。外力消失后，又恢复原状。这种现象叫做压电效应压电效应。将这种物质置于电场中，其几何尺寸也会发生变化，叫做电致伸缩效应。多数人工压电陶瓷的压电常数比石英晶体大数百倍，也就是说灵敏度要高得多。利用压电效应，制成压电式加速度传感器，可用于检测机械运转中的加速度振动信号；利用电致伸缩效应，制成超声波探头，可用于探测构件内部缺陷。图31 加速度计加速度传感器加速度传感器压电式加速度传感器的内部结构压电式加速度传感器的内部结构图32 压电式加

10、速度计a)中心压缩型 b)环形剪切型 c)三角剪切型压电式加速度传感器的测量电路压电式加速度传感器的测量电路由于电荷是非常微弱的量，且因为漏电阻的存在，使之不能传输较长的距离。通常厂家提供的专用低噪声电缆只有35米，最长不过10米。因此需要在被测设备附近布置前置放大器，将电荷量放大数千倍后，再传输给显示计量仪表。前置放大器电路有两种形式：其一是电阻反馈的电压放大器，另一种是电容反馈的电荷放大器。电荷放大器是工业测量现场使用最多的前置放大器。但电路复杂，数千倍的放大倍数，对各级放大器的性能稳定性提出了极高的要求，因而价格较贵。目前，新型的压电式加速度传感器采用了内置IC电路的方案，由于内部空间极

11、小，内置IC电路实际完成阻抗变换的功能，需一个20mA的恒流源对其供电。测量电路如图33所示。 可以将内置IC电路看成一个随加速度值变动的电阻，加速度值升高，电阻值也线性升高，由于恒电流供电，20mA电流不能通过仪表端的隔直电容，通过变电阻的电流是常数，因此在变电阻的两端产生电压变化，这个电压因此也随加速度变化。变化的电压可以通过隔直电容输入给放大器A，最后输出测量电压。需要注意的是，隔直电容与后面的电阻构成一个高通滤波器，因此电容C与电阻R的值决定了该测量系统频率响应特性曲线的最低信号频率。图33 ICP型加速度计测量电路压电式加速度传感器的安装要求压电式加速度传感器的安装要求图34的左边是

12、幅频特性曲线，它反映信号的频率在1Hz到3KHz这一段，加速度计能比较好的复现信号的波形。幅频特性曲线告诉我们，测量装置对信号中不同的频率波形有不同的放大倍数。为了测得的电信号波形能真实地复现振动波形，就必需使所测信号中最高的频率位于幅频特性曲线上的水平段。为此，要使安装后的加速度计特性具有足够高的共振频率。图34 加速度计的幅频特性压电式加速度传感器的安装压电式加速度传感器的安装此外，低噪声专用电缆的敷设也要注意。对于内置IC的集成加速度传感器，由于恒流供电阻抗变换方式，对电缆的敷设要求不高。但非集成式加速度传感器，因电缆与机壳构成耦合电容，是电压干扰的进入通道，所以要求该电容不随机壳的振动

13、而变化。因此电缆必需紧贴机壳固定，使耦合电容值最小且不变。速度传感器速度传感器 速度传感器又称为磁电式变换器，有时也叫作“电动力式变换器”或“感应式变换器”，它利用电磁感应原理，将运动速度转换成线圈中的感应电势输出。它的工作不需要电源，而是直接从被测物体吸取机械能量并转换成电信号输出，是一种典型的发生器型变换器。由于它的输出功率较大，因而大大简化了后续电路，且性能稳定，又具有一定的工作带宽(一般为101000Hz)，所以获得了较普遍的应用。磁电式速度传感器有绝对式和相对式两种，前者测量被测对象的绝对振动速度，后者测量两个运动部件之间的相对振动速度。磁电式绝对速度传感器磁电式绝对速度传感器图36

14、 磁电式绝对速度传感器1弹簧片、2壳体、3阻尼环、4永磁铁、5线圈、6心轴、7弹簧铜制的阻尼环一方面可增加惯性系统的质量，降低固有频率；另一方面又利用闭合铜环在磁场中运动时所产生的磁阻尼力，使振动系统具有合理的阻尼，从而减小共振对测量精度的影响。磁电式相对速度传感器磁电式相对速度传感器图37 磁电式相对速度传感器1壳体、2心轴壳体、3弹簧片、4永磁铁、5线圈、6弹簧片、7引出线磁电式速度传感器的选用磁电式速度传感器的选用 在选择速度传感器时首先要注意传感器的最低工作频率，它告诉我们被测设备的频谱图中低于这个频率的信号是失真的，可信度低。其次是传感器的灵敏度，例如20mv/mm/s（美国本特利公

15、司）、100 mv/mm/s（德国申克公司），这个参数用于将测得的电压值换算成速度值，也是估计传感器最大输出电压的重要参数。由于要克服自重的影响，速度传感器分为水平安装（H型）与垂直安装（V型）两种。垂直安装的速度传感器与水平安装的速度传感器内部机械结构参数是不同的，在使用时必须注意，不能混用。位移传感器位移传感器p位移测量应用很广，是最基本的测试技术之一。位移测量应用很广，是最基本的测试技术之一。如物体位置的移动量，物体的变形量，零部件的位置、如物体位置的移动量，物体的变形量，零部件的位置、厚度、距离等。厚度、距离等。还可以通过测最位移量，来反映其他参数，如力、扭还可以通过测最位移量，来反映

16、其他参数，如力、扭矩、速度、加速度等的变化。矩、速度、加速度等的变化。p位移测量可以是绝对位置和相对位置的测量。位移测量可以是绝对位置和相对位置的测量。p位移测量分为线位移测量和角位移测量。位移测量分为线位移测量和角位移测量。p常用的位移测量传感器有常用的位移测量传感器有电阻式、电感式、电容式、感应同步器、磁棚、光栅电阻式、电感式、电容式、感应同步器、磁棚、光栅等。等。电阻式电阻式电感式电感式线位移检测传感器线位移检测传感器 光栅位移传感器光栅位移传感器 光栅是一种新型的位移检测元件，是一种将机光栅是一种新型的位移检测元件，是一种将机械位移或模拟量转变为数字脉冲的测量装置。械位移或模拟量转变为

17、数字脉冲的测量装置。它的特点是测量精确度高（可达它的特点是测量精确度高（可达1m）、响）、响应速度快、量程范围大、可进行非接触测量等。应速度快、量程范围大、可进行非接触测量等。其易于实现数字测量和自动控制，广泛用于数其易于实现数字测量和自动控制，广泛用于数控机床和精密测量中。控机床和精密测量中。光栅的构造光栅的构造 l透射光栅 ：在透明的玻璃板上，均匀地刻出许多明暗相间的条纹 ；l反射光栅 ：在金属镜面上均匀地划出许多间隔相等的条纹 ；l通常线条的间隙和宽度是相等的 a：刻线宽度，：刻线宽度，b：刻线间宽，：刻线间宽，W=a+b： 光栅的栅距，光栅的栅距，通常情况下通常情况下a = b ，刻线

18、密度一般为每毫米刻线密度一般为每毫米250 线、线、100 线、线、50 线、线、25 线线工作原理工作原理 l如果把两块栅距W相等的光栅平行安装，且让它们的刻痕之间有较小的夹角时，这时光栅上会出现若干条明暗相间的条纹，这种条纹称莫尔条纹。l它们沿着与光栅条纹几乎垂直的方向排列， l莫尔条纹具有如下特点：l（1）莫尔条纹的位移与光栅的移动成比例。当指示光栅不动，标尺光栅向左右移动时， 莫尔条纹将沿着近于栅线的方向上下移动；光栅每移动过一个栅距W，莫尔条纹就移动过一个条纹间距B，查看莫尔条纹的移动方向，即可确定主光栅的移动方向。l（2）莫尔条纹具有位移放大作用。莫尔条纹的间距B与两光栅条纹夹角之

19、间关系为两光栅的栅线之间保持两光栅的栅线之间保持很小夹角，在与光栅栅很小夹角，在与光栅栅线近于垂直的方向上，线近于垂直的方向上，出现明暗相间的条纹，出现明暗相间的条纹，称为莫尔条纹称为莫尔条纹莫尔条纹（相邻亮带莫尔条纹（相邻亮带或暗带）间距表示为：或暗带）间距表示为： W22W22WBH sin莫尔条纹的放大倍数为： 1WBK W=0.02mm, =0.02rad, BH=2mm. 放大了放大了100倍倍l（3）莫尔条纹具有平均光栅误差的作用。莫尔条纹是由一系列刻线的交点组成，它反映了形成条纹的光栅刻线的平均位置，对各栅距误差起了平均作用，减弱了光栅制造中的局部误差和短周期误差对检测精度的影响

20、。光栅移动一个栅距光栅移动一个栅距WW，则莫，则莫尔条纹移动一个条纹间距，尔条纹移动一个条纹间距，莫尔条纹的光强度变化近似莫尔条纹的光强度变化近似正弦变化，正弦变化，用光电元件接收莫尔条纹光用光电元件接收莫尔条纹光强的变化，输出电压与位移强的变化，输出电压与位移的关系为的关系为整形变为方波，可计脉冲数，位移为整形变为方波，可计脉冲数，位移为)Wx2sin(UUum0 WNx 标尺光栅移动一个栅距标尺光栅移动一个栅距w w ，莫尔条纹光强变化一个周期，莫尔条纹光强变化一个周期，计数器计一个脉冲数，即分辨力为一个栅距。计数器计一个脉冲数，即分辨力为一个栅距。 例如例如 每毫米每毫米250 250

21、条栅线的长光栅，栅距为条栅线的长光栅，栅距为4u4u， 其分辨力为其分辨力为4u4u，。，。细分就是在莫尔条纹变化一个周期时，输出若干脉冲数。细分就是在莫尔条纹变化一个周期时，输出若干脉冲数。 例如，在一个周期内，输出例如，在一个周期内，输出4 4 个脉冲数，就叫四细分个脉冲数，就叫四细分 若光栅的栅距为若光栅的栅距为4u4u，那么分辨力为，那么分辨力为1u1u。细分方法细分方法: : 电子细分法、光学细分法、机械细分法等。电子细分法、光学细分法、机械细分法等。细分技术（细分技术（提高测量分辨率的常用方法是细分提高测量分辨率的常用方法是细分）在一个莫尔条纹宽度上，并列安放在一个莫尔条纹宽度上，

22、并列安放4 4 个光电元件，每个相距个光电元件，每个相距1/4B1/4BH H 。4 4 个光电元输出的正弦电压信号相位依次相差个光电元输出的正弦电压信号相位依次相差9090，这样可，这样可以获得依次相差以获得依次相差90 90 相位的相位的4 4 个正弦交流信号。个正弦交流信号。在莫尔条纹一个周期内，可获得在莫尔条纹一个周期内，可获得4 4 个计数脉冲。实现个计数脉冲。实现4 4 细细分。分。这种细分方法，光电元件安装困难，细分数不可能很高。这种细分方法，光电元件安装困难，细分数不可能很高。四倍频细分四倍频细分四倍频细分四倍频细分l自学：感应同步器、自学：感应同步器、磁栅位移传感器磁栅位移传

23、感器 编码器编码器l编码器是将直线运动和转角运动变换为数字信号进行测量的一种传感器。l类型：光电式、电磁光电式、电磁式和接触式式和接触式等角位移检测传感器角位移检测传感器信号插头信号插头光电编码器外形图光电编码器外形图 拉线式角编拉线式角编码器利用线轮，码器利用线轮，能将直线运动转能将直线运动转换成旋转运动。换成旋转运动。（参考德国图尔克传感与自动化技术专业公司）光电编码器外形图转轴转轴盘码及盘码及狭缝狭缝光敏元件光敏元件光栏板及辨向用的光栏板及辨向用的A A、B B狭缝狭缝LEDLEDABC零位标志零位标志ABC（1）增量式光电编码器）增量式光电编码器结构示意图l均匀分布透光槽的编均匀分布透

24、光槽的编 码盘码盘2LED光源光源3光栏板上狭缝光栏板上狭缝4sin信号接收器信号接收器5cos信号接收器信号接收器6零位读出光电元件零位读出光电元件7转轴转轴8零位标记槽零位标记槽增量式编码器具有结构简单、价格低、精度易于保证等优点，所以目前采用最多增量式编码器具有结构简单、价格低、精度易于保证等优点，所以目前采用最多。 增量式编码器原理动画演示辨向信号和零标志另一个狭缝另一个狭缝C，每转产生一个脉冲，该脉冲信号，每转产生一个脉冲，该脉冲信号又称又称“一转信号一转信号”或零标志脉冲，作为测量的或零标志脉冲，作为测量的起始基准。起始基准。 光栏板上的两个狭缝距光栏板上的两个狭缝距离是码盘上的两

25、个狭缝距离是码盘上的两个狭缝距离的（离的（m +1/4）倍，）倍，m 为为正整数，并设置了两组光正整数，并设置了两组光敏元件敏元件A、B，又称为，又称为sin、cos元件。元件。测量精度取决于它所能分辨的最小角度，这与码盘测量精度取决于它所能分辨的最小角度，这与码盘圆周上的狭缝条纹数圆周上的狭缝条纹数 n n 有关，即最小能分辨的角有关，即最小能分辨的角度及分辨率为：度及分辨率为： 360n1 n增量式光电编码器的分辨力及分辨率分辨力为分辨力为分辨率为分辨率为（2）绝对式光电编码器按照角度直接进行编码，直接用数字代码表示。按照角度直接进行编码，直接用数字代码表示。编码盘由透明及不透明区组成，编

26、码盘上码道的条数就是编码盘由透明及不透明区组成，编码盘上码道的条数就是数码的位数。数码的位数。 绝对式光电编码器原理动画演示绝对式光电编码器的结构示意图1光源；光源；2透镜；透镜；3编码盘；编码盘；4狭缝；狭缝；5光电元件光电元件（a a）4 4位二进制码盘位二进制码盘a a）光电码盘的平面结构（）光电码盘的平面结构（8 8码道）码道）b b）光电码盘与光源、光敏元件的对应关系（）光电码盘与光源、光敏元件的对应关系（4 4码道）码道） 绝对式光电编码器测量精度取决于它所能分辨的最小角度，绝对式光电编码器测量精度取决于它所能分辨的最小角度，这与码盘上的码道数这与码盘上的码道数 n n 有关，即最

27、小能分辨的角度及分辨有关，即最小能分辨的角度及分辨率为：率为： l 为了避免位置不分明而引起的粗大误差，可采用为了避免位置不分明而引起的粗大误差，可采用格雷码（格雷码（Groy codeGroy code）图案的编码盘。）图案的编码盘。3602n1 2n分辨力分辨力分辨率分辨率格雷码和自然二进制码的比较表格雷码和自然二进制码的比较表D十进制十进制B二进制二进制R格雷码格雷码D十进制十进制B二进制二进制R格雷码格雷码0123456700000001001000110100010101100111000000010011001001100111010101008910111213141510001

28、001101010111100110111101111110011011111111010101011100110001 1位置测量位置测量光电编码器的其他应用光电编码器位置测量动画演示光电编码器位置测量动画演示工位定位示意图1绝对式编码器绝对式编码器2电动机电动机 3转轴转轴 4转盘转盘 5工件工件 6刀具刀具 数控加工中心在数控加工中心的刀库选刀控制中的应用旋转刀库旋转刀库被加工工件被加工工件刀具刀具角编码器的输出角编码器的输出为当前刀具号为当前刀具号用不同的刀具加工复杂的工件转速测量转速测量光电编码器转速测量动画演示光电编码器转速测量动画演示在伺服电机中的应用应用方面：应用方面：转速测量

29、转速测量转子磁极位置测量转子磁极位置测量角位移测量角位移测量l 力是物理基本量之一，因此各种动态、静态力的大小的测量十分重要。l 力的测量需要通过力传感器间接完成，力传感器是将各种力学量转换为电信号的器件。 力敏感元件转换元件显示设备F力传感器的测量示意图 测力传感器测力传感器 弹性敏感元件把力或压力转换成了应变或位移，然后再由传感器将应变或位移转换成电信号。 弹性敏感元件是一个非常重要的传感器部件，应具有： 良好的弹性、 足够的精度， 应保证长期使用和温度变化时的稳定性。弹性敏感元件在形式上可分为两大类： 变换力的弹性敏感元件。 变换压力的弹性敏感元件。一些变换力的弹性敏感元件形状一些变换力

30、的弹性敏感元件形状 变换压力的弹性敏感元件变换压力的弹性敏感元件（1）弹簧管图3-3 弹簧管的结构 （2）波纹管）波纹管 波纹管是有许多同心环状皱纹的薄壁圆管，如图所示。 波纹管的外形 （3）波纹膜片和膜盒 平膜片在压力或力作用下位移量小，因而常把平膜片加工制成具有环状同心波纹的圆形薄膜，这就是波纹膜片。 波纹膜片波纹的形状 电阻应变片传感器工作原理l应变 物体在外部压力或拉力作用下发生形变的现象l弹性应变 当外力去除后，物体能够完全恢复其尺寸和形状的应变l弹性元件具有弹性应变特性的物体应变式传感器是利用电阻应变片是利用电阻应变片将应变转换为电阻变化将应变转换为电阻变化的传感器的传感器工作原理

31、工作原理： 当被测物理量作用于弹性元件上，弹性元件在力、力矩或压力等的作用下发生变形，产生相应的应变或位移，然后传递给与之相连的应变片，引起应变片的电阻值变化，通过测量电路变成电量输出。输出的电量大小反映被测量的大小。结构：应变式传感器由弹性元件上粘贴电阻应变片构成结构：应变式传感器由弹性元件上粘贴电阻应变片构成应用：广泛用于力、力矩、压力、加速度、重量等参数的测量应用：广泛用于力、力矩、压力、加速度、重量等参数的测量电阻应变片工作原理电阻应变片工作原理 电阻应变片式传感器是利用了金属和半导体材料的“应变效应”。 金属和半导体材料的电阻值随它承受的机械变形大小而发生变化的现象就称为“应变效应”

32、。 设电阻丝长度为，截面积为，电阻率为，则电阻值为： SLR 当电阻丝受到拉力F时，一是受力后材料几何尺寸变化；二是受力后材料的电阻率也发生了变化，则其阻值发生变化。金属电阻丝应变效应 一根金属电阻丝，在其未受力时，原始电阻值为：一根金属电阻丝，在其未受力时，原始电阻值为： AlR 当电阻丝受到拉力当电阻丝受到拉力F作用时，作用时， 将伸长将伸长l，横截面，横截面积相应减小积相应减小A，电阻率因材料晶格发生变形等因素，电阻率因材料晶格发生变形等因素影响而改变了影响而改变了，从而引起电阻值变化量为，从而引起电阻值变化量为 ：AdALdLdRdR式中：式中：dL/L长度相对变化量，用应变长度相对变

33、化量，用应变表示为表示为 LdL2LLdRddLdAAAA电阻相对变化量：电阻相对变化量： dA/A圆形电阻丝的截面积相对变化量，设圆形电阻丝的截面积相对变化量，设r为为电阻丝的半径，微分后可得电阻丝的半径，微分后可得dA=2r dr，则，则 ：rdrAdA2材料力学：材料力学：在弹性范围内，金属丝受拉力时，沿轴向伸在弹性范围内，金属丝受拉力时，沿轴向伸长，长， 沿径向缩短，沿径向缩短， 轴向应变和径向应变的关系可表示为轴向应变和径向应变的关系可表示为 ：LdLrdr为电阻丝材料的泊松比，为电阻丝材料的泊松比， 负号表示应变方向相反。负号表示应变方向相反。 推得：推得： 定义：定义：电阻丝的灵

34、敏系数电阻丝的灵敏系数（物理意义）：单位应变所（物理意义）：单位应变所引起的电阻相对变化量。其表达式为引起的电阻相对变化量。其表达式为 dRdRK21dRdR)21 (12RKR 灵敏度系数灵敏度系数K K受两个因素影响受两个因素影响l一是应变片受力后材料几何尺寸的变化， 即1+2l二是应变片受力后材料的电阻率发生的变化， 即（/）/。l对金属材料：1+2( /)/l对半导体材料：( /)/1+2l大量实验证明，在电阻丝拉伸极限内， 电阻的相对变化与应变成正比，即 K 为常数。 压电力传感器传感器的选择和使用传感器的选择和使用传感器的选择传感器的选择 l选择传感器应考虑以下几个方面：l1）测试

35、要求和条件。测量目的、被测物理量选择、测量范围、输入信号最大值和频带宽度、测量精度要求、测量所需时间要求等。l2）传感器特性。精度、稳定性、响应速度、输出量性质、对被测物体产生的负载效应、校正周期、输入端保护等。l3）使用条件。安装条件、工作场地的环境条件（温度、湿度、振动等）、测量时间、所需功率容量、与其它设备的连接、备件与维修服务等。传感器的正确使用传感器的正确使用 l传感器输出特性的线性化处理和补偿 l传感器的标定 l抗干扰措施 线性化处理和补偿线性化处理和补偿l大多数传感器具有不同程度的非线性特性，这使较大范围的动态检测存在着很大的误差。在使用模拟电路组成检测回路时，为了进行非线性补偿

36、，通常采用与传感器输入输出特性相反特性的元件，通过硬件进行线性化处理。 l当输出量中包含有被测物理量之外的因素时，为了克服这些因素的影响需要采取相应的措施加以补偿。如外界环境温度变化，将会使测量系统产生附加误差，影响测量精度，因此有必要对温度进行补偿。传感器的标定传感器的标定l传感器的标定，就是利用精度高一级的标准量具对传感器进行定度的过程，从而确定其输出量和输入量之间的对应关系，同时也确定不同使用条件下的误差关系。传感器使用前要进行标定，使用一段时间后还要定期进行校正，检查精度性能是否满足原设计指标。抗干扰措施抗干扰措施l传感器大多要在现场工作，而现场的条件往往是不可预料的，有时是极其恶劣的

37、。各种外界因素要影响传感器的精度和性能，所以在检测系统中，抗干扰是非常重要的，尤其是在微弱输入信号的系统中。常采用的抗干扰措施有屏蔽、接地、隔离和滤波等。结构的激振方法l如果知道了系统的输入(激励)和输出(响应)，就可以求出系统的数学模型，也即动态特性。振动系统测试就是求取系统输入和输出的一种试验方法。l为了完成上述测试任务，一般说来测试系统应该包括下述三个主要部分： 1)激励部分 实现对被测系统的激励(输入)，使系统发生振动。它主要由激励信号源、功率放大器和激振装置组成。 2)拾振部分 检测并放大被测系统的输入、输出信号，并将信号转换成一定的形式(通常为电信号)。它主要由传感器、可调放大器组

38、成。 3)分析记录部分 将拾振部分传来的信号记录下来供以后分析处理或直接近行分析处理并记下处理结果。它主要由各种记录设备和频谱分析设备组成。激振器激振器(一）电动式激振器当Fi以简谐规律变化时，则作用在激振对象上的力F也为同频率的简谐力，在使用时，往往在顶杆与激振对象之间加一个力传感器，以精确地测出激振力F(t)q 为了使激振器的能量尽量用于激振对象的激励上, 在激振时最好让激振器基座在空间基本上保持静止：q 在高频激振时，往往用弹簧将激振器悬挂起来，降低安装的自然频率，使之低于激振频率的l3；q 在低频激振时，则将激振器的基座与静止的地基刚性相连，使安装的自然频率高于激振频率3倍以上。 激振

39、器安装原则（二）电磁式激振器（二）电磁式激振器电磁激振器是非接触式的，其频率上限约为500800Hz。 激振器是由通入线圈中的交变电流产生交变磁场，而被测对象作为衔铁，在交变磁场作用下产生振动 由于在电磁铁与衔铁之间的作用力F(t)只会是吸力，而无斥力，为了形成往复的正弦激励，应该在其间施加一恒定的吸力F0，然后才能叠加上一个交变的谐波力F(t)，如图所示，即:为此，通入线圈中的电流I(t)也应该由直流与交流两部分组成，即:0( )sinI tIAt而由电磁理论知道，电磁铁所产生的磁力正比于所通过电流的平方，即有式中a为比例系数，与电磁铁的尺寸、结构、材料与气隙的大小有关在AI0的情况下，上式

40、右边第三项可略去，得如果条件AI0不成立，则将在激振力中引入二次谐波:（三）（三） 脉冲锤脉冲锤 脉冲锤是一种产生瞬态激励力的激振器，它由锤体、手柄和可以调换的锤头和配重组成，通常在锤体和锤头之间装有一个力传感器，以测量被测系统所受锤击力的大小。 一般来说，锤击力的大小是由锤击质量和锤击被测系统时的运动速度决定的。 激励的频率范围主要由接触表面刚度决定，锤头的材料越硬则脉冲的持续时间越短，上限额率fe越高。为了能调整激励频率范围，通常使用一套不同材料的锤头。 当用脉冲锤进行冲击激励时，它相当于对被测系统施加了一个半正弦波的力脉冲，如图 (a)所示。该类脉冲的频谱如图(b)所示，在小于上限频率f

41、e的频段内，脉冲的频谱基本上是平坦的，fe以后迅速下降。一般来说，锤头的材料越硬则脉冲的持续时间越锤头的材料越硬则脉冲的持续时间越短，上限额率短，上限额率fe越高越高。振动的激励振动的激励一、稳态正弦激励方法 这是一种测量频率响应的经典方法，它提供给被测系统的激励信号是一个具有稳定幅值和频率的正弦信号，测出激励大小和响应大小，便可求出系统在该频率点处的频率响应的大小。 激励系统激励系统一般由正弦信号发生器、功率放大器和电磁激振器组成，测量系统测量系统由跟踪滤波器、峰值电压表和相位计组成。二、瞬态激励方法二、瞬态激励方法l 瞬态激励方法给被测系统提供的激励信号是一种瞬态信号，它属于一种宽频带激励

42、，即一次同时给系统提供频带内各个频率成份的能量和使系统产生相应频带内的频率响应。因此，它是一种快速测试方法。同时由于测试设备简单，灵活性大，故常在生产现场使用。l 目前常用的瞬态激励方法有快速正弦扫描、脉冲锤击和阶跃松弛激励等方法，下面分别讨论和介绍。 (一一)快速正弦扫描快速正弦扫描 这种测试方法是使正弦激励信号在所需的频率范围内作快速扫描(在数秒钟内完成)，激振信激振信号频率在扫描周期号频率在扫描周期T内成线性增加，而幅值保内成线性增加，而幅值保持恒定持恒定。扫描信号的频谱曲线几乎是一根平坦的曲线，从而能达到宽频带激励的目的。 (二二)脉冲锤击激励脉冲锤击激励 脉冲锤击激励是用脉冲锤对被测

43、系统进行敲击，给系统施加一个脉冲力，使之发生振动。由于锤击力脉冲在一定频率范围内具有平坦的频谱曲线，所以它是一种宽频带的快速激励方法。(三三) 阶跃松驰激励阶跃松驰激励 1、 阶跃松弛激励定义 2、特点：由于阶跃函数的导数是脉冲函数，阶跃函数引起的响应的导数是脉冲响应函数，所以这种方法也是一种宽频带激励方法。 3、实现：在实际应用中，常常是用一根刚度很大质量很轻的张力弦通过力传感器对系统预加载，然后突然切断张力弦。三、随机激励方法三、随机激励方法(一)纯随机激励 理想的纯随机信号是具有高斯分布的白噪声，理想的纯随机信号是具有高斯分布的白噪声，它在整个时间历程上是随机的，不具有周期性，在频率域上

44、它是一条几乎平坦的直线。( )( )( )xyxSfH f Sf (二二)伪随机激励伪随机激励v 伪随机信号是一种有周期性的随机信号，它在一个周期内的信号是纯随机的，但各个周期内的信号是完全相同的。这种方法的优点在于试验的可重复性。v 将白噪声在T内截断，然后按周期T反复重复，即形成伪随机信号。检测（振动）信号的采集与预处理检测（振动）信号的采集与预处理振动信号的采集l振动信号的采样过程，严格来说应包含几个方面：l1. 信号适调l由于目前采用的数据采集系统是一种数字化系统，所采用的A/D芯片对信号输入量程有严格限制，为了保证信号转换具有较高的信噪比，信号进入A/D以前，均需进行信号适调。适调包

45、括大信号的衰减处理和弱信号的放大处理，或者对一些直流信号进行偏置处理，使其满足A/D输入量程要求。l2.A/D转换lA/D转换包括采样、量化和编码三个组成部分。l采样（抽样），采样（抽样），是利用采样脉冲序列从模拟信号中抽取一系列离散样值，使之成为采样信号的过程，称为采样间隔，其倒数称之为采样频率。l采样频率的选择必须符合采样定理要求。l由于计算机对数据位数进行了规定，采样信号x(nt)经舍入的方法变为只有有限个有效数字的数，这个过程称为量化量化。由于抽样间隔长度是固定的（对当前数据来说），当采样信号落入某一小间隔内，经舍入方法而变为有限值时，则产生量化误差。如8位二进制为28256，即量化增

46、量为所测信号最大电压幅值的1/256。l编码编码是把采样数据转变为计算机能识别的数字格式。采样过程示意图 l在采集振动信号时应注意以下几点：l1. 振动信号采集模式取决于机组当时的工作状态，如稳态、瞬态等；l2. 变转速运行设备的振动信号采集在有条件时应采取同步整周期采集；l3. 所有工作状态下振动信号采集均应符合采样定理。采样定理采样定理 l衡量采样速度高低的指标称为采样频率fs。一般来说，采样频率fs越高，采样点越密，所获得的数字信号越逼近原信号。为了兼顾计算机存储量和计算工作量，一般保证信号不丢失或歪曲原信号信息就可以满足实际需要了。这个基本要求就是所谓的采样定理，是由Shannon提出

47、的，也称为Shannon采样定理。lShannon采样定理规定了带限信号不丢失信息的最低采样频率为 或2smff2sm式中fm为原信号中最高频率成分的频率。采集的数据量大小N为TNt因此，当采样长度一定时，采样频率越高，采集的数据量就越大。l使用采样频率时应注意的问题：l（一）正确估计原信号中最高频率成分的频率，对于采用电涡流传感器测振的系统来说，一般确定为最高分析频率为12.5X，采样模式为同步整周期采集，若选择频谱分辨率为400线，需采集1024点数据，若每周期采集32点，采样长度为32周期。l（二）同样的数据量可以通过改变每周期采样点数提高基频分辨率，这对于识别次同步振动信号是必要的，但

48、降低了最高分析频率，如何确定视具体情况而定。 采样定理解析采样定理解析 l采样定理实际上涉及了3个主要条件，当确定其中2个条件后，第3个条件自动形成。这3个条件是进行正确数据采集的基础，必须理解深刻。 条件条件1 采样频率控制最高分析频率采样频率控制最高分析频率l采样频率（采样速率）越高，获得的信号频率响应越高，换言之，当需要高频信号时，就需要提高采样频率，采样频率应符合采样定理基本要求。l这个条件看起来似乎很简单，但对于一个未知信号，其中所含最高频率信号的频率究竟有多高，实际上我们是无法知道的。解决这个问题需要2个步骤，一是指定最高测量频率，二是采用低通滤波器把高于设定最高测量频率的成分全部

49、去掉（这个低通滤波器就是抗混滤波器）。现实的抗混滤波器与理论上的滤波器存在差异，因此信号中仍会存在一定混叠成分，一般在计算频谱后将高频成分去掉，一般频谱线数取时域数据点的1/2.56，或取频域幅值数据点的1/1.28，即128线频谱取100线，256线频谱取200线，512线频谱取400线等等。 l为说明该条件，我们举例进行说明。l 要想在频谱中看到500Hz的成分，其采样频率最少为1000Hz。l 若采样频率为32点转，频谱中最高线理论上可达到16X。条件条件2 总采样时间控制分辨率总采样时间控制分辨率l频谱的分辨率（谱线间隔）受控于总采样时间，即l其中f为频谱分辨率，T为总采样时间。l 如

50、果采样总时间为0.5秒，则频谱分辨率为2Hz；l 若区分6cpm（0.1Hz）的频谱成分，则总采样时间至少为10秒；l 对于总采样时间为8转的时间信号，频谱分辨率为1/8X。1fT 条件条件3 采样点数控制频谱线数采样点数控制频谱线数l解释这个条件，需要对FFT计算频谱的过程有一个了解。如果对于一个2048点的时间波形数据，我们可以获得2048点频域数据1024线频谱（每条谱线有两个值，直接值和正交值，或者说幅值和相位两个值）。l对旋转机械来说，频谱仅仅画出了FFT复数输出的幅值部分，对于相位部分一般不画，因此频谱中的线数最多为时域点数的一半，考虑到混叠的影响，频谱线数一般会低于时域数据点数。数字信号的预处理数字信号的预处理l传感器的输出信号被采入计算机后往往要先进行适当的预处理，其目的是去除混杂在有用信号中的各种干扰，并对检测系统的非线性、零位误差和增益误差等进行补偿和修正。数字信号预处理一般用软件的方法来实现。1）数字滤波）数字滤波l混杂在有用信号中的干扰信号有两大类：周期性干扰和随机性干扰。典型的周期干扰是50Hz的工频干扰，采用积分时间为20ms整数倍的双积分型A/D转换器，可有效地消除其影