第十二讲振动测量

1、振动的测量 同济大学汽车实验室同济大学汽车实验室 周周 鋐鋐同济大学汽车实验室同济大学汽车实验室概述v机械振动的概念机械振动的概念： 质点或物体在平衡位置处作往复运动的现象质点或物体在平衡位置处作往复运动的现象, ,机械的工作机械的工作过程中，汽车的行驶中都会产生机械振动。过程中，汽车的行驶中都会产生机械振动。v机械振动的危害：机械振动的危害： 损耗机械系统的能量、降低系统的效率；一定程度给机械损耗机械系统的能量、降低系统的效率；一定程度给机械系统造成疲劳破坏；机械振动和形成的噪声对人体环境造系统造成疲劳破坏；机械振动和形成的噪声对人体环境造成危害。成危害。v机械振动的利用：机械振动的利用：

2、利用机械振动制成各种节省能量提高工效的振动机械，如利用机械振动制成各种节省能量提高工效的振动机械，如振动压路机、振动筛分机、振动桩机等。振动压路机、振动筛分机、振动桩机等。 利用人为的给出与机械系统固有振动相位相反的机械振动利用人为的给出与机械系统固有振动相位相反的机械振动来抑制机械系统的振动实现主动抗振。来抑制机械系统的振动实现主动抗振。同济大学汽车实验室同济大学汽车实验室测量机械振动的意义测量机械振动的意义 通过对振动的测量来评价振级的大小；通过对振动的测量来评价振级的大小； 测定机械系统的动态特性，获得在各种激励下机测定机械系统的动态特性，获得在各种激励下机械系统的响应；械系统的响应；

3、通过对振动的测量直接为控制机械振动提供条件；通过对振动的测量直接为控制机械振动提供条件； 合理进行有限寿命设计提供依据。合理进行有限寿命设计提供依据。同济大学汽车实验室同济大学汽车实验室概述v振动的分类： 简谐振动简谐振动 复杂的周期振动复杂的周期振动 随机振动随机振动 其中其中 都是随机变量。都是随机变量。 一般更通俗的分类为稳态振动会和瞬态振动包括冲击和随一般更通俗的分类为稳态振动会和瞬态振动包括冲击和随机振动。机振动。tXtXmsin)(10)sin()(nnntnXXtX1)(sin)()(nnnntttXtX)()(ttXnn、同济大学汽车实验室同济大学汽车实验室概述v振动的描述 时

4、域分析：在时域中直接通过测量获得振动的位移、时域分析：在时域中直接通过测量获得振动的位移、速度、加速度和时间的关系，从这些关系来分析振动速度、加速度和时间的关系，从这些关系来分析振动时域特性。时域特性。 频域分析：通过测量获得的时域信号计算出振动的幅频域分析：通过测量获得的时域信号计算出振动的幅值、相位、功率等与频率的关系，从这些关系来分析值、相位、功率等与频率的关系，从这些关系来分析振动的频率特性。振动的频率特性。v振动的测量方法 实际测量法：测定机械系统在实际客观激励下的响应，实际测量法：测定机械系统在实际客观激励下的响应，对于汽车来说也就是在实际道路行驶中各部件的响应。对于汽车来说也就是

5、在实际道路行驶中各部件的响应。此法一般用于评价和改进机械系统。此法一般用于评价和改进机械系统。 响应测量法：测定给定激励下系统的响应规律，即系响应测量法：测定给定激励下系统的响应规律，即系统幅频，相频特性，求得系统的传递函数等。此方法统幅频，相频特性，求得系统的传递函数等。此方法适用于研究和设计机械系统。适用于研究和设计机械系统。同济大学汽车实验室同济大学汽车实验室概述v测振系统： 被测振动通常为位移、速度、加速度，因为这三者之间有明确的微积被测振动通常为位移、速度、加速度，因为这三者之间有明确的微积分关系，一般无需同时测量。测量中对其中一个参数进行测量，另二分关系，一般无需同时测量。测量中对

6、其中一个参数进行测量，另二个可用微积分求得。在测振系统中的各个环节都要能如实的反映动态个可用微积分求得。在测振系统中的各个环节都要能如实的反映动态变化信号，也就是说在测振中对每个环节都有一定的幅频和相频要求。变化信号，也就是说在测振中对每个环节都有一定的幅频和相频要求。测量系统的工作频带宽度选择要合理，要注意测量系统各环节的配用。测量系统的工作频带宽度选择要合理，要注意测量系统各环节的配用。被测振动被测振动测振传感器测振传感器测振放大器测振放大器信号分析处理器信号分析处理器显示显示 同济大学汽车实验室同济大学汽车实验室测振传感器v测振传感器 测振传感器的功用是将被测的位移、速度或加速度这些非测

7、振传感器的功用是将被测的位移、速度或加速度这些非电量转换成电量进行测量。电量转换成电量进行测量。 测振传感器的分类： 按被测参数分有：位移、速度、加速度；按被测参数分有：位移、速度、加速度； 按转换原理分有：磁电、压电晶体、电阻、电容、按转换原理分有：磁电、压电晶体、电阻、电容、电感电感； 按参考座标分有：相对、绝对（惯性）。按参考座标分有：相对、绝对（惯性）。按上分类的情况，如要清楚描述一种测量用的传感器，按上分类的情况，如要清楚描述一种测量用的传感器，要将三种分类都反映其中，如要测量一个物体的振动要将三种分类都反映其中，如要测量一个物体的振动要选择一个要选择一个“惯性式压电晶体加速度传感器

8、惯性式压电晶体加速度传感器”。同济大学汽车实验室同济大学汽车实验室相对式测振传感器v 相对式测振传感器同济大学汽车实验室同济大学汽车实验室相对式测振传感器 工作原理 相对式传感器的壳体与大地固定，即被测量相对大地运相对式传感器的壳体与大地固定，即被测量相对大地运动。活动顶杆靠弹簧顶紧或用螺丝固结在被测振动物体上。动。活动顶杆靠弹簧顶紧或用螺丝固结在被测振动物体上。 此类传感器描述振动的方法是，以壳体作为参考基准，此类传感器描述振动的方法是，以壳体作为参考基准，被测振动为输入，顶杆与固定在壳体上的标尺的相对运动被测振动为输入，顶杆与固定在壳体上的标尺的相对运动为输出。这类传感器的输出量常为相对位

9、移，相对速度。为输出。这类传感器的输出量常为相对位移，相对速度。这些相对运动必须转换成电量才能进行测量。这些相对运动必须转换成电量才能进行测量。 相对式传感器的跟随条件 采用弹簧顶杆时其测量的条件要求测量顶杆始终与被测物采用弹簧顶杆时其测量的条件要求测量顶杆始终与被测物体保持接触。体保持接触。同济大学汽车实验室同济大学汽车实验室相对式测振传感器 能满足始终接触的一个保守条件为弹簧顶杆系统能产生的能满足始终接触的一个保守条件为弹簧顶杆系统能产生的最小加速度最小加速度aaminmin大于被测物体的最大加速度大于被测物体的最大加速度a amaxmax, , 即即 aaminminaamaxmax 因

10、为因为 式中：式中：FF弹簧变形后的回复力；弹簧变形后的回复力； mm顶杆质量；顶杆质量； K K弹簧刚度；弹簧刚度； LL弹簧变形初压缩量。弹簧变形初压缩量。 mLKmFamLKaminmin同济大学汽车实验室同济大学汽车实验室相对式测振传感器 若被测物体作简谐振动时若被测物体作简谐振动时 a amaxmax= = 2 2X Xm m 所以上式可写成所以上式可写成 可改写成可改写成 又因为弹簧顶杆系统的固有频率可表达成又因为弹簧顶杆系统的固有频率可表达成: : mmXffXL02202minmXmLK2minmXKmL2minmK020mK20min2mXLK同济大学汽车实验室同济大学汽车实

11、验室相对式测振传感器 从上式表明：这类弹簧顶杆传感器可测频率受从上式表明：这类弹簧顶杆传感器可测频率受 条件的限制，可表达成条件的限制，可表达成: : 实际的顶杆弹簧系统的固有频率实际的顶杆弹簧系统的固有频率 很难做的很大，所以此很难做的很大，所以此类传感器的测量频率也提不高。类传感器的测量频率也提不高。20min2mXLK 0min,mXL0同济大学汽车实验室同济大学汽车实验室相对式测振传感器两种典型的相对式测振传感器v电感式位移传感器 电感式位移传感器的结构为图所示，它利用顶杆带铁芯在电感式位移传感器的结构为图所示，它利用顶杆带铁芯在线圈之运动，使之产生电感的变化，从而测量振动。线圈之运动

12、，使之产生电感的变化，从而测量振动。 此类传感器的原理与特性均在前位移传感器的讨论中介绍此类传感器的原理与特性均在前位移传感器的讨论中介绍了。在这里着重强调其了。在这里着重强调其“相对相对”性，即壳体和线圈均固定性，即壳体和线圈均固定在大地上，被测物体带动顶杆相对线圈运动。从而将相对在大地上，被测物体带动顶杆相对线圈运动。从而将相对的位移转换成电感变化量进行测量。的位移转换成电感变化量进行测量。同济大学汽车实验室同济大学汽车实验室相对式测振传感器v电感式位移传感器同济大学汽车实验室同济大学汽车实验室相对式测振传感器v磁电式速度传感器 工作原理工作原理 同济大学汽车实验室同济大学汽车实验室相对式

13、测振传感器同济大学汽车实验室同济大学汽车实验室相对式测振传感器 由图可知，磁电式速度传感器也是一个弹簧顶杆系统，在由图可知，磁电式速度传感器也是一个弹簧顶杆系统，在测量时弹簧顶杆系统所带的线圈在磁场中以测量时弹簧顶杆系统所带的线圈在磁场中以V V的速度切割的速度切割磁力线，就产生感应电势：磁力线，就产生感应电势： 如果用运动的速度来表示其关系可表达成如果用运动的速度来表示其关系可表达成 式中：式中：BB磁感应强度；磁感应强度； l l线圈导线总长度；线圈导线总长度； 线圈和磁铁间相对直线运动的线速度；线圈和磁铁间相对直线运动的线速度； 运动方向与磁场方法的夹角。运动方向与磁场方法的夹角。dtd

14、NesindtdxBle dtdx同济大学汽车实验室同济大学汽车实验室相对式测振传感器 因为因为 运动方向和磁场方向垂直，运动方向和磁场方向垂直， 9090 所以所以 从此表达式中将可以得出，因为传感器制成磁场为一永久从此表达式中将可以得出，因为传感器制成磁场为一永久磁铁，磁场强度是一个常量；线圈的导线长度也是一个常磁铁，磁场强度是一个常量；线圈的导线长度也是一个常量。量。所以此类传感器在测量物体振动速度时，感应电势所以此类传感器在测量物体振动速度时，感应电势 与速度成正比与速度成正比。 也就是说可以用感应电势来反映所测的振动速度。因此此也就是说可以用感应电势来反映所测的振动速度。因此此类传感

15、器称之为速度传感器。类传感器称之为速度传感器。vdtdxBlve 同济大学汽车实验室同济大学汽车实验室相对式测振传感器 从原理上看此类传感器输出的感应电势和被测速度成正从原理上看此类传感器输出的感应电势和被测速度成正比，但实际上此类传感器在频率很低时感应电势弱受磁场比，但实际上此类传感器在频率很低时感应电势弱受磁场的实际非线性影响大；频率高时又受到弹簧顶杆的接触条的实际非线性影响大；频率高时又受到弹簧顶杆的接触条件限制。所以此类传感器的使用范围一般在件限制。所以此类传感器的使用范围一般在2 2500HZ500HZ的范的范围内。即可测围内。即可测2 2500HZ500HZ内的简谐振动和有效频宽包

16、含在内的简谐振动和有效频宽包含在2 2500HZ500HZ范围内的复杂振动。范围内的复杂振动。同济大学汽车实验室同济大学汽车实验室惯性式测振传感器 以上讨论的相对式测振传感器原理简单，但在一般情况下以上讨论的相对式测振传感器原理简单，但在一般情况下由于被测物体附近很难找到一个参考静止点。如汽车在道由于被测物体附近很难找到一个参考静止点。如汽车在道路上行驶，飞机在天空中飞行，船在海中航行等都不可能路上行驶，飞机在天空中飞行，船在海中航行等都不可能找到一个相对被测物体不动的基准。这样此类传感器就很找到一个相对被测物体不动的基准。这样此类传感器就很难用于这些物体的振动测量，因此人们就想到了用所谓难用

17、于这些物体的振动测量，因此人们就想到了用所谓“惯性式惯性式”或称绝对式测振传感器。或称绝对式测振传感器。同济大学汽车实验室同济大学汽车实验室惯性式测振传感器v惯性式测振传感器 工作原理与基本特性工作原理与基本特性 在测量物体的机械振动时，传感器的壳体刚性地固定在在测量物体的机械振动时，传感器的壳体刚性地固定在振动物体上，因此传感器壳体是随振动物体一起振动的。振动物体上，因此传感器壳体是随振动物体一起振动的。 如果设想传感器中放置一质量弹簧系统，且质量如果设想传感器中放置一质量弹簧系统，且质量m m比较大，比较大，而弹簧较软，即而弹簧较软，即K K小。那么当振动物体的振动频率足够高小。那么当振动

18、物体的振动频率足够高时，弹簧质量的响应跟不上，甚至没有响应。如果在一定时，弹簧质量的响应跟不上，甚至没有响应。如果在一定条件下弹簧质量系统没响应，即静止不动了，此时就可以条件下弹簧质量系统没响应，即静止不动了，此时就可以将这在运动着的壳体里静止不动的质量块作为绝对基准，将这在运动着的壳体里静止不动的质量块作为绝对基准，也就是相对大地绝对不动来作为对运动着的物体即传感器也就是相对大地绝对不动来作为对运动着的物体即传感器壳体机械振动测量的基准。壳体机械振动测量的基准。 同济大学汽车实验室同济大学汽车实验室惯性式测振传感器 绝对参考点建立的条件绝对参考点建立的条件 由质量由质量m m，弹簧，弹簧k

19、k，阻尼，阻尼c c组成组成一个惯性式传感器，传感器固一个惯性式传感器，传感器固定在被测物体上。定在被测物体上。 设：设：yy振动物体相对大地的绝对位移；振动物体相对大地的绝对位移； x xm m质量块相对大地的绝对位移；质量块相对大地的绝对位移； xx振动物体或壳体与质量块之间的相对位移。振动物体或壳体与质量块之间的相对位移。 这三者之间的关系式用式子表达为这三者之间的关系式用式子表达为yxxm同济大学汽车实验室同济大学汽车实验室惯性式测振传感器由牛顿第二定律由牛顿第二定律F Fmama得到作用在质量上的力为质量块上的得到作用在质量上的力为质量块上的 惯性力弹簧力阻尼力。惯性力弹簧力阻尼力。

20、m22dtxdmmdtdxcdtdxckxdtxdmm22kx同济大学汽车实验室同济大学汽车实验室惯性式测振传感器用用x x、x xm m、y y三者之间的关系代入改写上式后得三者之间的关系代入改写上式后得用拉普拉斯算代入用拉普拉斯算代入此式若把所测振动物体相对大地的位移此式若把所测振动物体相对大地的位移y y看成是传感器的输入，把质量看成是传感器的输入，把质量块相对于大地的位移块相对于大地的位移x xm m看成是输出，则此传感器的传递函数可表达为看成是输出，则此传感器的传递函数可表达为此式两边同时此式两边同时1 1可改写成可改写成 kcsmskcssysxm2)(kydtdycdtdxcdt

21、xdmmm22 sykcssxkcsmsm)()()(2 mkmemssssysysx22同济大学汽车实验室同济大学汽车实验室惯性式测振传感器令：振动的衰减系数令：振动的衰减系数 为为 固有频率固有频率 为为 代入前式代入前式 由于测振传感器测量的是动态物理量，因此传感器的频率特性是很重由于测振传感器测量的是动态物理量，因此传感器的频率特性是很重要的。所以在讨论中可将频率因子要的。所以在讨论中可将频率因子j j 代入，令代入，令s=js=j ， 则传递函数为：则传递函数为： 此式为惯性式测振传感器的特性方程。此式为惯性式测振传感器的特性方程。 mkc2mk0 200222ssssysysxm0

22、 000212)(2220022jjjyyxm同济大学汽车实验室同济大学汽车实验室惯性式测振传感器因此在前讨论中因此在前讨论中 ，所以又可表达成，所以又可表达成此传感器幅频特性为此传感器幅频特性为 相频特性为相频特性为 222221 000jyjx 00021)(22jjyx 210012tgyxxm同济大学汽车实验室同济大学汽车实验室惯性式测振传感器此两特性可用下图直观地表达：此两特性可用下图直观地表达：同济大学汽车实验室同济大学汽车实验室惯性式测振传感器 由图可见，当由图可见，当 11，即，即 时，时， 幅频特性幅频特性 相频特性是一定斜率的直线。相频特性是一定斜率的直线。 这表达了当这表

23、达了当 时，也就是被测物体的振动频率远大时，也就是被测物体的振动频率远大于传感器的固有频率时，被测物体相对于质量块的相对位于传感器的固有频率时，被测物体相对于质量块的相对位移等于被测物体相对于大地的绝对位移。这样满足了一定移等于被测物体相对于大地的绝对位移。这样满足了一定的条件后可以用的条件后可以用x x来代替来代替y y，在一个运动的被测物体上找到，在一个运动的被测物体上找到了一个相对大地绝对不动的参考点了一个相对大地绝对不动的参考点。001jyjx0同济大学汽车实验室同济大学汽车实验室惯性式测振传感器从上讨论可以得出：从上讨论可以得出：l当幅频特性（幅值比）为当幅频特性（幅值比）为1 1时

24、，壳体或被测物体相对质量时，壳体或被测物体相对质量块的位移反映了壳体或被测物体相对于大地的位移；块的位移反映了壳体或被测物体相对于大地的位移；l反之，若不能满足反之，若不能满足11传感器的特性就很差不能工传感器的特性就很差不能工作，所以此种用壳体或被测物体相对质量块的位移来代替作，所以此种用壳体或被测物体相对质量块的位移来代替壳体或被测物体相对于大地的位移的测振传感器低频段特壳体或被测物体相对于大地的位移的测振传感器低频段特性很差，是否此类惯性式传感器性很差，是否此类惯性式传感器低频段特性都很差低频段特性都很差。？有没有什么方法可以使之低频段特性好？有没有什么方法可以使之低频段特性好？0同济大

25、学汽车实验室同济大学汽车实验室惯性式测振传感器v利用壳体相对于质量块位移代替壳体相对于大地的加速度 在全面的讨论是在全面的讨论是X X与与y y的关系，同样利用可以用壳体或被测物体相对于的关系，同样利用可以用壳体或被测物体相对于质量块位移质量块位移X X，来反映壳体或被测物体相对于大地的振动加速度，来反映壳体或被测物体相对于大地的振动加速度a ay y。 传感器的结构和前一样，微分方程也一样为：传感器的结构和前一样，微分方程也一样为：dtdxckxdtxdmm22因为因为yxxyxxmm,改变形式改变形式yadtydxmkdtdxmcdtxdm2222同样作拉普拉斯变换同样作拉普拉斯变换 sa

26、sxmksmcsy2同济大学汽车实验室同济大学汽车实验室惯性式测振传感器壳体或被测物体相对于大地的振动加速度壳体或被测物体相对于大地的振动加速度a ay y作为输入，壳体或被测物作为输入，壳体或被测物体相对于质量块的位移作为输出。体相对于质量块的位移作为输出。 mkmcsssysx21同理，用同理，用代入代入0, 200221sssysx同样用频率因子代入同样用频率因子代入 00202121210220jjjajxy同济大学汽车实验室同济大学汽车实验室惯性式测振传感器因为因为 是传感器的固有频率，传感器做好后它是一个常数，将其移是传感器的固有频率，传感器做好后它是一个常数，将其移到等式的左边，

27、到等式的左边， 幅频特性幅频特性 相频特性相频特性0 00211220jjajxy 2222000411jajxy 210012tg同济大学汽车实验室同济大学汽车实验室惯性式测振传感器同样可用幅频、相频图形直观地表示同样可用幅频、相频图形直观地表示同济大学汽车实验室同济大学汽车实验室惯性式测振传感器和前讨论一样，当幅频特性和前讨论一样，当幅频特性 时，幅值比是一常数时，幅值比是一常数 ，相频同样是一定斜率直线，可以壳体或被测物体，相频同样是一定斜率直线，可以壳体或被测物体相对于质量块的位移来代替壳体或被测物体相对于大地的相对于质量块的位移来代替壳体或被测物体相对于大地的加速度加速度 。它们之间

28、差一个。它们之间差一个常数。常数。并且从特性可以看出此种对应关系的传感器低频端很好，并且从特性可以看出此种对应关系的传感器低频端很好，高频端受到限制。高频端受到限制。一般此类传感器的一般此类传感器的 做的很高这样可以克服高频端的不做的很高这样可以克服高频端的不足。足。1020ya200同济大学汽车实验室同济大学汽车实验室惯性式测振传感器 以上讨论了两个对应关系，即以上讨论了两个对应关系，即x xy y；x x 。同样还可。同样还可以讨论多种对应关系如以讨论多种对应关系如x x Vy Vy；VxVxy y； y y；。因为受到从机械量到电量转换方法的限制，虽然从理论上因为受到从机械量到电量转换方

29、法的限制，虽然从理论上讲有许多对应关系而实际应用于惯性式测振传感器的只有讲有许多对应关系而实际应用于惯性式测振传感器的只有三种即三种即x xy y ；VxVxVyVy；和；和x x 。yayaya同济大学汽车实验室同济大学汽车实验室惯性式测振传感器v几种常用的惯性式传感器几种常用的惯性式传感器以上讨论了二种对应形式的惯性式传感器：以上讨论了二种对应形式的惯性式传感器：l X Xy y对应形式的传感器一般体积较大用在建筑物、桥、对应形式的传感器一般体积较大用在建筑物、桥、大型机械较多。大型机械较多。l X X 的对应形式做成的传感器较小而且结构简单，所的对应形式做成的传感器较小而且结构简单，所以

30、在车辆和一般的机械振动测量中应用较多。以在车辆和一般的机械振动测量中应用较多。ya同济大学汽车实验室同济大学汽车实验室惯性式测振传感器v惯性式速度传感器（vx-vy）同济大学汽车实验室同济大学汽车实验室惯性式测振传感器v应变式加速度传感器应变式加速度传感器 工作原理：工作原理：应变式加速度传感器以等强度梁作为弹性应变式加速度传感器以等强度梁作为弹性元件（它相当于弹簧）加之支架、应变片、质量块和元件（它相当于弹簧）加之支架、应变片、质量块和阻尼材料构成，见图。阻尼材料构成，见图。同济大学汽车实验室同济大学汽车实验室惯性式测振传感器l当被测物体产生振动加速度当被测物体产生振动加速度时，就会使壳体和

31、质量块时，就会使壳体和质量块之间产生位移之间产生位移X X，并以，并以 的形式使梁产生一个弯矩的形式使梁产生一个弯矩 M M，此弯矩使得贴在梁上的应变片感受弯矩变形后而产生，此弯矩使得贴在梁上的应变片感受弯矩变形后而产生电阻的变化。由此完成了从输入电阻的变化。由此完成了从输入 到应变片输出到应变片输出 的转换，的转换，最后通过应变仪将其测量出来。最后通过应变仪将其测量出来。l此类传感器在硅油阻尼下有较好的特性，当此类传感器在硅油阻尼下有较好的特性，当0.7070.707时，时， 范围内特性平直。其可测的工作频率为范围内特性平直。其可测的工作频率为 0 00.40.4 0 0 。一般此类结构传感

32、器工作频率范围为。一般此类结构传感器工作频率范围为0 090HZ90HZ。因为此类结构形式。因为此类结构形式 0 0不易做高所以频率特性高端较不易做高所以频率特性高端较差，只适宜于较低频率的振动测量。差，只适宜于较低频率的振动测量。yakxF RR 4 . 00ya同济大学汽车实验室同济大学汽车实验室惯性式测振传感器v压电晶体式加速度传感器 压电效应：压电晶体加速度传感器的工作基于物理学：压电晶体加速度传感器的工作基于物理学里面的压电效应。里面的压电效应。 压电效应的分类：压电效应的分类：顺压电效应：某些介质在一定方向上受到外力的作某些介质在一定方向上受到外力的作用而变形时，内部会产生极化，同

33、时在某些表面产生用而变形时，内部会产生极化，同时在某些表面产生电荷。当外力消除后，又重新回到不带电状态。这种电荷。当外力消除后，又重新回到不带电状态。这种将机械能转换成电能的现象为顺压电效应。将机械能转换成电能的现象为顺压电效应。逆压电效应：与顺压电效应相反，在介质的极化方与顺压电效应相反，在介质的极化方向上施加电场，在它某一个方向上会产生机械变形。向上施加电场，在它某一个方向上会产生机械变形。这种将电能转换成机械能的现象为逆压电效应。这种将电能转换成机械能的现象为逆压电效应。同济大学汽车实验室同济大学汽车实验室压电效应同济大学汽车实验室同济大学汽车实验室压电效应在晶体的压电效应最明显方向上的

34、电荷积累表达式为在晶体的压电效应最明显方向上的电荷积累表达式为 式中：式中： 压电效应最明显方向垂直平面上的电荷；压电效应最明显方向垂直平面上的电荷； 压电系数，不同材料不同受力方式此系数不一样；压电系数，不同材料不同受力方式此系数不一样； 作用在压电效应最明显方向上的力。作用在压电效应最明显方向上的力。 从上表达式可知，压电晶体在受力后会产生电荷，并且所从上表达式可知，压电晶体在受力后会产生电荷，并且所产生的电荷与所受到力成正比，基于此原理压电效应被广产生的电荷与所受到力成正比，基于此原理压电效应被广泛应用于机械力、加速度、压力、流量等机械参数的测量。泛应用于机械力、加速度、压力、流量等机械

35、参数的测量。1Fkq q1kF同济大学汽车实验室同济大学汽车实验室惯性式测振传感器v压电式加速度传感器压电式加速度传感器是基于所讨论的压电式加速度传感器是基于所讨论的x x 方式进行工作方式进行工作的。它由壳体、压电晶体、极板、质量块、弹簧组成。的。它由壳体、压电晶体、极板、质量块、弹簧组成。ya同济大学汽车实验室同济大学汽车实验室惯性式测振传感器 由于这类传感器弹簧刚度由于这类传感器弹簧刚度K K很大质量块很大质量块m m较小所以其固有频较小所以其固有频率率很高，测量的频率范围很宽，最高可达很高，测量的频率范围很宽，最高可达101050KHz50KHz。 工作原理工作原理在传感器内部要装中首

36、先适当预紧，保证压电晶体始终处在传感器内部要装中首先适当预紧，保证压电晶体始终处于受压状态，随着振动的测量，传感器是在初始状态上下于受压状态，随着振动的测量，传感器是在初始状态上下压的紧一点和松一点工作。其过程为由于壳体或被测物体压的紧一点和松一点工作。其过程为由于壳体或被测物体相对大地有一个相对大地有一个 , ,它使得质量块与壳体之间存在一相对它使得质量块与壳体之间存在一相对位移位移x x，由此位移所产生的一个弹簧力，由此位移所产生的一个弹簧力作用在压电作用在压电晶体由晶体由 关系产生电荷。由此完成了从机械量到电关系产生电荷。由此完成了从机械量到电量的转换。量的转换。 0yakxF Fkq

37、同济大学汽车实验室同济大学汽车实验室惯性式测振传感器标定同济大学汽车实验室同济大学汽车实验室三向测振传感器及放大器同济大学汽车实验室同济大学汽车实验室惯性式测振和力传感器v阻抗头同济大学汽车实验室同济大学汽车实验室惯性式测振传感器 配放大器后的特性配放大器后的特性压电晶体传感器的输出电荷信号压电晶体传感器的输出电荷信号q q十分微弱，必须配上适当地放大环十分微弱，必须配上适当地放大环节才能将被测量测得，而放大环节的引入会产生负载效应，即给测量节才能将被测量测得，而放大环节的引入会产生负载效应，即给测量和输出带来影响。其等效图如下和输出带来影响。其等效图如下 在等效图在等效图1 1中：中： 同济大