振动的测量解析课件

1、 模块五 振动的测量振动是物体在其平衡位置附近作周期性往复运动的运动形式。振动的存在会影响机器的正常运转；利用振动现象又可以制造众多设备，如振动压路机、振动筛等。可见：测量和分析振动现象，抑制可能带来的危害显得十分必要。2022/8/212022/8/21 模块五 振动的测量课题一 振动传感器课题二 压电式加速度传感器课题三 冲击传感器课题四 微硅加速度传感器任务导入课题一 振动传感器 璃打碎报警装置广泛应用于文物保管、贵重商品保管及商品柜台等场合。感受玻璃振动的部件压电薄膜式振动传感器是报警装置的核心。2022/8/21工作过程： 玻璃打碎时发出几千赫兹甚至更高频率的振动，将高分子压电薄膜粘

2、贴在玻璃上，感受到这一振动并转换成电压输出，经一系列信号处理后传送给集中报警系统。振动传感器在这一系统中处于信息采集的前端。2022/8/21 在组成振动测量系统之前，首要任务是根据测量范围、要求的精度及安装形式、价格等选择合适的振动传感器。 本课题的任务就是：了解常用振动传感器的结构、种类，熟悉各种振动传感器的使用范围及场所，学会选用、使用振动传感器，组成振动测量系统，完成振动测量任务。 2022/8/21 知识点掌握振动测量的相关概念了解振动传感器的工作原理 熟悉压电式传感器的原理和特性 技能点掌握振动传感器的选用原则和压电式振动传感器的使用 2022/8/21相关知识一、振动基础知识 按

3、振动形式分类，有机械振动、土木振动、运输工具振动等。 按振动频率分，有高频、低频和超低频振动。 按振动原因分，又会有自由振动、强迫振动和自激振动等。 物体围绕平衡位置的往复运动构成振动。2022/8/21 振动的常用测量值有三个: 振动位移、振动速度和振动加速度。 振动位移用s表示，单位为mm或m； 振动速度用v表示，单位为m/s或mm/s； 振动加速度用a表示，单位m/s2，工程上常用重力加速度g作为单位 。 振动位移、振动速度和振动加速度之间相互对应，可通过简单微积分运算进行换算。2022/8/21 周期 物体振动一次所需的时间。频率是周期的倒数，即每秒钟物体振动的次数，单位为赫兹。 振幅

4、 振动物体偏离平衡位置的最大距离。工程上常用单峰值、峰峰值和有效值等指标反映。 谐振 振动频率接近系统固有频率时，振动迅速增大，产生谐振。此时的频率为谐振频率。2022/8/21 振动系统模型中的主要部件为质量块m，弹簧k和阻尼器c。质量块受外力作用后按一个固定频率作自由振动。因此可以用质量块的振动间接反映物体的振动。根据质量块频率与被测物振动频率的关系不同，可制成振动位移、速度和加速度传感器。二、振动传感器2022/8/21振动传感器的常用分类：振动传感器接触式 非接触式电涡流式电感式压电式电容式霍尔式光电式 压电式传感器由于测量频率宽、量程大、体积小、对被测件的影响小，安装使用，成为最常用

5、的测振传感器。2022/8/21 压电效应：某些物质沿一定方向上受到外力作用变形时，内部被极化，其表面产生电荷；外力去除后，又会重新回到不带电的状态的现象。 三、压电式振动传感器 压电材料：具有压电效应的物质称为压电材料。这种物质很多，如天然形成的石英晶体，人工制造的压电陶瓷、钛酸钡等。常见的压电材料可分为三类，即单晶体压电晶体、多晶体压电陶瓷和高分子压电薄膜。2022/8/212022/8/21超声波美容仪器用压电陶瓷晶片医用B超换能器用压电陶瓷晶片2022/8/21高分子压电薄膜聚偏二氟乙烯（PVF2）、聚氟乙烯（PVF）、聚偏氟乙烯（PVDF）等 2022/8/21压电式传感器工作原理

6、工作过程中以压电效应为基础。压电晶片的两个工作面构成两个电极。当压电晶片受到压力F的作用时，在两个极板上积聚数量相等而极性相反的电荷，检测电荷量的多少可以测量受力大小。Q为电荷量；F为作用力（N）；D为压电常数（C / N）2022/8/21任务实施本任务中振动传感器要求小巧轻便，灵敏度较高磁电式速度传感器在该场合下不适用；同时，橱窗在日常使用时易移动，用电涡流传感器进行非接触测量也不方便。以石英晶体或压电陶瓷为核心的普通小型压电传感器在报警系统使用初期出现过。由于个头较大，目前已改为高分子压电薄膜结构的传感器。使用时，用瞬干胶粘贴在玻璃上，玻璃破碎瞬间，压电薄膜感受剧烈振动，表面产生电荷，在

7、输出引脚间产生窄脉冲电压，经电缆输送到集中报警装置，产生报警情号。2022/8/21名 称工 作 原 理特 点应 用 领 域电涡流位移传感器电涡流效应；输出信号与振动位移成正比非接触测量；能做静态和动态测量；材料不同会影响传感器线形范围和灵敏度；需外加电源和前置器，安装复杂静位移的测量；振动位移的测量；旋转机械中监测转轴的振动测量磁电式速度计电磁感应原理，输出信号与振动速度成正比安装简单，适用于大多数机器环境；无须外加电源，振动信号可直接使用；体积较大，活动部件易损坏，低频响应不好；标定较麻烦，只可作动态测量，价格较贵汽轮发电机组振动，有合适的频响范围压电式加速度计压电效应，输出信号与振动加速

8、度成正比体积小、重量轻，结构紧凑，不易损坏；环境噪声、传感器安装对测试影响较大；价格较贵，需设电荷放大器振动测量、冲击测试、动平衡校准等2022/8/21本课题作业：1、振动的测量值有哪些？如何合理选用这些测量值及对应的振动传感器？2、何谓压电效应？常用的压电材料有哪些？3、振动测量的常用指标有哪些？4、为什么说压电式传感器只适用于动态测量而不能用于静态测量?2022/8/21课题二 压电式加速度传感器任务导入 提升机是各类矿井中使用的与生活中常见的电梯类似的运输设备。 对于国内大量存在 的设备老化的矿井，提升机及其容器的运行过程远没有民用电梯车厢那样平稳，存在较大的振动。为了保证矿井主运输通

9、道的安全，相关部门对提升机各部件的检测周期及标准做出明确要求，其中振动检测是重要组成环节。2022/8/212022/8/21 提升容器振动检测中常利用振动传感器把振动信号转化为电信号，经放大后传送给采集装置采集和保存数据。 这里使用的振动传感器是基于压电效应工作的压电式加速度传感器。2022/8/21 知识点了解压电式加速度传感器的结构及基本测量电路掌握压电式加速度传感器的选用 技能点压电式加速度传感器的使用2022/8/212022/8/21一、传感器结构及测量电路 压电加速度传感器由压电元件、质量块、预压弹簧、基座、外壳等部分组成。压电片用压电陶瓷制成，两压电片并联，质量块对压电元件施加

10、预载荷。测量时，传感器与被测物体刚性连接，质量块与物体一起运动。相关知识 当被测物体产生加速度时，质量块将产生惯性力F1 。大小为 F1=m*a 。从而作用在压电元件上的压力F为：压电元件上产生与加速度a对应的电荷：与ma对应的是电荷的增量为：2022/8/21 将压电元件产生的电荷输出给电荷放大器，则电荷放大器的输出电压的增量 可知，电荷放大器的输出电压的增量与加速度a成正比。只要将输出电压测出，即可获得构件的加速度。 在电路中增加积分电路，还可测出物体的振动速度和振动位移量。2022/8/21电荷放大器 理由： 振动传感器可采用电压放大、电荷放大等多种形式得到足够大的输出值。压电式加速度传

11、感器如采用电压输出则线路简单、线性度及稳定度较好，但需配置输入阻抗很高的放大器，并且电压灵敏度受电缆长度的影响较大；用电荷输出不仅可以得到稳定的输入，还能改善低频特性。压电式加速度传感器通常配用电荷放大器。电荷放大器实际上是一个具有深度负反馈的高增益运算放大器。 2022/8/21二、传感器的合理选择压电加速度传感器的主要参数有：灵敏度K 灵敏度即每一单位输入得到的输出量。灵敏度单位为pC / (ms-2) 或pC / g（g为标准重力加速度 ）。通常灵敏度的范围为10-100pC/g。测量范围 常用的测量范围为0.1100g。频率范围 大多数压电加速度传感器的频率范围为0.1Hz至10kHz

12、。从其频率范围下限大于0Hz可知，这种传感器不适于静态值的测量。2022/8/21 、传感器的校准 绝对法、相对法三、压电式加速度传感器的使用 、传感器的安装测点的选择要根据测量目的来确定。安装方法有螺钉安装、磁吸盘安装、粘贴安装和云母片安装等。 、使用注意事项引起压电式加速度传感器测量误差的原因除去测量频率外，还有环境影响及噪声2022/8/21任务实施提升容器质量较大，运动过程中的振动频率符合压电加速度传感器的测量范围。工作过程中传感器质量块与被测容器的振动加速度基本一致，可以很好地反映提升容器的振动。用电荷放大器组成放大电路，配以数据采集箱和振动分析软件，组成振动测试系统。可以一次采集三

13、个相互垂直方向的振动加速度信号，反映提升容器的运行平稳度。2022/8/21本课题作业： 1、压电式加速度传感器选择过程中需要考虑哪些因素？ 2、电荷放大器和电压放大器用在振动测量电路中的区别是什么？对于压电式加速度传感器，用哪一种放大器效果更好？ 3、振动传感器的安装方式有哪些？使用最多的是哪种方式？2022/8/212022/8/21任务导入路基压实度测试是一种重要的路基检测手段。测量时，使用装有力和冲击振动传感器的锤。当其从恒定高度自由落下时，给路基一个瞬态冲击，由于路基土密实程度不同，对振动冲击能量的吸收也不同。通过检测到的冲击响应信号可以判断路基的敦实程度。这里用到的是一种特殊的振动

14、传感器冲击传感器。课题三冲击传感器2022/8/21 知识点了解冲击的概念及对传感器的要求 熟悉冲击传感器的结构和原理 技能点冲击传感器的适用场合和特殊要求相关知识一、冲击传感器冲击实质上是一种特殊的振动现象。由于在短时间内有很强的能量释放，在瞬间振动体产生较大的振幅，并随着时间的推移迅速衰减。速度传感器一般最大可测加速度值在10g左右，大量程振动速度传感器可测加速度也仅为50g，位移传感器测量加速度值的范围更小。无法满足冲击传感器大量程检测的需要，所以冲击检测必须选择加速度传感器。2022/8/21常用的冲击加速度传感器有：压电式冲击传感器 是一种特殊类型的压电加速度传感器开关式冲击传感器（

15、振动加速度开关） 是一种开关电器，用在某些安全装置上。微硅加速度传感器（MEMS 传感器） 利用微机电系统（MEMS ）技术设计和开发的芯片级传感器。2022/8/21二、压电式冲击传感器结构、原理与普通压电加速度传感器相同，用于冲击测量时选择测量范围大的冲击类型；显著特点是内置放大电路，信号可直接送入信号采集设备，省略了电荷放大器，降低了成本。2022/8/21三、开关式冲击传感器利用加速度急剧变化时产生的较大的惯性力，使传感器内的惯件零件运动，从而接通或断开电路，输出开关信号。典型应用为安全气囊点火装置。目前这种开关有与MEMS结合的趋势。2022/8/21 电路中采用两个开关式加速度传感

16、器，常闭式传感器并联在电发火管两端，常开式传感器串接在控制单元与发火电路之间。 传感器内的惯性零件在惯性力的作用下动作，控制单元输出点火信号，使大功率场效应管导通，电流流过使发火管发生作用。2022/8/21 微硅加速度传感器是利用各种物理效应和微机械设计技术开发的传感器芯片。 冲击检测的应用常见于汽车轮胎防爆、安全气囊点火装置等方面，在汽车电子中逐渐替代传统的加速度开关。四、微硅加速度传感器下一课题中详细介绍！2022/8/21为了进行有效的冲击测量，选择压电式加速度冲击传感器，其要求为： 1.频率范围宽； 2.动态范围宽，一般测量加速度可以达到30000g； 3.对冲击振动的频响特性好；

17、4.安装、使用方便，体积小，重量轻。 测试方法采用自由落体落锤式瞬态冲击法。采用自由落体形式，能很方便地实现重锤以恒等能量冲击路基；采用落锤式，能以小的锤体重量获得较大的冲击能量，能量集中，可以增加测量深度。任务实施2022/8/21路基测量过程中，检测到的力和加速度响应信号，通过放大、滤波、峰值采样、A/D转换、信号分析和处理，得到路基土的压实度测量值，最后数字显示和打印输出。2022/8/21本课题作业：1、常用的冲击传感器的类型和工作原理？2、压电传感器用于冲击测量时的要求?2022/8/212022/8/21任务导入 汽车安全气囊系统在碰撞发生时，碰撞加速度传感器能将感受到的加速度信息

18、转换为电信号送往控制单元，控制单元中的微处理器对加速度进行处理和识别，判断事故性质。当确认是碰撞事故时，控制单元输出点火信号给气体发生器，产生大量压力气体，向气袋充气。气袋冲破气囊盖形成充弹性体托住乘员的头部、胸部。课题四微硅加速度传感器将加速度转换为电信号的元器件除了可以采用上一课题讲到的加速度开关，目前多采用微硅加速度传感器。它的原理和使用要求将在本次课详述。2022/8/212022/8/21 知识点了解微硅加速度传感器的结构和原理；熟悉微硅加速度传感器的应用领域和特点。 技能点微硅加速度传感器的应用；相关知识微硅加速度传感器是一种重要的力学量传感器。这种传感器由于在硅片上集成加速度传感

19、器，具有体积小，重量轻，易于与测试、控制电路集成，有利于大规模批量生产等优点，随着这几十年的发展，微硅加速度传感器的研究得到越来越广泛的关注。目前，这种传感器已有压阻式、电容式、隧道式、共振式等几种类型。2022/8/21一、压阻式微硅加速度传感器原理 压阻式加速度传感器主要由一个悬臂梁构成，梁的一端固定，另一端悬挂一个能感应由加速度产生的作用力的质量块。2022/8/21这种传感器一般为三层结构： 顶盖和底盖通常为玻璃或硅片，起密封和过载保护作用，底座上还有前置放大和各种补偿电路；中间层用体硅加工工艺加工出的悬臂架和质量块，在悬臂架上用离子注入工艺制作出应变电阻器。 当质量块受到力运动时，由

20、于应变效应，电阻器的阻值变化，通过电桥检出电阻变化量，以求得加速度值。2022/8/21 经过20年的研究和开发，压阻式加速度传感器的设计已经比较成熟，它具有加工工艺简单，测量方法易行，线性度好等优点，得到广泛应用。 但压阻式加速度传感器有两个较严重的缺点: 温度效应严重；灵敏度较低。通过温度控制电路可以对温度效应进行补偿，但提高灵敏度方面难度很大，很难测量大振幅 （高g值）的 加速度值。 采用另一种检测方式的加速度传感器电容式微硅加速度传感器的研究和开发是与压阻式微硅加速度传感器同步展开。2022/8/21二、电容式微硅加速度传感器原理电容式微硅加速度传感器是一种基于差动电容的静电力平衡式闭

21、环加速度传感器。它主要由质量弹性元件、位移测量系统及信号调理电路等组成。2022/8/21弹性元件是由硅材料制成的横梁，四角与活动折叠片连接构成运动部件。有加速度时，横梁移动，带动连接片移动。中间极板与两固定外极板组成差动电容。没有加速度时，C1C2；有加速度时，C1 C2。通过测量电路将两电容量的差值变化转化为电量输出，就能够测得相应的加速度值。2022/8/21微硅加速度传感器为芯片级产品（左图为该芯片的引脚结构），因此它与信号采集设备连接之前需要一定的硬件接口电路。接口电路板上除了放置传感器芯片外，还包括稳压电路、抗混滤波电路、温度补偿电路等部分。三、接口电路设计2022/8/21 硅传感器内部组件及其与主要外围期间