振动理论实验二测量传感器

第二部分

振动测量传感器现代力学测量技术振动传感器的分类按物理过程

发电式电动式磁电式压电式电磁感应原理电参数电阻式电感式电容式压阻式振动传感器的分类按力学过程惯性式（质量-弹簧）无参照系接触式（跟随）有参照系非接触式（电涡流、激光、光电）振动传感器的分类按被测参数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惯性式传感器工作原理

力学模型如图所示。图中y1、y0、y01分别表示壳体绝对位移、质块的绝对位移和壳体与质块的相对位移。测试时，壳体和被测物体联接（用胶接或机械方法），当传感器外壳跟随振动物体振动时，其内部质量与外壳之间产生相对运动。适当选取传感器的结构参数，所测结果将分别反映振动问题的位移、速度和加速度惯性式传感器运动方程

强迫振动解为其中则惯性式传感器对的讨论表明质块和壳体的相对运动（输出）和基础的振动（输入）近乎相等，即表明质块在惯性座标中几乎处于静止状态

作为加速度计的条件作为位移计的条件（应用于动圈式速度传感器的设计）1当时，即被测频率远高于传感器固有频率时

2当时，即被测频率远低于传感器固有频率时

惯性式传感器阻尼对惯性位移计幅频特性的影响惯性式传感器阻尼对惯性加速度传感器幅频特性的影响惯性式传感器阻尼对惯性传感器相频特性的影响电磁感应式速度传感器分类运动导体切割磁力线产生感应电动式电动式速度传感器磁电式速度传感器导体不动，穿过导体的磁力线数发生变化，导体两端产生感应电动式电动式速度传感器--相对式速度传感器1—顶杆

2—弹簧片

3—磁钢

4—线圈

5—引出线

6—壳体

用来测量振动系统中两部件之间的相对振动速度，壳体固定于一部件上，而顶杆与另一部件相连接。从而使传感器内部的线圈与磁钢产生相对运动，产生相应的电动势来。电动式速度传感器--相对式速度传感器特点：1、可测量频率从零赫兹开始的相对振动量；2、使用频率上限由接触杆与被测物体表面的接触共振频率决定，或者由连杆和线圈骨架组成的轴向固有频率决定；3、输入与输出之间的相移基本为零；4、附加质量不大；5、对被测物体有附加刚度。电动式速度传感器--相对式速度传感器使用应注意的问题电动式速度传感器—惯性式速度传感器结构：

a单磁隙结构b双磁隙结构c动磁钢结构电动式速度传感器—惯性式速度传感器支撑弹簧弹簧片除了提供弹性恢复力外，还对可动部件起导向作用。良好的弹簧片其刚度非线性应很小，弹簧片本身作为弹性体振动的频率要足够高，并且还应具有较强的抗侧向失稳能力。电动式速度传感器--惯性式速度传感器双磁隙结构与工作原理1—弹簧

2—壳体

3—阻尼环

4—磁钢

5—线圈

6—芯轴

在测振时，传感器固定于被测系统，磁钢4与壳体2一起随被测系统的振动而振动，惯性质量由装在芯轴6上的线圈5和阻尼环3组成，并在磁场中运动。弹簧片1径向刚度很大、轴向刚度很小，使惯性系统既得到可靠的径向支承，又保证有很低的轴向固有频率。阻尼环一方面可增加惯性系统质量，降低固有频率，另一方面在磁场中运动产生的阻尼力使振动系统具有合理的阻尼.

电动式速度传感器—惯性式速度传感器力学模型与运动方程

机械接收部分

机电变换部分

当时电动式速度传感器—惯性式速度传感器阻尼的实现

1、扩展速度拾振器的工作频率下限，一般采用ξ=0.5-0.7的阻尼比，在幅值误差不超过5%的情况下，工作下限可扩展到

2、有助于迅速衰减意外瞬态扰动所引起的瞬态振动。

3、使传感器的相频特性在工作频率范围内基本保持比例相移

1、油阻尼

2、电涡流阻尼

3、电磁阻尼阻尼的作用电动式速度传感器惯性式速度传感器的特点1、测量的是绝对速度振动量；2、频率下限受固有频率限制，不能到零。频率上限受安装共振频率及线圈阻抗特性限制；3、全部质量都附加给被测物体；4、灵敏度高、信噪比强；5、输出阻抗小，且输出直接是电压量，可直接测量；6、横向灵敏度较小，频率范围较宽磁电式速度传感器结构振动物体变换过程物体与传感器的相对运动空气间隙变化穿过线圈的磁通量变化产生感应电动式输入与输出关系式磁电式速度传感器磁电式速度传感器的特点1、非接触型，对被测体无附加质量和刚度；2、灵敏度不等于常数，与间隙、振动物体的大小、材料形状等有关，受测量物体表面电涡流影响；3、动态幅值不是线性，只有当被测物体位移远小于空气间隙时，它的幅值才基本上维持线性压电式加速度传感器压电式加速度计的结构

（a）（b）（c）（d）（e）(a)中心安装压缩型

(b)弯曲型（c)环形剪切型

(D)三角剪切型(e)中心压缩型

压电式加速度传感器压电式加速度计的敏感元件

天然石英晶体机械强度高，绝缘性能好，压电常数在500度以下不随温度变化，但压电常数低。压电常数大，比石英晶体大几十倍，但压电常数稳定性差，受温度影响大，当超过居里温度时，压电效应就会消失。正压电效应压电元件在一定方向的外力作用下或施加机械变形时，在压电元件的晶面或极化面上将产生电荷。在压电元件表面通一电压，由于电场的作用，压电元件将产生几何变形。逆压电效应人工极化陶瓷压电晶体压电效应压电式加速度传感器石英晶体的压电效应理想形状：中间为六棱柱，两端为对称的棱锥，共30个晶面。光轴电轴机械轴光轴：z轴，与晶体纵轴方向一致。光线沿z轴方向通过晶体不发生双折射。沿光轴的作用力不产生压电效应，故又称为中性轴。压电式加速度传感器电轴：x轴，通过两个相对的六角棱线并垂直于光轴的轴线。垂直于此轴的晶面上有最强的压电效应。机械轴：y轴，垂直于x轴和z轴所在平面的轴线。在电场作用下，y轴具有最明显的机械变形。石英晶体的压电效应石英晶体z轴仅一个，x轴和y轴各有3个。压电式加速度传感器压电效应模型■

纵向压电效应：沿x轴加力，电荷出现在垂直于x轴的表面。■横向压电效应：沿y轴加力，电荷仍出现在垂直于x轴的表面。■

切向压电效应：沿x轴或y轴施加垂直于z轴的剪切力，在垂直于x轴的晶体表面产生电荷。压电式加速度传感器压电式传感器及其等效电路在压电晶片的两个工作面上进行金属蒸镀，形成金属膜，构成两个电极。当压电晶片受到压力F的作用时，分别在两个极板上积聚数量相等而极性相反的电荷，形成电场。压电元件的开路电压：压电元件的开路电压：压电式加速度传感器压电式传感器及其等效电路若考虑负载（测量电路），等效电路如下：假设一恒定力F作用于压电器件，产生电量q，则输出电压：其中，Cc、Ci分别为电缆寄生电容及后续测量电路的输入电容。振动物体压电式加速度传感器压电式加速度计的特性分析1、力学模型—中心压缩型2、机电转换过程惯性接收压电变换物理量转换当传感器跟随物体运动时，惯性接收部分将被测的加速度接收为相对于底座的相对振动位移，于是压电晶体片受到的动态力，然后由压电正效应变换为作用在晶体面上的电荷。3、输入与输出关系式4、特性参数①灵敏度电荷灵敏度电压灵敏度其中（开路电压）（极间电容）②动态范围最小可测振级主要受测量仪器的噪声电平限制最大可测振级主要受传感器的强度及非线性因素限制压电式加速度传感器③频率特性

加速度计的使用上限频率取决于幅频曲线中的共振频率。一般阻尼比小于0.1的加速度计，上限频率若取为共振频率的1/3，便可保证幅值误差低于1dB（即12%）；若取为共振频率的1/5，则可保证幅值误差小于0.5dB（即6%），相移小于3度。但共振频率与加速度计的安装有关，加速度计出厂时给出的幅频曲线是在刚性连接的固定情况下得到的。实际使用的固定方法往往难于达到刚性连接，因而共振频率和使用上限频率都会有所下降。④横向灵敏度⑤环境特性温度，湿度，磁场等小于5%固有频率、灵敏度和动态范围相互制约压电式加速度传感器5、加速度计的固定方法

其中图a采用钢螺栓固定，是共振频率能达到出厂共振频率的最好方法。螺栓不得全部拧入基座螺孔，以免引起基座变形，影响加速度计的输出。在安装面上涂一层硅脂可增加不平整安装表面的连接可靠性。需要绝缘时可用绝缘螺栓和云母垫片来固定加速度计（图b），但垫圈应尽量簿。用一层簿蜡把加速度计粘在试件平整表面上（图c），也可用于温度低于40℃以下的场合。手持探针测振方法（图d）在多点测试时使用特别方便，但测量误差较大，重复性差，使用上限频率一般不高于1000Hz。用专用永久磁铁固定加速度计（图e），使用方便，多在低频测量中使用。此法也可使加速度计与试件绝缘。用硬性粘接螺栓（图f）或粘接剂（图g）的固定方法也长使用。某种典型的加速度计采用上述各种固定方法的共振频率分别约为：钢螺栓固定法31kHz，云母垫片28kHz，涂簿蜡层29kHz，手持法2kHz，永久磁铁固定法7kHz。压电式加速度传感器6、加速度计的接地问题

注意：单点接地压电式加速度传感器×√7、加速度计的前置放大器

压电式传感器的前置放大器有：电压放大器和电荷放大器。所用电压放大器就是高输入阻抗的比例放大器。其电路比较简单，但输出受连接电缆对地电容的影响，适用于一般振动测量。电荷放大器以电容作负反馈，使用中基本不受电缆电容的影响。在电荷放大器中，通常用高质量的元器件，输入阻抗高，但价格也比较贵.

8、电荷放大器作用阻抗变换物理量转换输出归一化压电式加速度传感器9、压电加速度计的类型

低阻抗电压模式目前大部分压电式加速度计在壳体内都集成放大器，由它来完成阻抗变换的功能。这类内装集成放大器的加速度计可使用长电缆而无衰减，并可直接与大多数通用的仪表、计算机等连接。一般采用2线制，即用2根电缆给传感器供给2～10mA的恒流电源，而输出信号也由这2根电缆输出，大大方便了现场的接线。智能式内置芯片，出厂时，将传感器的序列号，生产厂家，灵敏度等参数储存在芯片里，分析仪可直接识别出这些参数，这对多点测量非常方便。高阻抗电荷模式输出阻抗很高，必须接前置放大器，但环境适应性强，尤其适合于高低温，高冲击试验场合。压电式加速度传感器10、压电加速度计的低频特性

从压电式传感器的力学模型看，它具有“低通”特性，原可测量极低频的振动。但实际上由于低频尤其小振幅振动时，加速度值小，传感器的灵敏度有限，因此输出的信号将很微弱，信噪比很低；另外电荷的泄漏，积分电路的漂移（用于测振动速度和位移）、器件的噪声都是不可避免的，所以实际低频端也出现“截止频率”，约为0.1～1Hz左右。11、压电加速度计的特点与应用

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，是最为广泛使用的振动测量传感器

压电式加速度传感器压阻式加速度传感器压阻式加速度传感器的结构（1）（3）分体型压阻式与固态压阻式1、体型压阻式（2）压阻式加速度传感器

2、固态压阻式压阻式加速度传感器工作原理优点应用缺点通常采用悬臂梁式结构实现其惯性接收，再利用半导体材料的压阻效应将正比于加速度的应力转换为电阻值的变化。

灵敏度高，具有零频率响应适合测量持续时间较长的慢变冲击过程及特低频率振动过程由于半导体片对温度非常敏感，必须在传感器内部有温度补偿措施半导体材料由于内部应力场而引起各点的电阻率变化的现象，单晶硅的压阻效应特别显著，比一般金属材料灵敏度高50-100倍。压阻效应

伺服式加速度传感器结构内部有两套机电变换装置，其一是将机械量转换为电量，以提供测量和反馈信号；另一是将电量转换为机械量，即起反向传感器的作用，其作用是执行反馈环节，其一是电容式机电变换，其二是可逆的电动式变换伺服式加速度传感器工作原理如果反馈电流满足优点应用1、具有频率响应；2、幅值线性度极好；3、精度高。比较适合于飞机、土木结构、桥梁等低频及静态结构加速度测量伺服式加速度传感器电容式加速度传感器结构与原理优点应用较多地用于低频测量，其通用性不如压电式加速度传感器，且成本也比压电式加速度传感器高得多与其它类型的加速度传感器相比具有灵敏度高、零频响应、环境适应性好等特点，尤其是受温度的影响比较小

多数采用差动式结构，有两个固定电极，两电极之间有一用弹簧支撑的质量快，此质量快的两个端平面作为活动板极，当传感器测量垂直方向振动时，由于质量块的惯性作用，使两个固定板极相对质量块产生位移。缺点信号的输入与输出为非线性，量程有限，受电缆的电容影响，以及电容传感器本身是高阻抗信号源，因此电容传感器的输出信号往往需通过后继电路给于改善结构示意图测量参数涡流传感器已成系列，测量范围从±0.5mm至±10mm以上，灵敏阀约为测量范围的0.1%。常用的外径8mm的传感器与工件的安装间隙约1mm，在±0.5mm范围内有良好的线性，灵敏度为7.87mv/mm，频响范围为0～12000Hz。电涡流位移传感器电涡流位移传感器工作原理电涡流式位移传感器是一种非接触式测振传感器，其基本原理是利用金属体在交变磁场中的电涡流效应。当通有交变电流的线圈靠近导体表面时，穿过导体的磁通链将在导体表面感应出交变电流，该电流在导体表面形成一闭环回路，称之为涡流。这一电流又产生一穿过原线圈的磁通链，因此，原线圈与电涡流相当于两个相互耦合的线圈，耦合的结果使得原线圈的电感发生了变化。

电涡流位移传感器等效电路当输入电流频率很高时，有图中互感系数耦合系数此时电涡流位移传感器测量电路为了测量，可以采用串并联谐振电路，即在原线圈两端并一电容，再与一电阻串联，在满足的条件下电路的谐振频率为电路阻抗为电路输出电压为传感器特点

这类传感器具有线性范围大、灵敏度高、频率范围宽、抗干扰能力强、不受油污等介质影响以及非接触测量等特点。涡流传感器属于相对式拾振器，能方便地测量运动部件与静止部件间的间隙变化。表面粗糙度对测量几乎没有影响，但表面的微裂缝和被测材料的电导率和导磁率对灵敏度有影响。

电涡流传感器除用来测量静态位移外，被广泛用来测量汽轮机、压缩机、电机等旋转轴系的振动、轴向位移、转速等，在工况监测与故障诊断中应用甚广。传感器的应用电涡流位移传感器压电式力传感器结构与力学模型压电式力传感器力的传递发力体作用体输入与输出关系压电元件的动态力与作用给受力体的力之间的关系由上图可知注意：压电式力传感器与压电式加速度传感器测量电路完全相同压电式力传感器力传感器的使用振动测量传感器的选择正确的选用应该基于对测量信号以下三方面的分析和估算。

1)

被测振动量的大小

2)

被测振动信号的频率范围

3)

振动测试现场环境振动测量传感器的选择传感器的灵敏度

灵敏度是传感器的最基本指标之一,其大小直接影响到传感器对振动信号的测量。不难理解，传感器的灵敏度应根据被测振动量（加速度值）大小而定，但由于压电加速度传感器是测量振动的加速度值，而在相同的位移幅值条件下加速度值与信号的频率平方成正比，所以不同频段的加速度信号大小相差甚大。大型结构的低频振动其振动量的加速度值可能会相当小，例如当振动位移为1mm,频率为1Hz的信号其加速度值仅为0.04m/s2

(0.004g)；然而对高频振动当位移为0.1mm，频率为10kHz的信号其加速度值可达4x105m/s2(40000g)。因此尽管压电式加速度传感器具有较大的测量量程范围，但对用于测量高低两端频率的振动信号，选择加速度传感器灵敏度时应对信号有充分的估计。最常用的振动测量压电式加速度计灵敏度，电压输出型（IEPE型）为50-100mV/g，电荷输出型为10-50pC/g。

振动测量传感器的选择传感器的动态范围

传感器的测量量程范围是指传感器在一定的非线性误差范围内所能测量的最大测