振动传感器的工作原理课件

11.1

工程振动测试方法及分类一、机械式的测量方法测量的频率较低，精度也较差。二、光学式的测量方法激光测量方法动态云纹法

第11章振动传感器的工作原理

工程振动与测试TestingTechniques三、电测方法应用于工程测试。优点：

1.具有较宽的频带；

2.具有较高的灵敏度和分辨率；

3.具有较大的动态测量范围；

4.可减小对试验对象的附加影响，可做成非接触式的测量系统；

工程振动与测试TestingTechniques5.可以根据被测参量的不同选用不同的振动传感器；

6.能进行远距离测量；

7.便于对测得的信号进行贮存，以便作进一步分析；

8.适合于多点测量和对信号进行实时分析。

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工程振动与测试TestingTechniques电测法中的部分振动测量系统

测量系统基本包含拾振、测量放大线路和显示记录三个环节。

1、拾振环节。

2、测量线路。

3、显示及记录环节。

工程振动与测试TestingTechniques11.2传感器的机械接收原理振动传感器是将机械振动量转换为电量的特殊装置。振动传感器的基本作用是接收被测的机械量或力学量，并转换成与之有确定性关系的电量，然后提供给测试系统的后续设备.

工程振动与测试TestingTechniques振动传感器由两部分组成，即机械接收部分和机电变换部分。电测法的工作核心是传感器，由于它是一种机电转换装置。所以也称它为换能器、拾振器等。

工程振动与测试TestingTechniques11.2.1相对式机械接收原理

工程振动与测试TestingTechniques特点:相对式机械接收部分所测得的结果是被测物体相对于参考体的相对振动。但需要测绝对振动时，又找不到不动的参考点，相对式机械接收原理就无用武之地。行驶的车辆的振动。在行驶的内燃机车的内燃机车的振动，在地震时楼房的振动……等，都不存在一个不动的参考点。

工程振动与测试TestingTechniques11.2.2惯性式机械接收原理

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动坐标系

xr固结在外壳上。静坐标系Ox与地面相固连。1.惯性式测振仪的动力分析

为研究惯性质量块m与外壳的相对振动规律，取惯性质量块m为研究对象。工程振动与测试TestingTechniques

惯性质量块的相对运动微分方程为：F=k(xr－)

弹性力Q=m牵连惯性力R=c阻尼力mg=k其中，为弹簧的静伸长，工程振动与测试TestingTechniques经整理得：设2n=c/m，被测振动物体的运动规律为：x=xmsint，得：方程通解为：

工程振动与测试TestingTechniques自由振动很块就被衰减掉。特解为xr=xrmsin(t-)其中：

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此式表达了质量元件与外壳的相对振动位移幅值xrm与外壳振动的位移幅值xm之间的关系及它们之间相位差的大小。如果引入频率比及阻尼比则=

其中cc=2临界阻尼系数。

工程振动与测试TestingTechniques2.位移传感器

（1）构成位移传感器的条件。以为横坐标，为纵坐标，绘制幅频特性曲线。将改写为

工程振动与测试TestingTechniques位移传感器的幅频曲线示意图若满足条件：

=时，xrm

xm，

工程振动与测试TestingTechniques注：阻尼比对传感器性能的影响适当增大阻尼比，传感器在共振区（

=1）附近的幅频特性曲线会平直起来，从而增大了传感器的测量范围，其中以=0.6～0.7比较理想。

工程振动与测试TestingTechniques以为横坐标，为纵坐标，绘制相频特性曲线。记录到的振动位移波形将与被测物体的振动位移波形成正比，因此称为位移传感器。满足条件：=时，

，简化为：

工程振动与测试TestingTechniques3.加速度传感器

构成加速度传感器的条件被测物体的加速度与位移x的关系为：

x=xmsint =xm

2

sin(t+)

或 =msin(t+)

m=xm2

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工程振动与测试TestingTechniques将改写为以下形式：

因为=所以得以为横坐标，为纵坐标，绘制幅频特性曲线。

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当1时，1，即xrm所以工程振动与测试TestingTechniques

注：（1）传感器的相对振幅是被测加速度幅值的1/n倍，且当传感器确定后，n是一个常数值。

（2）在相位上，当

1，1时，0。xr=sint

（3）由于记录到的振动波形将与被测物体的加速度波形成正比，于是，就构成了一个加速度传感器。工程振动与测试TestingTechniques4.测量非简谐振动时应该注意的问题

(1)、复杂周期振动的测量复杂周期振动的表达式稳态解为位移传感器当时，有

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以上两式相比存在相位差，但它是一个常量，即相当于移动了一个时间常量tn（超前或滞后），不会使输出波形发生畸变。工程振动与测试TestingTechniques

结论：对于位移传感器、加速度传感器当满足它们的工作条件时，它们的相频曲线都可以近似为在线性关系，所测的复杂周期振动信号，不会引起波形畸变。

同理，对于准周期振动，也可得到同样的结论。工程振动与测试TestingTechniques(2)、非周期振动测量的简单介绍在非周期振动中，信号的各阶谐波分量在整个频率域上是连续分布的，即：非周期振动是由频率从0的所有的简谐振动的合成振动。为了能够正确地反映和记录非周期振动，要求惯性式传感器在低频区（即

1的区域）具有良好的幅频特性。

工程振动与测试TestingTechniques但在共振区（=1附近）和高频区（

1），已超出它的工作范围。为了克服这个缺点，可以选择固有频率很高的加速度传感器，并采用适当的措施，如可合理地确定需要测定的“最高”谐振频率，并配置相应的低通滤波器及增大加速度传感器的阻尼等。

工程振动与测试TestingTechniques11.3传感器的机电变换原理

传感器的种类繁多，应用范围极其广泛。以电测法为例，其测试系统示意框图如图示。

工程振动与测试TestingTechniques振动传感器按其功能可有以下几种分类方法。

工程振动与测试TestingTechniques11.3.1相对式电动传感器

传感器由固定部分、可动部分以及三组拱形弹簧片所组成。

三组拱形弹簧片的安装方向是一致的。应注意满足跟随条件。

工程振动与测试TestingTechniques传感器的跟随条件：以顶杆质量块m为研究对象，如受力图所示。运动微分方程为：

满足的条件是N>0，可得由于，1、当=>0时，条件自然满足。

工程振动与测试TestingTechniques相对电动式传感器也是一种速度传感器。由于x<<

，则F1<<F0，所以FF0。因此传感器的跟随条件为：a、预压力F0=K。b、弹性恢复力F1=kx2、当－am=<0时，为F－

mam>0，由于弹性力F=F0+F1

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相对式电动传感器工程振动与测试TestingTechniques11.3.2 电涡流式传感器电涡流传感器是一种相对式非接触式传感器，它是通过传感器端部与被测物体之间的距离变化来测量物体的振动位移或幅值的。

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工作原理：电涡流传感器中有一线圈，通以高频激励电流i，并产生磁通量为i的高频交变磁场，在其作用下振动体表面产生电涡流ie，这个电涡流又产生的磁通e穿过原来的线圈，它总是抵抗主磁场的变化。因此，传感器线圈与涡流相当于两个互感线圈。

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当电流的频率甚高时，即Re<<Le时，等效图中的R、L近似为

为耦合系数，M（d）为互感系数。工程振动与测试TestingTechniques

因此，间隙d的变化就转换为L的变化，然后再通过测量线路将L的变化转换为电压ui的变化。因此，只要测定ui的变化，也就间接地求出了间隙d的变化。

工程振动与测试TestingTechniques优点：电涡流传感器具有频率范围宽（0～10kHZ)，线性工作范围大、灵敏度高、结构简单以及非接触式测量等。应用：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等各方面。

工程振动与测试TestingTechniques线圈框架支架衬套电缆插头电缆螺母填料保护套壳体框架线圈（a）（b）电涡流传感器结构示意图

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电涡流传感器工程振动与测试TestingTechniques11.3.3电感式传感器电感式传感器是一个带有工作气隙的电感元件。R线圈的直流电阻，工作电压的频率，W线圈的匝数，l和分别是铁心和气隙的工作长度，和0分别是铁心和空气的导磁率，A是铁心面积。阻抗表达式

工程振动与测试TestingTechniques振动参数A（t）、（t）的变化转换成电参量Z（t）的变化。

二种形式：

（a）可变间隙的。

（b）可变导磁面积的。

工程振动与测试TestingTechniques可变间隙传感器的输出电参数特性。

可得到在=(0.1～0.15)

0范围内的线性工作区。

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对于差动式传感器的特性曲线，可以获得在=(0.3～0.4）0范围内的线性工作区。工程振动与测试TestingTechniques当把差动式电感传感器的两个线圈放到高速旋转轴的两侧，就构成了非接触式电感传感器。它可测量轴心轨迹。

工程振动与测试TestingTechniques11.3.4

电容传感器

C—电容量，A—公共面积，—极板间的距离，K—介电常数。两个平行导体极板间的电容量表示为工程振动与测试TestingTechniques

电容传感器的两种型式。1、可变间隙，2、可变公共面积。

由于电容量C和间距的关系是双曲线的关系，只有当<<0

时，根据K及A的值来适当地选择0时。公共面积A为常数，可得工程振动与测试TestingTechniques

电容传感器是非接触型的位移传感器。对于间距是固定的，当/2<<，而时，则当测扭转振动的幅角远小于初始角时才是线性的。工程振动与测试TestingTechniques测杆固定电极活动电极开槽簧片固定电极质量块（动电极）弹簧片绝缘体（a）电容式角位移传感器（b）差动电容式加速度传感器电容传感器的结构示意图

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电容式加速度传感器具有灵敏度高,加工工艺简单等优点,也是目前应用很广泛的一种加速度传感器。电容式三向传感器工程振动与测试TestingTechniques11.3.5

惯性式电动传感器电动式传感器基于电磁感应原理，因此利用这一原理而生产的传感器称为电动式传感器。

B是磁通密度（高斯）,l是线圈在磁场内的有效长度[cm]，是线圈在磁场中的相对速度根据电磁感应定律，感应电动势为：工程振动与测试TestingTechniques从传感器的结构上来说，它是一个位移传感器。输出信号同被测振动速度成正比，实际上是一个速度传感器。在工作线圈的对面安装了用紫铜制成的阻尼环（短路环）。此类传感器的缺点是产生较大的附加质量。

惯性式电动传感器示意图工程振动与测试TestingTechniques

惯性式电动传感器工程振动与测试TestingTechniques

超低频振动传感器

超低频传感器是一种用于超低频或低频振动测量的传感器，它主要用于地面和结构物的脉动测量，一般结构物的工业振动测量，高柔结构物的超低频大幅度测量和微弱振动测量。941B型工程振动与测试TestingTechniques

工作原理机械式变换原理为惯性式加速度传感器工作原理。机电变换原理为电动式变换原理

传感器设有加速度、小速度、中速度和大速度四档。测试方向：铅垂、水平x工程振动与测试TestingTechniques

工程振动与测试TestingTechniques11.3.6

压电式加速度传感器

某些晶体（如人工极化陶瓷、压电石英晶体等）在一定方向的外力作用下或承受变形时，它的晶体面或极化面上将有电荷产生，这种从机械能（力，变形）到电能（电荷，电场）的变换称为正压电效应。而从电能（电场，电压）到机械能（变形，力）的变换称为逆压电效应。

工程振动与测试TestingTechniques（a）、加力前，自由电荷被束缚；（b）、加力后，多余电荷被释放

工程振动与测试TestingTechniques若受力如图所示，则各平面上产生的电荷为：

（a）压电陶瓷立方体应力图（b）石英晶体切片图

dx是压电系数。A为电极化面面积。释放的电荷q与作用力F关系为工程振动与测试TestingTechniques

其中 ——三个平面上的总电荷量；

——沿三个轴的轴向作用力；

——沿三个轴的切向作用力；

dij——压电元件的压电常数；工程振动与测试TestingTechniques

在振动测量中，当在其它方向没有运动时，即其它作用力F2=F3=F4=F5=F6＝0，压电元件在惯性力F10，电极面所产生的电荷为q1

=d11

F1

此结果与前式相同。因此利用晶体的压电效应，可以制成测力传感器，在振动测量中，由于F=ma，所以压电式传感器是加速度传感器。工程振动与测试TestingTechniques最常见形式有中心压缩式、剪切式和三角剪切式三种。以中心压缩式为例，压电式加速度传感器的结构及工作原理。

加速度传感器的固有频率是式中k是弹簧板、压电元件片和基座螺柱的组合刚度系数。m是惯性质量块的质量。工程振动与测试TestingTechniques

应注意以下几个问题。 （一）、压电式加速度传感器的灵敏度。 电压灵敏度SV；电荷灵敏度Sq。

由于压电片上承受的压力为F=ma，则在压电片的工作表面上产生的电荷qa

与被测振动的加速度a的关系为：即qa=Sqa比例系数Sq就是压电式加速度传感器的电荷灵敏度，量纲是[PC/ms-2

]或[PC/g]。工程振动与测试TestingTechniques

由图可知，传感器的开路电压应为：ua=qa/Ca，式中Ca为传感器的内部电容量，对于一个特定的传感器来说，Ca为一个确定值。所以

比例系数为电压灵敏度SV。在通常条件下，当其它条件相同时，几何尺寸较大的加速度传感器有较大的灵敏度。工程振动与测试TestingTechniques（二）、压电加速度传感器的频率特性 典型的压电加速度传感器的频率特性曲线如图所示。

固有频率fn是其主要参数，通常一般几何尺寸较小的传感器有较高的固有频率，但灵敏度较低。宁肯选取较小灵敏度的加速度传感器也要保证有足够宽的有效频率范围。

横坐标是频率值，纵坐标则是相对电压灵敏度。

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（三）、几何尺寸和重量。几何尺寸和重量主要取决于被测物体对传感器的要求。

（四）、传感器的横向灵敏度。横向灵敏度也称为横向效应。

横向灵敏度主要是由于最大灵敏度轴OZ与传感器的几何轴线OZ不重合而引起的。工程振动与测试TestingTechniques

它的数值为1～4%不等。最小横向灵敏度方向用红点标明在加速度传感器外壳上。最大的横向灵敏度表示为工程振动与测试TestingTechniques（五）、环境影响

环境温度、电缆噪声、基座应变、核辐射、强磁场、湿度、腐蚀与强声场噪声也将会影响测量结果。（六）、加速度传感器的安装方法

工程振动与测试TestingTechniques安装加速度传感器时，应将加速度传感器作绝缘安装或把电荷放大器浮地绝缘，以防止形成接地回路交流声。

工程振动与测试TestingTechniques（b）中心配合压缩式

压电加速度传感器的结构示意图（a）外圈配合压缩式（c）倒装中心配合压缩式（d）剪切式工程振动与测试TestingTechniques

压电加速度传感器工程振动与测试TestingTechniques

工程振动与测试TestingTechniques11.3.7

压电式力传感器压电式力传感器的工作原理是利用压电晶体的压电效应制成。用来测量动态激振力。压电式力传感器具有频率范围宽、动态范围大和体积小、重量轻等优点，因而获得广泛应用。

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