7检测教案振动检测

传感器与检测技术项目教程（ISBN978-7-111-48817-0）授课教案PAGEPAGE1模块七、振动检测授课教案课程名称：检测技术班级：性质：考试课授课人：课题：模块七、振动检测课时安排：3课次编号：10、11教材分析难点：电荷放大器的使用。重点：压电传感器的应用。教学目的和要求1.讲清什么是振动？2.讲解各种振动参数的换算。3.介绍压电效应及压电元件。4.重点介绍电荷放大器。5.重点介绍电荷放大器的使用。6.简要电涡流效应。7.重点介绍电涡流传感器直径及频率的选取。8.简要介绍电涡流传感器的应用电路及应用。9.简要介绍磁电式传感器测量振动。10.简要介绍常用激振器及使用。11.重点介绍时域图的读图。12.简要介绍频域图的读图采用教学方法和实施步骤：讲授、课堂互动、分析、实训教具：各种压电传感器、涡流传感器各教学环节和内容一、振动的分类图7-1机械振动分类及波形表7-1机械振动的分类与特征分类名称特征按振动产生的原因分类自由振动是系统受短暂的初始干扰或外部激振后，系统本身由弹性恢复力和惯性力所维持的振动。当系统无阻尼时，振动幅度为恒值，振动频率为系统的固有频率；当系统存在阻尼时，其振动幅度将逐渐衰减受迫振动自激振动是在一定条件下，没有外部激振力而仅由系统本身产生的交变力激发和维持的一种稳定的周期性振动，其振动频率接近于系统的固有频率按振动的规

律分类简谐振动振动量为时间的正弦或余弦函数，是最基本的机械振动形式，其他复杂的振动都可以看成多个简谐振动的合成周期振动振动量为时间的周期性函数，可展开为一系列简谐振动瞬态振动振动量为时间的非周期函数，一般在较短（几个周期）的时间内存在，是可用各种脉冲函数或衰减函数描述的振动。随机振动振动量不是时间的确定函数，只能用概率统计的方法来研究按系统的自

由度分类单自由度系统振动用一个独立变量就能表示的系统振动多自由度系统振动须用多个独立变量表示的系统振动分类线性振动可以用常系数线性微分方程来描述，系统的惯性力、阻尼力和弹性力分别与振动加速度、速度和位移成正比非线性振动须用非线性微分方程来描述，微分方程中出现非线性项低频振动f≤10Hz的振动，旋转机件的不平衡、机械变形等与位移成正比，主要利用位移传感器来测量中频振动10Hz＜f≤1000Hz的振动，振动噪声与速度成正比，主要利用速度传感器来测量高频振动f＞1000Hz的振动，振动冲击力及人体感觉与加速度成正比，主要利用加速度传感器来测量按振动位移的特征分类横向振动振动体上的质点在垂直于轴线的方向产生位移的振动纵向振动振动体的质点沿轴线方向产生位移的振动摆振动振动体上的质点在平衡位置附近做弧线运动的振动二、振动的描述与计算振幅是物体离开平衡位置的最大位移的绝对值，用xm表示，单位是m（机械设备的振幅用mm或μm表示）。振幅的量值可以表示为峰峰值（xpp）、单峰值（xp）、有效值（xrms）或平均值（xap或）。峰峰值是整个振动历程的正峰与负峰之间的差值，在振动位移测量中较为常用；单峰值是正峰或负峰的最大值；有效值是振幅的均方根值。简谐振动时，单峰值等于峰峰值的1/2，也可以表达为：xp=ǀ-xpǀ=xm=xpp；有效值x等于单峰值的0.707；平均值等于单峰值的0.637。提问：有一个简谐振动，平均值是6.37mm，问峰值和峰峰值各是多少毫米？1．简谐振动位移、速度、加速度的换算简谐振动的物理量遵从式（7-1）至式（7-3）所示的运动方程。将式（7-1）对时间t求导，可得振动速度；将速度对时间t求导（或对位移进行二次求导），可得振动加速度。简谐振动的位移、速度、加速度随时间的变化曲线如图7-2所示。x=xmcos(ωt+φ)（7-1）v=dxm/dt=-ωxmsin(ωt+φ)=vmcos(ωt+φ+π/2)（7-2）a=d2xm/dt=dv/dt=-ω2xmcos(ωt+φ)=amcos(ωt+φ+π)（7-3）式中xm——振幅（m）；ω——振动角频率（rad/s，ω=2πf）；φ——初相角（rad）；vm——速度幅值（m/s，vm=ωxp）；am——加速度幅值（m/s2，am=ω2xp）。也可将简谐振动的加速度a对时间积分，得到振动的速度v；再将振动速度v对时间积分（或将加速度a对时间双重积分），可得振动的位移x。在振动测量中，振动加速度的单位除m/s2外，也常用重力加速度1g=9.81m/s2作为计量单位。简谐振动的加速度幅值（单位为g）与位移幅值的关系为am=ω2(xp/9.81)=4π2f2xm/9.81≈4f2xm（7-4）图7-2简谐振动的位移、速度、加速度变化曲线例7-1弹簧振子的简谐振动如图7-3所示，弹簧振子在C、O、B间作无摩擦力、无阻尼的简谐运动。O为平衡位置，C、B分别为负的和正的终止位置。已知B、C的距离为100mm，C→B运动的时间为1s，求：振动的周期T、频率f和振幅xm。图7-3弹簧振子的简谐振动解振动的周期T等于弹簧振子从C→O→B→O→C的过程所经历的时间，所以T=2tC→B=2×1s=2s，f=1/T=1/(2s)=0.5Hz振幅xm等于C→O的距离，或O→B的距离，所以xm=100mm/2=50mm。2．振动烈度与位移的换算振动测量中，还经常涉及振动烈度。振动速度的有效值称为振动的烈度。简谐振动的振幅峰峰值xpp与振动烈度vF两者之间的关系见式（7-5）。振动烈度是以人可感觉到的0.071mm/s为起点，到71mm/s，共15个量级，相邻两个烈度量级的比值约为1.6（相差4dB）。（7-5）地震震级每相差1.0级，能量相差大约30倍。提问：每相差2.0级，能量相差约多少倍？例7-2利用磁电速度传感器测得振动烈度vF=4mm/s，测得旋转机械的转速n=3000r/min（即3000rpm），假设旋转机械的振动只有与转速成正比的基频振动，求：旋转机械的振幅峰峰值xpp为多少微米？解该旋转机械每旋转一圈振动一次时的基频f=n/60=(3000/60)Hz=50Hz三、测振传感器的分类

表7-2测振传感器的种类及特点种类基本测量原理测量对象与测量范围特点压电式测振传感器压电效应振动体的加速度1Hz~50kHz自发电式，现场不需要电源，上限频率响应高，体积小，不易损坏；标定困难涡流式测振传感器电磁感应定律与涡流效应振动体的位移；0~10kHz输出信号与振动位移成正比，非接触式测量，不影响被测振动体，标定和校验比较容易；当测量振动物体材料和温度不同时，影响传感器线性范围和灵敏度，需要重新标定；可用于静态及动态测量磁电式测振传感器电磁感应定律振动体的速度；0.1Hz~1kHz自发电式，现场不需电源，振动信号与振动速度成正比，通过微分或积分，可获得简谐振动的加速度值和位移值；体积大，线圈易损坏，输出电压的低频率响应应及高频率响应应均不好；用于振动速度检测光导纤维式测振传感器光的全反射效应振动体的位移0.1Hz~10kHz现场不需要电源，抗电磁干扰能力强；测量结果受多种因素影响；可用于工业测量激光多普勒式测振传感器多普勒效应振动体的速度0.1Hz~10kHz能够检测振幅10-6的微小变化；光路复杂，仪器本身不耐振动，需要放置在抗振动台面上；可用于标定其他测振仪MEMS电容式加速度传感器变极距式电容效应振动体的加速度0Hz~10kHz体积小，集成度高，可同时测量三维振动；可用于汽车、手机、火箭、卫星、钻地炸弹等测振项目一测振传感器【项目教学目标】☞知识目标1）了解压电效应及压电元件。2）掌握电荷放大器的工作原理。3）了解涡流式测振传感器的工作原理。4）了解磁电式测振传感器的工作原理。☞技能目标1）掌握压电式测振传感器的应用。2）掌握振动设备的激振方法。任务一压电式加速度传感器测量振动一、压电效应某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，内部会产生极化现象，同时在其表面上产生电荷，当外力去掉后，又重新回到不带电的状态，这种现象称为压电效应。反之，在电介质的极化方向上施加交变电场或电压，它会产生机械变形。去掉外加电场时，电介质变形随之消失，这种现象称为逆压电效应（电致伸缩效应）。提问：逆压电效应的现象有哪些？二、压电材料的分类及特性压电式加速度计中的压电元件材料一般有三类：一类是压电晶体（单晶体）；另一类是经过极化处理的压电陶瓷（多晶体）；第三类是高分子压电材料。1）锆钛酸铅系列压电陶瓷（PZT）；2）非铅系压电陶瓷；（3）高分子压电材料。提问：上述几种的灵敏度和稳定性是怎样的？三、电荷放大器图7-9电荷放大器a）电荷放大器电路b）外形1－压电传感器2－屏蔽电缆3－传输线分布电容4－电荷放大器SC－灵敏度选择开关SR－带宽选择开关Cf′－Cf在放大器输入端的密勒等效电容Cf″－Cf在放大器输出端的密勒等效电容提问：1.图7-9中，压电元件直接接到运算放大器的两端，其本质上是属于电压输入还是电流输入？2.二极管VD1、VD2起什么作用？3.第二级放大器中的C1起什么作用？4.第二级放大器中的RP起什么作用？（7-9）3．反馈电容和反馈电阻的选取提问：电荷放大器的反馈电容Cf小则获得的输出电压怎样？电荷放大器的高频截止频率主要由运算放大器的电压上升率和电缆引线电容决定。下限频率fL由Rf与Cf的乘积决定：fL=1/(2πRfCf)。表7-3YE5850A电荷放大器的主要技术指标参数名称指标最大输入电荷量/pC106直流分流电阻/Ω约1014电荷灵敏度pC/m·s-21~100准确度（%）±2最大输出电压/V±10输出电流/mA0～±5输出阻抗/Ω≤10响应频率/kHz0.001~30噪声/μV＜30电源/VAC220±5%，或DC25环境温度/℃0~40（20~90%RH）尺寸（宽×深×高）/mm132×70×20重量/kg2.5例7-3某压电元件用于测量振动，灵敏度d11=100×10-12C/N，电荷放大器的反馈电容Cf=1000pF，Rf=100MΩ，测得图7-9中A1的输出电压Uo1）压电元件的输出电荷量Q的有效值为多少皮库伦？2）被测振动力F的有效值为多少牛顿？3）电荷放大器的灵敏度K为多少mV/pC？4）电荷放大器的下限截止频率为多少赫？解1）压电元件的输出电荷量Q的有效值Q=CfUo=(1000×10-12×0.2）C=200pC2）被测振动力F的有效值3）电荷放大器的灵敏度4）电荷放大器的下限截止频率四、压电式加速度传感器的结构及应用1．压电式加速度传感器探头图7-10常用压电式加速度传感器探头a）原理图b）中心压缩式c）环形剪切式d）三角剪切型e）外形1－基座2－引出电极3－压电晶片4－质量块5－弹簧6－壳体7－固定螺孔8－夹持环提问：图7-10中的弹簧起什么作用？2．压电式加速度传感器的组成图7-11压电式加速度传感器原理图图7-12便携压电式加速度仪外形及显示的频谱图1－量程选择开关SC2－压电传感器输入信号插座3－多路选择开关4－带宽选择开关SR5－带背光的点阵液晶频谱显示器6－电池盒7－可变角度支架提问：1.图7-12中量程选择开关SC所对应的负反馈电容Cf的数值越大，灵敏度就怎样？2.图7-12中带宽选择开关SR所对应的负反馈电容Rf的数值越大，下限频率就怎样？3.图7-12中的液晶屏的横轴是时间还是频率？所显示的波形图是时域图还是频域图？4.图7-12中，若多路选择开关至于“0”的位置，液晶屏显示状态？如果仪表有记忆功能，则液晶屏显示状态又是怎样的？5.如果压电传感器的输出电缆插到3个压电传感器输入信号插座的最左端的插孔里，则多路选择开关应置于什么位置（0/1/2/3）？6.如果欲刷新液晶屏，则应按一下那个键（ON/R）？【电荷放大器参数填表训练】便携压电式加速度计面板如图7-12所示，压电探头的灵敏度d11=100×10-12C/N=100pC/N，开关SR置于100MΩ档位，fL=1/(2πRfCf)，请填写下表。输入动态力/N电荷量Q/pC开关SC位置输出电压Uo/V下限截止频率fL/Hz1100pF111001000pF0.01μF0.10.16100100000.0161000.01μF13．压电式加速度传感器的主要技术特性（1）灵敏度K；（2）频率范围；（3）动态范围；（4）线性度；（5）横向灵敏度。表7-4HK9101-J压电式加速度传感器的主要技术指标参数名称指标灵敏度/pC·g-135最大横向灵敏度比（%）5加速度测量范围/g-100~+100频率范围/Hz0.2~8000安装谐振频率/kHz28（螺栓固定）输出电压（隔直后的峰峰值）/V10电源/VDC15～24（3~10mA）自动断电/min1环境范围/℃-10~50，<90%RH外形尺寸（宽×深×高）/mm185×68×30重量/g19安装螺栓M54．压电式振动加速度传感器的安装、使用方法图7-14压电式振动加速度传感器的安装、使用方法a）双头螺钉固定法b）磁铁吸附法c）胶水粘结法d）手持探针式法1－压电式加速度传感器2－双头螺钉3－磁铁4－粘结剂5－顶针提问：1.图7-14中，c图（胶水粘结法）与a图（螺钉固定法）比较，哪种方法可以测量较大的振动？为什么？2.d图（手持法）比较简单，但有何弊端？适宜于何种场合的振动测量？表7-5RION-VM-63A便携压电式加速度传感器的主要技术指标参数名称指标探头型式压电剪切式加速度/m·s-20.1~199.9速度/mm·s-10.1~199.9位移（峰峰值）/mm0.001~1.999准确度（%）±5，±2个字频率范围/kHz加速度1~15速度0.01~1位移0.01~1显示3½位，更新速度1s满量程信号输出/VAC2耳机负载阻抗/kΩ1电源9V电池，连续工作时间25h自动断电时间/min1环境温度/℃-10~50（<90%RH）尺寸（宽×深×高）/mm68×30×185重量/g2505．轴承振动检测图7-15压电式加速度传感器检测轴承振动的安装示意图A－轴承的轴向振动加速度传感器B－轴承的径向振动加速度传感器C－壳体振动加速度传感器提问：为什么需要3个振动探头？任务二涡流式位移传感器测量振动一、认识涡流效应与涡流线圈的阻抗1．涡流效应涡流式传感器的基本工作原理是涡流效应。根据法拉第电磁感应定律，金属导体置于变化的磁场中时，导体表面以及近表面就会产生感应电流。电流的流线在金属体内自行闭合，这种由电磁感应原理产生的旋涡状感应电涡流（以下简称涡流），这种现象称为涡流效应。提问：为什么变压器和电动机的铁心多用硅钢片制作？图7-17涡流效应1－涡流线圈2－导电工件3－涡流提问：欲对较厚、距离较远的金属工件进行检测，涡流探头可采用多少千赫的激励电流？2．涡流线圈的等效阻抗Z=f（f、μ、σ、r、δ）（7-10）提问：涡流线圈的等效阻抗与这么多变量有关，说明什么问题？二、涡流式传感器探头结构涡流式传感器的传感元件主要是一个线圈，俗称涡流探头。涡流探头必须与被测金属以及测量转换电路一起，才能构成完整的涡流式传感器。图7-18涡流探头结构1－涡流线圈2－探头壳体3－壳体上的位置调节螺纹4－印制电路板5－夹持锁紧螺母6－电源指示灯7－阈值指示灯8－输出屏蔽电缆9－电缆插头提问：1.图7-18中，探头的左端用金属材料制作行吗？为什么？2.图7-18中，探头的两只夹持锁紧螺母同时逆时针旋转（宏观看，螺母是向右移动），此时探头的安装位置作何种变化？3.电缆插头有何种材料制作较好？4.图7-18中，探头的右端尾部的电源指示灯不亮，说明什么？5.图7-18中，探头的右端尾部的电源指示灯亮，但阈值指示灯不亮，说明什么？三、涡流探头信号转换电路涡流探头与被测金属之间的距离变化可以转换为探头线圈的等效阻抗（主要是等效感抗）以及品质因数Q（与等效电阻有关）等参数的变化。测量转换电路的任务是把这些参数变换为电压、电流或频率，相应地有调幅式、调频式和电桥等电路。1．定频调幅式信号转换电路所谓调幅式电路也称为AM电路，它以输出高频信号的幅度来反映涡流探头与被测金属导体之间的关系。定频、调幅式电路的原理框图如图7-19所示。图7-19定频、调幅式电路的原理框图提问：1.中波广播电台称为AM/FM？2.图7-19中，为什么要用到石英晶体振荡器？3.图7-19中，电阻R起什么作用？4.图7-19中，检波器起什么作用？5.图7-19中，0.1μF电容起什么作用？2．调频式电路并联谐振回路的谐振频率为（7-11）图7-21调频式测量转换电路原理框图及鉴频器特性a）测量转换原理b）鉴频器特性提问：1.调频电台是什么意思？2.图7-21中，为什么要设置“限幅器”？3.图7-21b中，输出电压与什么变量成正比？没有金属被测物靠近调频式探头线圈时，输出电压为什么？当金属被测物靠近调频式探头线圈时，输出电压如何变化？四、涡流式测振传感器的特性表7-6YD9800系列涡流式位移传感器技术指标①壳体螺纹/mm线圈直径/mm线性范围（量程）/mm最佳安装距离/mm最小被测面直径/mm分辨力/μmM8×1510.5151M14×1.51142354M16×1.52584708M30×250251210010①工作温度-50～+175℃；线性误差：1%；灵敏度温漂：0.05%/℃；稳定度：1%/年；互换性误差≤提问：探头的直径越大，测量范围就越？分辨力也越？灵敏度也？六、涡流式传感器用于振动位移的检测图7-22非接触振幅测量方法a）径向振动测量b）长轴振型测量c）叶片振动测量1－涡流式传感器2－被测物提问：涡流式测振传感器安装使用注意事项？例7-4用涡流式测振仪检测轴向窜动如图7-23a所示。已知传感器的灵敏度K=2.5V/mm，最大线性范围（优于5%）xmax=8mm。现将传感器安装在主轴的右侧，使用计算机记录下的振动波形如图7-23b所示。求：1）主轴振动的基频f是多少赫兹？2）轴向振动的振幅峰峰值xpp为多少微米？3）为了得到较好的线性度与最大的测量范围，传感器与被测金属的安装距离δ0应为多少毫米？4）振动波形不是正弦波的原因有哪些？图7-23用涡流式测振仪检测轴向窜动a）轴向窜动的检测b）振动波形解1）主轴振动的基频f=1/T=1÷(40ms/2)=50Hz。2）轴向振动的振幅峰峰值xpp=Upp/K=5÷(2.5V/mm)=2mm。3）为了在动态下获得较好的线性度，间隙应为量程的一半，所以传感器与被测金属的安装距离δ0=0.5xmax=0.5×8mm=4mm。4）振动波形不是正弦波的原因有：①轴向振动本身就不是简谐振动，含有大量的高次谐波；②被测面不平整；③涡流式传感器的支架与基座直径存在微小的共振等。任务三磁电式传感器测量振动图7-24磁电式速度传感器a）动铁式结构b）动圈式结构1－顶杆（与被测振动体接触）2－限位器3、8－波纹膜片支撑4－磁铁5－铁心6－动圈7－动圈引线9－壳体10－支撑弹簧11－固定线圈12－线圈框架13－被测振动体二、动铁式磁电传感器提问：在图7-24a中，当被测基座的振动消失时，磁铁的振动是否立即消失？这个特性对振动的检测有何不利影响？任务四振动的激振与激振器提问：激振器有哪几种类型？图7-25电动式激振器a）结构b）外形1－固定螺栓（或橡胶扎带）2－振动台面3－顶杆4－限位器5－下凹支撑弹簧片（两片）6－动圈引线7－接线端子8－动圈9－永久磁铁10－环形软铁心11－心杆12－上凸支撑弹簧片13－壳体14－刚性支架提问：在图7-25中，如果激磁电流为100kHz，振动台面的振动也可以达到100kHz吗？为什么？表7-8JZQ-100永磁激振器的主要技术指标参数名称指标最大激振力/N1000频率范围/Hz0~800最大位移/mm±12动圈直流电阻/Ω0.8最大励磁电流/A30力灵敏度/N·A-117可动部件质量/kg1.2总质量/kg70尺寸/mmϕ260×360安装方式被激振对象用螺栓紧固在振动台面上或用橡胶带绑紧在振动台面上2．电动式激振器的安装图7-26电动式激振器的安装a）激振器直接固定在地面b）激振器用具有弹性的支撑固定在地面c）激振器用具有弹性的支撑固定在顶面d）激振器固定在被测振动体上方e）激振器固定在侧面k－弹簧c－阻尼提问：在图7-26中，哪一种激振方式适应于较重质量体的x向激振？为什么？什么叫做“背靠背”校验？3．振动体振动参数的激光干涉检测方法图7-27激光干涉测振系统1－氦氖激光器2－分光镜3－反光膜4－被校测振传感器5－参考反射镜o0—测量光束o1—振动体反射光束o2－振动体光束e0－参考光束e1－参考镜反射光束e2－参考镜光束提问：图7-27所示的干涉测振系统的最大特点是什么？激光二、力锤激振图7-28力锤a）结构b）外形c）激振的时域波形1－锤头垫2－测力传感器