二、振動(dòng)測(cè)量傳感器

1、第二部分振動(dòng)測(cè)量傳感器現(xiàn)代力學(xué)測(cè)量技術(shù)振動(dòng)傳感器的分類按物理過(guò)程 發(fā)電式電動(dòng)式磁電式壓電式電磁感應(yīng)原理電參數(shù)電阻式電感式電容式壓阻式振動(dòng)傳感器的分類按力學(xué)過(guò)程慣性式 （質(zhì)量-彈簧）無(wú)參照系接觸式 （跟隨）有參照系非接觸式 （電渦流、激光、光電）振動(dòng)傳感器的分類按被測(cè)參數(shù)位移傳感器速度傳感器加速度傳感器力傳感器應(yīng)變傳感器扭振傳感器扭矩傳感器慣性式傳感器工作原理 力學(xué)模型如圖所示。圖中y1、y0、y01分別表示殼體絕對(duì)位移、質(zhì)塊的絕對(duì)位移和殼體與 質(zhì)塊的相對(duì)位移。測(cè)試時(shí)，殼體和被測(cè)物體聯(lián)接（用膠接或機(jī)械方法），當(dāng)傳感器外殼跟隨振動(dòng)物體振動(dòng)時(shí)，其內(nèi)部質(zhì)量與外殼之間產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。適當(dāng)選取傳感器的結(jié)構(gòu)參

2、數(shù)，所測(cè)結(jié)果將分別反映振動(dòng)問(wèn)題的位移、速度和加速度慣性式傳感器運(yùn)動(dòng)方程 0110101()0m yycyky20100100112yyyy 20km02cm強(qiáng)迫振動(dòng)解為01sin()emyyt其中20122200()1() (2)memyy 0202arctg1() 則20222100()1() (2)emmyy 慣性式傳感器對(duì) 的討論20222100()1 () (2)emmyy 1emmyy11emmyy表明質(zhì)塊和殼體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)（輸 出）和基礎(chǔ)的振動(dòng)（輸入）近乎相等，即表明質(zhì)塊在慣性座標(biāo)中幾乎處于靜止?fàn)顟B(tài) 作為加速度計(jì)的條件210()emmyy1201emmyy作為位移計(jì)的條件（應(yīng)用于動(dòng)圈

3、式速度傳感器的設(shè)計(jì)）1 當(dāng) 時(shí) ，即被測(cè)頻率遠(yuǎn)高于傳感器固有頻率時(shí) 2 當(dāng) 時(shí) ，即被測(cè)頻率遠(yuǎn)低于傳感器固有頻率時(shí) 慣性式傳感器阻尼對(duì)慣性位移計(jì)幅頻特性的影響1emmyy01234501234561.00.70.50.20.12.00慣性式傳感器阻尼對(duì)慣性加速度傳感器幅頻特性的影響02021emmyy10-310-210-11001011000.10.20.50.712慣性式傳感器001234500.511.522.533.50.10.22.01.00.70.5 阻尼對(duì)慣性傳感器相頻特性的影響電磁感應(yīng)式速度傳感器分類 運(yùn)動(dòng)導(dǎo)體切割磁力線產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)式電動(dòng)式速度傳感器磁電式速度傳感器導(dǎo)體不動(dòng)，穿

4、過(guò)導(dǎo)體的磁力線數(shù)發(fā)生變化，導(dǎo)體兩端產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)式eBl dendx 電動(dòng)式速度傳感器-相對(duì)式速度傳感器1頂桿 2彈簧片 3磁鋼 4線圈 5引出線 6殼體 用來(lái)測(cè)量振動(dòng)系統(tǒng)中兩部件之間的相對(duì)振動(dòng)速度，殼體固定于一部件上，而頂桿與另一部件相連接。從而使傳感器內(nèi)部的 線圈與磁鋼產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生相應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)來(lái)。 電動(dòng)式速度傳感器-相對(duì)式速度傳感器特點(diǎn)：1、可測(cè)量頻率從零赫茲開(kāi)始的相對(duì)振動(dòng)量；2、使用頻率上限由接觸桿與被測(cè)物體表面的接觸共 振頻率決定，或者由連桿和線圈骨架組成的軸向 固有頻率決定；3、輸入與輸出之間的相移基本為零；4、附加質(zhì)量不大；5、對(duì)被測(cè)物體有附加剛度。電動(dòng)式速度傳感器-相對(duì)式速度

5、傳感器使用應(yīng)注意的問(wèn)題使用應(yīng)注意的問(wèn)題電動(dòng)式速度傳感器慣性式速度傳感器結(jié)構(gòu)： a 單磁隙結(jié)構(gòu) b雙磁隙結(jié)構(gòu) c動(dòng)磁鋼結(jié)構(gòu)電動(dòng)式速度傳感器慣性式速度傳感器支撐彈簧彈簧片除了提供彈性恢復(fù)力外，還對(duì)可動(dòng)部件起導(dǎo)向作用。良好的彈簧片除了提供彈性恢復(fù)力外，還對(duì)可動(dòng)部件起導(dǎo)向作用。良好的彈簧片其剛度非線性應(yīng)很小，彈簧片本身作為彈性體振動(dòng)的頻率要彈簧片其剛度非線性應(yīng)很小，彈簧片本身作為彈性體振動(dòng)的頻率要足夠高，并且還應(yīng)具有較強(qiáng)的抗側(cè)向失穩(wěn)能力。足夠高，并且還應(yīng)具有較強(qiáng)的抗側(cè)向失穩(wěn)能力。電動(dòng)式速度傳感器- -慣性式速度傳感器雙磁隙結(jié)構(gòu)與工作原理1彈簧 2殼體 3阻尼環(huán) 4磁鋼 5線圈 6芯軸 在測(cè)振時(shí)，傳感器

6、固定于被測(cè)系統(tǒng)，磁鋼在測(cè)振時(shí)，傳感器固定于被測(cè)系統(tǒng)，磁鋼4 4與殼體與殼體2 2一起隨被測(cè)系統(tǒng)的一起隨被測(cè)系統(tǒng)的振動(dòng)而振動(dòng)，慣性質(zhì)量由裝在芯軸振動(dòng)而振動(dòng)，慣性質(zhì)量由裝在芯軸6 6上的線圈上的線圈5 5和阻尼環(huán)和阻尼環(huán)3 3組成，并在組成，并在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)。彈簧片磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)。彈簧片1 1徑向剛度很大、軸向剛度很小，使慣性系統(tǒng)既徑向剛度很大、軸向剛度很小，使慣性系統(tǒng)既得到可靠的徑向支承，又保證有很低的軸向固有頻率。阻尼環(huán)一方面得到可靠的徑向支承，又保證有很低的軸向固有頻率。阻尼環(huán)一方面可增加慣性系統(tǒng)質(zhì)量，降低固有頻率，另一方面在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的可增加慣性系統(tǒng)質(zhì)量，降低固有頻率，另一方面在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)產(chǎn)

7、生的阻尼力使振動(dòng)系統(tǒng)具有合理的阻尼阻尼力使振動(dòng)系統(tǒng)具有合理的阻尼. . 電動(dòng)式速度傳感器慣性式速度傳感器力學(xué)模型與運(yùn)動(dòng)方程 機(jī)械接收部分 機(jī)電變換部分 rrremxcxkxmxBli 0()ttrd iLRRiB lxd t 當(dāng) 時(shí)rrremxc xkxmx 2 20B iccR SBl靈敏度0ruBlx 電動(dòng)式速度傳感器慣性式速度傳感器阻尼的實(shí)現(xiàn) 1 1、擴(kuò)展速度拾振器的工作頻率下限，一般采用、擴(kuò)展速度拾振器的工作頻率下限，一般采用=0.5-0.7=0.5-0.7的的 阻尼阻尼 比，在幅值誤差不超過(guò)比，在幅值誤差不超過(guò)5%5%的情況下，工作下限可擴(kuò)展到的情況下，工作下限可擴(kuò)展到 2 2、有助

8、于迅速衰減意外瞬態(tài)擾動(dòng)所引起的瞬態(tài)振動(dòng)。、有助于迅速衰減意外瞬態(tài)擾動(dòng)所引起的瞬態(tài)振動(dòng)。 3 3、使傳感器的相頻特性在工作頻率范圍內(nèi)基本保持比例相移、使傳感器的相頻特性在工作頻率范圍內(nèi)基本保持比例相移 1、油阻尼、油阻尼 2、電渦流阻尼、電渦流阻尼 3、電磁阻尼、電磁阻尼 阻尼的作用阻尼的作用1.7n 電動(dòng)式速度傳感器慣性式速度傳感器的特點(diǎn)1、測(cè)量的是絕對(duì)速度振動(dòng)量；測(cè)量的是絕對(duì)速度振動(dòng)量；2 2、頻率下限受固有頻率限制，不能到零。頻率、頻率下限受固有頻率限制，不能到零。頻率 上限受安裝共振頻率及線圈阻抗特性限制；上限受安裝共振頻率及線圈阻抗特性限制；3 3、全部質(zhì)量都附加給被測(cè)物體；、全部質(zhì)量

9、都附加給被測(cè)物體；4 4、靈敏度高、信噪比強(qiáng)；、靈敏度高、信噪比強(qiáng)；5 5、輸出阻抗小，且輸出直接是電壓量，可直接、輸出阻抗小，且輸出直接是電壓量，可直接 測(cè)量；測(cè)量；6 6、橫向靈敏度較小，頻率范圍較寬、橫向靈敏度較小，頻率范圍較寬磁電式速度傳感器結(jié)構(gòu)eNS振動(dòng)物體變換過(guò)程物體與物體與傳感器傳感器的相對(duì)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)空氣空氣間隙間隙變化變化穿過(guò)線穿過(guò)線圈的磁圈的磁通量變通量變化化產(chǎn)生產(chǎn)生感應(yīng)感應(yīng)電動(dòng)電動(dòng)式式ddennxdtdx 輸入與輸輸入與輸出關(guān)系式出關(guān)系式磁電式速度傳感器磁電式速度傳感器的特點(diǎn)磁電式速度傳感器的特點(diǎn)1、非接觸型，對(duì)被測(cè)體無(wú)附加質(zhì)量和剛度；非接觸型，對(duì)被測(cè)體無(wú)附加質(zhì)量和剛度

10、；2 2、靈敏度不等于常數(shù)，與間隙、振動(dòng)物體的、靈敏度不等于常數(shù)，與間隙、振動(dòng)物體的 大小、材料形狀等有關(guān)，受測(cè)量物體表面大小、材料形狀等有關(guān)，受測(cè)量物體表面 電渦流影響；電渦流影響；3 3、動(dòng)態(tài)幅值不是線性，只有當(dāng)被測(cè)物體位移、動(dòng)態(tài)幅值不是線性，只有當(dāng)被測(cè)物體位移 遠(yuǎn)小于空氣間隙時(shí)，它的幅值才基本上維遠(yuǎn)小于空氣間隙時(shí)，它的幅值才基本上維 持線性持線性壓電式加速度傳感器壓電式加速度傳感器壓電式加速度計(jì)的結(jié)構(gòu)壓電式加速度計(jì)的結(jié)構(gòu) （a）（b）（c）（d）（e） (a)中心安裝壓縮型 (b) 彎曲型（c) 環(huán)形剪切型 (D) 三角剪切型 (e)中心壓縮型 壓電式加速度傳感器壓電式加速度傳感器壓電式

11、加速度計(jì)的敏感元件 天然石英晶體天然石英晶體機(jī)械強(qiáng)度高，絕緣性能機(jī)械強(qiáng)度高，絕緣性能好，壓電常數(shù)在好，壓電常數(shù)在500500度度以下不隨溫度變化，但以下不隨溫度變化，但壓電常數(shù)低。壓電常數(shù)低。壓電常數(shù)大，比石英晶體大幾壓電常數(shù)大，比石英晶體大幾十倍，但壓電常數(shù)穩(wěn)定性差，十倍，但壓電常數(shù)穩(wěn)定性差，受溫度影響大，當(dāng)超過(guò)居里溫受溫度影響大，當(dāng)超過(guò)居里溫度時(shí)，壓電效應(yīng)就會(huì)消失。度時(shí)，壓電效應(yīng)就會(huì)消失。正壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng)壓電元件在一定方向的外力作用下壓電元件在一定方向的外力作用下或施加機(jī)械變形時(shí)，在壓電元件的或施加機(jī)械變形時(shí)，在壓電元件的晶面或極化面上將產(chǎn)生電荷晶面或極化面上將產(chǎn)生電荷。在壓電元件表面

12、通一電壓，由在壓電元件表面通一電壓，由于電場(chǎng)的作用，壓電元件將產(chǎn)于電場(chǎng)的作用，壓電元件將產(chǎn)生幾何變形。生幾何變形。逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)人工極化陶瓷人工極化陶瓷壓電晶體壓電晶體壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)壓電式加速度傳感器壓電式加速度傳感器石英晶體的壓電效應(yīng)石英晶體的壓電效應(yīng)理想形狀：中間為六棱柱，兩端為對(duì)理想形狀：中間為六棱柱，兩端為對(duì)稱的棱錐，共稱的棱錐，共3030個(gè)晶面。個(gè)晶面。 光軸光軸 電軸電軸 機(jī)械軸機(jī)械軸光軸光軸：z z 軸，與晶體縱軸方向一致。軸，與晶體縱軸方向一致。光線沿光線沿z z 軸方向通過(guò)晶體不發(fā)生雙折軸方向通過(guò)晶體不發(fā)生雙折射。沿光軸的作用力不產(chǎn)生壓電效應(yīng)，射。沿光軸的作用力不產(chǎn)生

13、壓電效應(yīng)，故又稱為故又稱為中性軸。中性軸。壓電式加速度傳感器壓電式加速度傳感器電軸：電軸：x x 軸，通過(guò)兩個(gè)相對(duì)的六角棱線并垂直于光軸的軸，通過(guò)兩個(gè)相對(duì)的六角棱線并垂直于光軸的軸線。垂直于此軸的晶面上有最強(qiáng)的壓電效應(yīng)。軸線。垂直于此軸的晶面上有最強(qiáng)的壓電效應(yīng)。 機(jī)械軸機(jī)械軸：y y軸，垂直于軸，垂直于x x軸和軸和z z軸所在平面的軸線。在電場(chǎng)軸所在平面的軸線。在電場(chǎng)作用下，作用下，y y軸具有最明顯的機(jī)械變形。軸具有最明顯的機(jī)械變形。石英晶體的壓電效應(yīng)石英晶體的壓電效應(yīng)石英晶體石英晶體z z軸僅一個(gè)，軸僅一個(gè)，x x軸和軸和y y軸各有軸各有3 3個(gè)。個(gè)。壓電式加速度傳感器壓電式加速度傳感

14、器壓電效應(yīng)模型壓電效應(yīng)模型 縱向壓電效應(yīng)：沿縱向壓電效應(yīng)：沿x x軸加力，電荷出現(xiàn)在垂直于軸加力，電荷出現(xiàn)在垂直于x x軸的表面。軸的表面。 橫向壓電效應(yīng)：沿橫向壓電效應(yīng)：沿y y 軸加力，電荷仍出現(xiàn)在垂直于軸加力，電荷仍出現(xiàn)在垂直于x x 軸的表面。軸的表面。 切向壓電效應(yīng)：沿切向壓電效應(yīng)：沿x x軸或軸或y y軸施加垂直于軸施加垂直于z z軸的剪切力，在垂直于軸的剪切力，在垂直于x x軸的軸的 晶體表面產(chǎn)生電荷。晶體表面產(chǎn)生電荷。壓電式加速度傳感器壓電式加速度傳感器壓電式傳感器及其等效電路壓電式傳感器及其等效電路在壓電晶片的兩個(gè)工作面上進(jìn)行金屬蒸鍍，形在壓電晶片的兩個(gè)工作面上進(jìn)行金屬蒸鍍，

15、形成金屬膜，構(gòu)成兩個(gè)電極。當(dāng)壓電晶片受到壓成金屬膜，構(gòu)成兩個(gè)電極。當(dāng)壓電晶片受到壓力力F F的作用時(shí)，分別在兩個(gè)極板上積聚數(shù)量相等的作用時(shí)，分別在兩個(gè)極板上積聚數(shù)量相等而極性相反的電荷，形成電場(chǎng)。壓電元件的開(kāi)而極性相反的電荷，形成電場(chǎng)。壓電元件的開(kāi)路電壓：路電壓：壓電元件的開(kāi)路電壓：壓電元件的開(kāi)路電壓：/aaUq C壓電式加速度傳感器壓電式加速度傳感器壓電式傳感器及其等效電路壓電式傳感器及其等效電路若考慮負(fù)載（測(cè)量電路），等效電路如下：若考慮負(fù)載（測(cè)量電路），等效電路如下：假設(shè)一恒定力假設(shè)一恒定力F F作用于壓電器件，產(chǎn)生電量作用于壓電器件，產(chǎn)生電量q q，則輸出電壓：，則輸出電壓：其中，其中

16、，CcCc、CiCi分別為電纜寄生電容及后續(xù)測(cè)量電路的輸入電容。分別為電纜寄生電容及后續(xù)測(cè)量電路的輸入電容。pqmbmkrxex 振動(dòng)物體壓電式加速度傳感器壓電式加速度傳感器壓電式加速度計(jì)的特性分析1、力學(xué)模型力學(xué)模型中心壓縮型中心壓縮型2、機(jī)電轉(zhuǎn)換過(guò)程機(jī)電轉(zhuǎn)換過(guò)程ex 慣性慣性接收接收壓電壓電變換變換物理量物理量轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換pqu當(dāng)傳感器跟隨物體運(yùn)動(dòng)時(shí)，慣性接收部分將被測(cè)的加速度當(dāng)傳感器跟隨物體運(yùn)動(dòng)時(shí)，慣性接收部分將被測(cè)的加速度 接收為接收為 相對(duì)于底座的相對(duì)振動(dòng)位移相對(duì)于底座的相對(duì)振動(dòng)位移 ，于是壓電晶，于是壓電晶體片受到體片受到 的動(dòng)態(tài)力，然后由壓電正效應(yīng)變換為作的動(dòng)態(tài)力，然后由壓電正效應(yīng)變

17、換為作用在晶體面上的電荷用在晶體面上的電荷 。ex mrxrpkxq332rqd kx332eqd mx21rnexx3、輸入與輸出關(guān)系式輸入與輸出關(guān)系式4、特性參數(shù)特性參數(shù) 靈敏度靈敏度電荷靈敏度電荷靈敏度電壓靈敏度電壓靈敏度332qeqSd mx2(/pc ms/)pc g3324eed mteSxD2( /v ms/)v g其中其中3324eEd mx tqecD22EDct（開(kāi)路電壓開(kāi)路電壓）（極間電容）（極間電容） 動(dòng)態(tài)范圍動(dòng)態(tài)范圍最小可測(cè)振級(jí)主要受測(cè)量?jī)x器的噪聲電平限制最小可測(cè)振級(jí)主要受測(cè)量?jī)x器的噪聲電平限制最大可測(cè)振級(jí)主要受傳感器的強(qiáng)度及非線性因素限制最大可測(cè)振級(jí)主要受傳感器的強(qiáng)

18、度及非線性因素限制壓電式加速度傳感器壓電式加速度傳感器 頻率特性頻率特性 加速度計(jì)的使用上限頻率取決于幅頻曲線中的共振頻率。一般阻尼加速度計(jì)的使用上限頻率取決于幅頻曲線中的共振頻率。一般阻尼比小于比小于0.10.1的加速度計(jì)，上限頻率若取為共振頻率的的加速度計(jì)，上限頻率若取為共振頻率的 1/31/3，便可保證，便可保證幅值誤差低于幅值誤差低于1dB1dB（即（即12%12%）；若取為共振頻率的）；若取為共振頻率的1/51/5，則可保證幅值，則可保證幅值誤差小于誤差小于0.5dB0.5dB（即（即6%6%），相移小于），相移小于3 3度。但共振頻率與加速度計(jì)的度。但共振頻率與加速度計(jì)的安裝有關(guān)，

19、加速度計(jì)出廠時(shí)給出的幅頻曲線是在剛性連接的固定情安裝有關(guān)，加速度計(jì)出廠時(shí)給出的幅頻曲線是在剛性連接的固定情況下得到的。實(shí)際使用的固定方法往往難于達(dá)到剛性連接，因而共況下得到的。實(shí)際使用的固定方法往往難于達(dá)到剛性連接，因而共振頻率和使用上限頻率都會(huì)有所下降。振頻率和使用上限頻率都會(huì)有所下降。nff上f下S 橫向靈敏度橫向靈敏度 環(huán)境特性環(huán)境特性溫度，濕度，磁場(chǎng)等溫度，濕度，磁場(chǎng)等小于小于5%5%固有頻率、靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍相互制約固有頻率、靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍相互制約,nnSmfDSmfD當(dāng)時(shí)當(dāng)時(shí)壓電式加速度傳感器壓電式加速度傳感器5、 加速度計(jì)的固定方法加速度計(jì)的固定方法 其中其中圖圖a a采用鋼螺

20、栓固定，采用鋼螺栓固定，是共振頻率能達(dá)到出廠共振是共振頻率能達(dá)到出廠共振頻率的最好方法。螺栓不得頻率的最好方法。螺栓不得全部擰入基座螺孔，以免引全部擰入基座螺孔，以免引起基座起基座 變形，影響加速度變形，影響加速度計(jì)的輸出。在安裝面上涂一計(jì)的輸出。在安裝面上涂一層硅脂可增加不平整安裝表層硅脂可增加不平整安裝表面的連接可靠性。面的連接可靠性。需要絕緣時(shí)可用絕需要絕緣時(shí)可用絕緣螺栓和云母墊片來(lái)固定加速度計(jì)（圖緣螺栓和云母墊片來(lái)固定加速度計(jì)（圖b b），但墊圈應(yīng)盡），但墊圈應(yīng)盡量簿。量簿。用一層簿蠟把加速度計(jì)粘在試件平整表面上（圖用一層簿蠟把加速度計(jì)粘在試件平整表面上（圖c c），也可用于溫度），也

21、可用于溫度低于低于4040以下的場(chǎng)合。以下的場(chǎng)合。手持探針測(cè)振方法（圖手持探針測(cè)振方法（圖d d）在多點(diǎn)測(cè)試時(shí)使用特別方）在多點(diǎn)測(cè)試時(shí)使用特別方便，但測(cè)量誤差較大，重復(fù)性差，使用上限頻率一般不高于便，但測(cè)量誤差較大，重復(fù)性差，使用上限頻率一般不高于 1000Hz1000Hz。用專用專用永久磁鐵固定加速度計(jì)（圖用永久磁鐵固定加速度計(jì)（圖e e），使用方便，多在低頻測(cè)量中使用。此法），使用方便，多在低頻測(cè)量中使用。此法也可使加速度計(jì)與試件絕緣。也可使加速度計(jì)與試件絕緣。用硬性粘接螺栓（圖用硬性粘接螺栓（圖f f）或粘接劑（圖）或粘接劑（圖g g）的固）的固定方法也長(zhǎng)使用。定方法也長(zhǎng)使用。某種典型的

22、加速度計(jì)采用上述各種固定方法的共振頻率分某種典型的加速度計(jì)采用上述各種固定方法的共振頻率分別約為：鋼螺栓固定法別約為：鋼螺栓固定法31kHz31kHz，云母墊片，云母墊片28kHz28kHz，涂簿蠟層，涂簿蠟層29kHz29kHz，手持法，手持法2kHz2kHz，永久磁鐵固定法，永久磁鐵固定法7kHz7kHz。 壓電式加速度傳感器壓電式加速度傳感器6、 加速度計(jì)的接地問(wèn)題加速度計(jì)的接地問(wèn)題 注意：?jiǎn)吸c(diǎn)接地注意：?jiǎn)吸c(diǎn)接地壓電式加速度傳感器壓電式加速度傳感器7、 加速度計(jì)的前置放大器加速度計(jì)的前置放大器 壓電式傳感器的前置放大器有：電壓放大器和電荷放大器。所用電壓壓電式傳感器的前置放大器有：電壓放

23、大器和電荷放大器。所用電壓放大器就是高輸入阻抗的比例放大器。其電路比較簡(jiǎn)單，但輸出受連放大器就是高輸入阻抗的比例放大器。其電路比較簡(jiǎn)單，但輸出受連接電纜對(duì)地電容的影響，適用于一般振動(dòng)測(cè)量。電荷放大器以電容作接電纜對(duì)地電容的影響，適用于一般振動(dòng)測(cè)量。電荷放大器以電容作負(fù)反饋，使用中基本不受電纜電容的影響。在電荷放大器中，通常用負(fù)反饋，使用中基本不受電纜電容的影響。在電荷放大器中，通常用高質(zhì)量的元器件，輸入阻抗高，但價(jià)格也比較貴高質(zhì)量的元器件，輸入阻抗高，但價(jià)格也比較貴. . 8、 電荷放大器作用電荷放大器作用阻抗變換阻抗變換物理量轉(zhuǎn)換物理量轉(zhuǎn)換輸出歸一化輸出歸一化壓電式加速度傳感器壓電式加速度傳

24、感器9、 壓電加速度計(jì)壓電加速度計(jì)的類型的類型 低阻抗電壓模式低阻抗電壓模式目前大部分壓電式加速度計(jì)在殼體目前大部分壓電式加速度計(jì)在殼體內(nèi)都集成放大器，由它來(lái)完成阻抗內(nèi)都集成放大器，由它來(lái)完成阻抗變換的功能。這類內(nèi)裝集成放大器變換的功能。這類內(nèi)裝集成放大器的加速度計(jì)可使用長(zhǎng)電纜而無(wú)衰減，的加速度計(jì)可使用長(zhǎng)電纜而無(wú)衰減，并可直接與大多數(shù)通用的儀表、計(jì)并可直接與大多數(shù)通用的儀表、計(jì)算機(jī)等連接。一般采用算機(jī)等連接。一般采用2 2線制，即線制，即用用2 2根電纜給傳感器供給根電纜給傳感器供給 2 210mA10mA的恒流電源，而輸出信號(hào)也由這的恒流電源，而輸出信號(hào)也由這2 2根電纜輸出，大大方便了現(xiàn)場(chǎng)

25、的接根電纜輸出，大大方便了現(xiàn)場(chǎng)的接線線 。智能式智能式內(nèi)置芯片，出廠內(nèi)置芯片，出廠時(shí)，將傳感器的時(shí)，將傳感器的序列號(hào)，生產(chǎn)廠序列號(hào)，生產(chǎn)廠家，靈敏度等參家，靈敏度等參數(shù)儲(chǔ)存在芯片里，數(shù)儲(chǔ)存在芯片里，分析儀可直接識(shí)分析儀可直接識(shí)別出這些參數(shù)，別出這些參數(shù)，這對(duì)多點(diǎn)測(cè)量非這對(duì)多點(diǎn)測(cè)量非常方便常方便。高阻抗電荷模式高阻抗電荷模式輸出阻抗很輸出阻抗很高，必須接高，必須接前置放大器，前置放大器，但環(huán)境適應(yīng)但環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，尤其性強(qiáng)，尤其適合于高低適合于高低溫，高沖擊溫，高沖擊試驗(yàn)場(chǎng)合試驗(yàn)場(chǎng)合。壓電式加速度傳感器壓電式加速度傳感器1010、 壓電加速度計(jì)壓電加速度計(jì)的低頻特性的低頻特性 從壓電式傳感器的力學(xué)

26、模型看，它具有從壓電式傳感器的力學(xué)模型看，它具有“低通低通”特性，原可特性，原可測(cè)量極低頻的振動(dòng)。但實(shí)際上由于低頻尤其小振幅振動(dòng)時(shí)，測(cè)量極低頻的振動(dòng)。但實(shí)際上由于低頻尤其小振幅振動(dòng)時(shí)，加速度值小，傳感器的靈敏度有限，因此輸出的信號(hào)將很微加速度值小，傳感器的靈敏度有限，因此輸出的信號(hào)將很微弱，信噪比很低；另外電荷的泄漏，積分電路的漂移（用于弱，信噪比很低；另外電荷的泄漏，積分電路的漂移（用于測(cè)振動(dòng)速度和位移）、器件的噪聲都是不可避免的，所以實(shí)測(cè)振動(dòng)速度和位移）、器件的噪聲都是不可避免的，所以實(shí)際低頻端也出現(xiàn)際低頻端也出現(xiàn)“截止頻率截止頻率”，約為，約為0.10.11Hz1Hz左右。左右。 111

27、1、 壓電加速度計(jì)壓電加速度計(jì)的特點(diǎn)與應(yīng)用的特點(diǎn)與應(yīng)用 具有動(dòng)態(tài)范圍大、頻率范圍寬、堅(jiān)固耐用、受外界干擾小以具有動(dòng)態(tài)范圍大、頻率范圍寬、堅(jiān)固耐用、受外界干擾小以及壓電材料受力自產(chǎn)生電荷信號(hào)不需要任何外界電源等特點(diǎn)，及壓電材料受力自產(chǎn)生電荷信號(hào)不需要任何外界電源等特點(diǎn)，是最為廣泛使用的振動(dòng)測(cè)量傳感器是最為廣泛使用的振動(dòng)測(cè)量傳感器 壓電式加速度傳感器壓電式加速度傳感器壓阻式加速度傳感器壓阻式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)壓阻式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)（1）（3）分體型壓阻式與固態(tài)壓阻式1 1、體型壓阻式、體型壓阻式（2）壓阻式加速度傳感器 2、固態(tài)壓阻式固態(tài)壓阻式壓阻式加速度傳感器工作原理工作原理 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn) 應(yīng)用應(yīng)

28、用 缺點(diǎn)缺點(diǎn)通常采用懸臂梁式結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)其通常采用懸臂梁式結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)其慣性接收，再利用半導(dǎo)體材料慣性接收，再利用半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)將正比于加速度的的壓阻效應(yīng)將正比于加速度的應(yīng)力轉(zhuǎn)換為電阻值的變化。應(yīng)力轉(zhuǎn)換為電阻值的變化。 靈敏度高，具有零頻率響應(yīng)靈敏度高，具有零頻率響應(yīng)適合測(cè)量持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的慢變適合測(cè)量持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的慢變沖擊過(guò)程及特低頻率振動(dòng)過(guò)程沖擊過(guò)程及特低頻率振動(dòng)過(guò)程由于半導(dǎo)體片對(duì)溫度非常敏感，由于半導(dǎo)體片對(duì)溫度非常敏感，必須在傳感器內(nèi)部有溫度補(bǔ)償必須在傳感器內(nèi)部有溫度補(bǔ)償措施措施半導(dǎo)體材料由于半導(dǎo)體材料由于內(nèi)部應(yīng)力場(chǎng)而引內(nèi)部應(yīng)力場(chǎng)而引起各點(diǎn)的電阻率起各點(diǎn)的電阻率變化的現(xiàn)象，單變化的現(xiàn)象，單晶

29、硅的壓阻效應(yīng)晶硅的壓阻效應(yīng)特別顯著，比一特別顯著，比一般金屬材料靈敏般金屬材料靈敏度高度高50-10050-100倍倍。壓阻效應(yīng)壓阻效應(yīng) 伺服式加速度傳感器 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)內(nèi)部有兩套機(jī)電變換裝置，內(nèi)部有兩套機(jī)電變換裝置，其一是將機(jī)械量轉(zhuǎn)換為電量，其一是將機(jī)械量轉(zhuǎn)換為電量，以提供測(cè)量和反饋信號(hào)；另以提供測(cè)量和反饋信號(hào)；另一是將電量轉(zhuǎn)換為機(jī)械量，一是將電量轉(zhuǎn)換為機(jī)械量，即起反向傳感器的作用，其即起反向傳感器的作用，其作用是執(zhí)行反饋環(huán)節(jié)，其一作用是執(zhí)行反饋環(huán)節(jié)，其一是電容式機(jī)電變換，其二是是電容式機(jī)電變換，其二是可逆的電動(dòng)式變換可逆的電動(dòng)式變換伺服式加速度傳感器工作原理工作原理如果反饋電流滿足如果反饋電流

30、滿足efmxiG 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn) 應(yīng)用應(yīng)用1、具有頻率響應(yīng)；、具有頻率響應(yīng)；2、幅值線性度極好；、幅值線性度極好；3、精度高。、精度高。比較適合于飛機(jī)、土木結(jié)構(gòu)、橋梁等低頻及靜態(tài)比較適合于飛機(jī)、土木結(jié)構(gòu)、橋梁等低頻及靜態(tài)結(jié)構(gòu)加速度測(cè)量結(jié)構(gòu)加速度測(cè)量伺服式加速度傳感器電容式加速度傳感器結(jié)構(gòu)與原理結(jié)構(gòu)與原理 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn) 應(yīng)用應(yīng)用較多地用于低頻測(cè)量，其通用性不如壓電式加速度傳感較多地用于低頻測(cè)量，其通用性不如壓電式加速度傳感器，且成本也比壓電式加速度傳感器高得多器，且成本也比壓電式加速度傳感器高得多與其它類型的加速度傳感器相比具有靈敏度高、零頻響與其它類型的加速度傳感器相比具有靈敏度高、零頻響應(yīng)、環(huán)境適應(yīng)性

31、好等特點(diǎn)，尤其是受溫度的影響比較小應(yīng)、環(huán)境適應(yīng)性好等特點(diǎn)，尤其是受溫度的影響比較小 多數(shù)采用差動(dòng)式結(jié)構(gòu)，有兩個(gè)固定電極，兩電極之間有多數(shù)采用差動(dòng)式結(jié)構(gòu)，有兩個(gè)固定電極，兩電極之間有一用彈簧支撐的質(zhì)量快，此質(zhì)量快的兩個(gè)端平面作為活一用彈簧支撐的質(zhì)量快，此質(zhì)量快的兩個(gè)端平面作為活動(dòng)板極，當(dāng)傳感器測(cè)量垂直方向振動(dòng)時(shí)，由于質(zhì)量塊的動(dòng)板極，當(dāng)傳感器測(cè)量垂直方向振動(dòng)時(shí)，由于質(zhì)量塊的慣性作用，使兩個(gè)固定板極相對(duì)質(zhì)量塊產(chǎn)生位移。慣性作用，使兩個(gè)固定板極相對(duì)質(zhì)量塊產(chǎn)生位移。 缺點(diǎn)缺點(diǎn)信號(hào)的輸入與輸出為非線性，量程有限，受電纜的電容信號(hào)的輸入與輸出為非線性，量程有限，受電纜的電容影響，以及電容傳感器本身是高阻抗信

32、號(hào)源，因此電容影響，以及電容傳感器本身是高阻抗信號(hào)源，因此電容傳感器的輸出信號(hào)往往需通過(guò)后繼電路給于改善傳感器的輸出信號(hào)往往需通過(guò)后繼電路給于改善 結(jié)構(gòu)示意圖結(jié)構(gòu)示意圖 測(cè)量參數(shù)測(cè)量參數(shù)渦流傳感器已成系列，測(cè)量范圍從渦流傳感器已成系列，測(cè)量范圍從0.5mm0.5mm至至10mm10mm以上，靈以上，靈敏閥約為測(cè)量范圍的敏閥約為測(cè)量范圍的0.1%0.1%。常用的外徑。常用的外徑8mm8mm的傳感器與工件的的傳感器與工件的安裝間隙約安裝間隙約1mm1mm，在，在0.5mm0.5mm范圍內(nèi)有良好的線性，靈敏度為范圍內(nèi)有良好的線性，靈敏度為7.87mv/mm7.87mv/mm，頻響范圍為，頻響范圍為0

33、 012000Hz12000Hz。電渦流位移傳感器電渦流位移傳感器工作原理工作原理電渦流式位移傳感器是一種非接觸式電渦流式位移傳感器是一種非接觸式測(cè)振傳感器，其基本原理是利用金屬測(cè)振傳感器，其基本原理是利用金屬體在交變磁場(chǎng)中的電渦流效應(yīng)。當(dāng)通體在交變磁場(chǎng)中的電渦流效應(yīng)。當(dāng)通有交變電流的線圈靠近導(dǎo)體表面時(shí)，有交變電流的線圈靠近導(dǎo)體表面時(shí)，穿過(guò)導(dǎo)體的磁通鏈將在導(dǎo)體表面感應(yīng)穿過(guò)導(dǎo)體的磁通鏈將在導(dǎo)體表面感應(yīng)出交變電流，該電流在導(dǎo)體表面形成出交變電流，該電流在導(dǎo)體表面形成一閉環(huán)回路，稱之為渦流。這一電流一閉環(huán)回路，稱之為渦流。這一電流又產(chǎn)生一穿過(guò)原線圈的磁通鏈，因此，又產(chǎn)生一穿過(guò)原線圈的磁通鏈，因此，原

34、線圈與電渦流相當(dāng)于兩個(gè)相互耦合原線圈與電渦流相當(dāng)于兩個(gè)相互耦合的線圈，耦合的結(jié)果使得原線圈的電的線圈，耦合的結(jié)果使得原線圈的電感發(fā)生了變化。感發(fā)生了變化。 電渦流位移傳感器等效電路等效電路當(dāng)輸入電流頻率很高時(shí)，有當(dāng)輸入電流頻率很高時(shí)，有1eMkLL圖中圖中Mk互感系數(shù)互感系數(shù)耦合系數(shù)耦合系數(shù)此時(shí)此時(shí)2eeLRRk RL2(1)LLk電渦流位移傳感器測(cè)量電路0icZUUR為了測(cè)量為了測(cè)量 ，可以采用串并聯(lián)，可以采用串并聯(lián)諧振電路，即在原線圈兩端并一諧振電路，即在原線圈兩端并一電容，再與一電阻串聯(lián)，在滿足電容，再與一電阻串聯(lián)，在滿足L的條件下的條件下電路的諧振頻率為電路的諧振頻率為2(0)11(

35、)21rrf kf kL ck電路阻抗為電路阻抗為11()LZcRjLc電路輸出電壓為電路輸出電壓為cicZUUR 傳感器特點(diǎn)傳感器特點(diǎn) 這類傳感器具有線性范圍大、靈敏度高、頻率范圍寬、抗干這類傳感器具有線性范圍大、靈敏度高、頻率范圍寬、抗干擾能力強(qiáng)、不受油污等介質(zhì)影響以及非接觸測(cè)量等特點(diǎn)。渦擾能力強(qiáng)、不受油污等介質(zhì)影響以及非接觸測(cè)量等特點(diǎn)。渦流傳感器屬于相對(duì)式拾振器，能方便地測(cè)量運(yùn)動(dòng)部件與靜止流傳感器屬于相對(duì)式拾振器，能方便地測(cè)量運(yùn)動(dòng)部件與靜止部件間的間隙變化。表面粗糙度對(duì)測(cè)量幾乎沒(méi)有影響，但表部件間的間隙變化。表面粗糙度對(duì)測(cè)量幾乎沒(méi)有影響，但表面的微裂縫和被測(cè)材料的電導(dǎo)率和導(dǎo)磁率對(duì)靈敏度有

36、影響。面的微裂縫和被測(cè)材料的電導(dǎo)率和導(dǎo)磁率對(duì)靈敏度有影響。 電渦流傳感器除用來(lái)測(cè)量靜態(tài)位移外，被廣泛用來(lái)測(cè)量汽輪電渦流傳感器除用來(lái)測(cè)量靜態(tài)位移外，被廣泛用來(lái)測(cè)量汽輪機(jī)、壓縮機(jī)、電機(jī)等旋轉(zhuǎn)軸系的振動(dòng)、軸向位移、轉(zhuǎn)速等，機(jī)、壓縮機(jī)、電機(jī)等旋轉(zhuǎn)軸系的振動(dòng)、軸向位移、轉(zhuǎn)速等，在工況監(jiān)測(cè)與故障診斷中應(yīng)用甚廣。在工況監(jiān)測(cè)與故障診斷中應(yīng)用甚廣。 傳感器的應(yīng)用傳感器的應(yīng)用電渦流位移傳感器壓電式力傳感器結(jié)構(gòu)與力學(xué)模型結(jié)構(gòu)與力學(xué)模型壓電式力傳感器力的傳遞力的傳遞發(fā)力體作用體bfpftfpkbxbx txtx bmtm 輸入與輸出關(guān)系輸入與輸出關(guān)系11pqd f 壓電元件的動(dòng)態(tài)力與作用給受力體的力之間壓電元件的動(dòng)態(tài)

37、力與作用給受力體的力之間的關(guān)系的關(guān)系由上圖可知由上圖可知ptttffm x注意：壓電式力傳感器與壓電式加速度傳感器測(cè)量電路完全相同注意：壓電式力傳感器與壓電式加速度傳感器測(cè)量電路完全相同壓電式力傳感器力傳感器的使用力傳感器的使用振動(dòng)測(cè)量傳感器的選擇正確的選用應(yīng)該基于對(duì)測(cè)量信號(hào)以下三方面正確的選用應(yīng)該基于對(duì)測(cè)量信號(hào)以下三方面的分析和估算。的分析和估算。 1)1) 被測(cè)振動(dòng)量的大小被測(cè)振動(dòng)量的大小 2)2) 被測(cè)振動(dòng)信號(hào)的頻率范圍被測(cè)振動(dòng)信號(hào)的頻率范圍 3)3) 振動(dòng)測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境振動(dòng)測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境振動(dòng)測(cè)量傳感器的選擇傳感器的靈敏度傳感器的靈敏度 靈敏度是傳感器的最基本指標(biāo)之一靈敏度是傳感器的最基本指

38、標(biāo)之一, ,其大小直接影響到傳感其大小直接影響到傳感器對(duì)振動(dòng)信號(hào)的測(cè)量。不難理解，傳感器的靈敏度應(yīng)根據(jù)被測(cè)振器對(duì)振動(dòng)信號(hào)的測(cè)量。不難理解，傳感器的靈敏度應(yīng)根據(jù)被測(cè)振動(dòng)量（加速度值）大小而定，但由于壓電加速度傳感器是測(cè)量振動(dòng)量（加速度值）大小而定，但由于壓電加速度傳感器是測(cè)量振動(dòng)的加速度值，而在相同的位移幅值條件下加速度值與信號(hào)的頻動(dòng)的加速度值，而在相同的位移幅值條件下加速度值與信號(hào)的頻率平方成正比，所以不同頻段的加速度信號(hào)大小相差甚大。大型率平方成正比，所以不同頻段的加速度信號(hào)大小相差甚大。大型結(jié)構(gòu)的低頻振動(dòng)其振動(dòng)量的加速度值可能會(huì)相當(dāng)小，例如當(dāng)振動(dòng)結(jié)構(gòu)的低頻振動(dòng)其振動(dòng)量的加速度值可能會(huì)相當(dāng)小

39、，例如當(dāng)振動(dòng)位移為位移為 1mm, 1mm, 頻率為頻率為1 Hz 1 Hz 的信號(hào)其加速度值僅為的信號(hào)其加速度值僅為0.04m/s0.04m/s2 2 (0.004g)(0.004g)；然而對(duì)高頻振動(dòng)當(dāng)位移為；然而對(duì)高頻振動(dòng)當(dāng)位移為0.1mm0.1mm，頻率為，頻率為10 kHz10 kHz的信的信號(hào)其加速度值可達(dá)號(hào)其加速度值可達(dá)4 x 104 x 105 5m/s2 (40000g)m/s2 (40000g)。因此盡管壓電式加速。因此盡管壓電式加速度傳感器具有較大的測(cè)量量程范圍，但對(duì)用于測(cè)量高低兩端頻率度傳感器具有較大的測(cè)量量程范圍，但對(duì)用于測(cè)量高低兩端頻率的振動(dòng)信號(hào)，選擇加速度傳感器靈敏

40、度時(shí)應(yīng)對(duì)信號(hào)有充分的估計(jì)。的振動(dòng)信號(hào)，選擇加速度傳感器靈敏度時(shí)應(yīng)對(duì)信號(hào)有充分的估計(jì)。最常用的振動(dòng)測(cè)量壓電式加速度計(jì)靈敏度，電壓輸出型（最常用的振動(dòng)測(cè)量壓電式加速度計(jì)靈敏度，電壓輸出型（IEPE IEPE 型）為型）為50-100 mV/g50-100 mV/g，電荷輸出型為，電荷輸出型為10 -50 pC/g10 -50 pC/g。振動(dòng)測(cè)量傳感器的選擇傳感器的動(dòng)態(tài)范圍傳感器的動(dòng)態(tài)范圍 傳感器的測(cè)量量程范圍是指?jìng)鞲衅髟谝欢ǖ姆蔷€性誤差范圍傳感器的測(cè)量量程范圍是指?jìng)鞲衅髟谝欢ǖ姆蔷€性誤差范圍內(nèi)所能測(cè)量的最大測(cè)量值。通用型壓電加速度傳感器的非線內(nèi)所能測(cè)量的最大測(cè)量值。通用型壓電加速度傳感器的非線性誤差大多為性誤差大多為1%1%。作為一般原則，靈敏度越高其測(cè)量范圍越。作為一般原則，靈敏度越高其測(cè)量范圍越小，反之靈敏度越小則測(cè)量范圍越大。小，反之靈敏度越小則測(cè)量范圍越大。 電壓輸出型壓電加速度傳感器的測(cè)量范圍是由在線性誤差范電壓輸出型壓電加速度傳感器的測(cè)量范圍是由在線性誤差范圍內(nèi)所允許的最大輸出信號(hào)電壓所決定，最大輸出電壓量值圍內(nèi)所允許的最大輸出信號(hào)電壓所決定，最大輸出電壓量值一般