振動(dòng)傳感器原理總結(jié)

1、妙/-2 -1代表了儀器外殼的振幅Xm與振動(dòng)體的振幅Ym之間的關(guān)系?！皌an代表了信號(hào)x與信號(hào)y之間的相位差。-m1-振動(dòng)傳感器原理總結(jié)一，振動(dòng)傳感器的力學(xué)原理這種傳感器被直慣性式傳感器是利用彈簧質(zhì)量系統(tǒng)的強(qiáng)迫振動(dòng)特性來(lái)進(jìn)行振動(dòng)測(cè)量的。接固定在被測(cè)振動(dòng)體上， 不需要相對(duì)固定點(diǎn)。 測(cè)量所得結(jié)果直接以固結(jié)于地球上的慣性參考 系坐標(biāo)為參考坐標(biāo)，因此，它是一種絕對(duì)式拾振儀器。下圖是這類傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖。在一個(gè)剛性的外殼里面，安裝一個(gè)單自由度的有阻尼 的彈簧質(zhì)量系統(tǒng)。根據(jù)質(zhì)量塊相對(duì)于外殼的運(yùn)動(dòng)來(lái)判斷被測(cè)振動(dòng)體的振動(dòng)。設(shè)振動(dòng)體的位移是y=y(t),并假定由它引起 儀器質(zhì)量塊相對(duì)于儀器外殼的位移為x(t)

2、(以其靜平衡位置為0點(diǎn))，則質(zhì)量塊絕對(duì)位移 z=x+y.進(jìn)行受力分析可得mx cx kx 二-my設(shè)振動(dòng)體作簡(jiǎn)諧振動(dòng)y=Ym*s inwt代入得到兩部分的解。一部分是齊次方程的解， 代表拾振器系統(tǒng)的自由振動(dòng)。由于阻尼，慢慢 衰減掉了。第二部分為特解，代表強(qiáng)迫振動(dòng)。可以表示為x二工m sin t-二i橫坐標(biāo)，以'' '-m為縱坐標(biāo)，可以畫(huà)出關(guān)系圖,即為儀器的位移幅頻特性曲線。也可以將關(guān)系畫(huà)圖表示，得到傳感器的位移相頻特性曲線。，常用振動(dòng)傳感器運(yùn)動(dòng)量與電量的轉(zhuǎn)換原理及換算關(guān)系 1動(dòng)圈型磁電式速度拾振器對(duì)于中頻小位移的情況， 廣泛采用速度拾振器。 它的工作原理是：將它和被測(cè)振

3、動(dòng)體股 接在一起，使傳感器的軸線與測(cè)振方向一致；振動(dòng)體的振動(dòng)引起芯桿，線圈和阻尼杯運(yùn)動(dòng)， 由于線圈放在磁場(chǎng)中間，運(yùn)動(dòng)的線圈切割磁力線，使線圈中感生電動(dòng)勢(shì)。根據(jù)電磁學(xué)原理，這一電動(dòng)勢(shì)的大小為e=Blv 10-4（V）, v實(shí)際上就是芯桿、線圈以及阻尼杯所組成的質(zhì)量部件相對(duì)傳感器外殼的運(yùn)動(dòng)速度x，貝y e=Bl x io-4（v）.由于其在位移計(jì)條件下應(yīng)用，其質(zhì)量部件相對(duì)于外殼的位移應(yīng)為x=Ymsin（wt-.工）得 e=Bl 10-4wYmcos（wt-、；）這時(shí)假定振動(dòng)體的振動(dòng)為、.y = Y m sin t y =- m cos t可見(jiàn)，儀器輸出電動(dòng)勢(shì)的幅值與被測(cè)振動(dòng)的速度幅值成正比，相位落

4、后:O2, 壓電式加速度計(jì)受壓型結(jié)構(gòu)用一個(gè)預(yù)壓彈簧將一個(gè)質(zhì)量塊緊壓在兩片 （或多片）壓電晶體片上，主要由 預(yù)壓彈簧及晶體片本身的剛度儀器實(shí)現(xiàn)彈性元件的作用， 與質(zhì)量塊（由重金屬制成）組成一 個(gè)質(zhì)量彈簧系統(tǒng)。壓電晶片通常用鈦酸鋇，鋯鈦酸鉛等材料制成，此類晶片受有壓力面積上的壓力，A為受壓面積）作用時(shí)，晶體片的兩表面上就會(huì)產(chǎn)生電荷qa,電荷量和壓力成正比，即qa = RFF=oA川|川+ + + + +式中R為為與晶體切割方向和變形狀態(tài)有關(guān)的常數(shù)，稱為壓電常數(shù)， 單位為庫(kù)侖/牛頓壓電晶體也可以看成是一種電容器。若晶體片兩表面之間的電容為Ca，晶體厚度（電極面之間的間隔）為 3,介 電常數(shù)為

5、3;，電極面面積為 S,則c =_S ，則兩表面之0飛2*11 壓電效應(yīng)再將x的表達(dá)式代入，得間的電壓將為（開(kāi)路電壓）qaRUa = 一 =一 FCa Ca在受壓型結(jié)構(gòu)中，由于晶體片的剛度為k1,因此，當(dāng)質(zhì)量塊產(chǎn)生的位移為 x時(shí)，晶體片所受到的壓力將是F=k1x,代入得到 qa=Rk1x,ua=Rk1x/Ca1 2 2qa 二 RK2 （ 一 m）sin（ t-；）二 Sq（ m）sin（ t-；）= Qam Sin（ t-）Ua =字右®2Ym）sin® t - g） = Su® 2Ym） sin® t-可Ca :=U am sin（ t -；）3,伺

6、服式加速度傳感器圖去1-9伺服加遵庚傳感蠱原理圖當(dāng)質(zhì)量塊偏離平衡位置時(shí)，由敏感元件測(cè)出相對(duì)位 移，然后再通過(guò)伺服放大器和電磁作動(dòng)器產(chǎn)生與相對(duì)位 移成正比的電恢復(fù)力，使質(zhì)量塊返回平衡位置。與壓電、壓阻型加速度傳感器不同的是，伺服加速 度傳感器并不直接測(cè)量質(zhì)量塊的相對(duì)位移，而是由電磁 作動(dòng)器的電流來(lái)反映相對(duì)位移，從而測(cè)量基礎(chǔ)的振動(dòng)加 速度。當(dāng)慣性元件（質(zhì)量塊）偏離靜平衡位置（零位）時(shí), 由高增益放大器測(cè)出這一偏移，給出信號(hào)，該偏移信號(hào) 通過(guò)伺服放大器提供驅(qū)動(dòng)電流，由驅(qū)動(dòng)電流產(chǎn)生與偏移方向相反的電磁力，迫使質(zhì)量元件返回零位。LJ斷一里出電壓.出一增益調(diào)壓電阻°號(hào)接地*卜電源輸出電壓用電西負(fù)

7、線（1）被測(cè)加速度y通過(guò)傳感器的質(zhì)量彈簧系統(tǒng)，使質(zhì)量塊產(chǎn)生相對(duì)位移響應(yīng) 電回路開(kāi)路時(shí)有x;該過(guò)程中,mx ex kx = - my（2 ）位移檢測(cè)器將位移信號(hào)x變?yōu)殡妷盒盘?hào)u,其放大轉(zhuǎn)換系數(shù)為 A1u0 二 A1xa）放大得 Uo 二 Au：二 AAix（3）經(jīng)伺服放大器（放大倍數(shù)為由于輸出的電阻 R1比線圈電阻大得多，在回路中可近似的認(rèn)為經(jīng)過(guò)輸出電阻的電流為（4 ）伺服放大器輸出電流流經(jīng)線圈，與磁場(chǎng)作用,變?yōu)轵?qū)動(dòng)力，其轉(zhuǎn)換放大系數(shù)為A2UoAAiXRimx cx （k AA1A2Fe 二 AJ 二 AA A2 x R1）x - - my R（5）將磁場(chǎng)作用力加入到質(zhì)量塊的平衡方程中最后得至y

8、了 -mR訥+ 4匚02®/%）2孑七臨）U0A2 丿1+（心叫）22+4：0滄0）2°2 - 0 （IF 時(shí) 0 ）2*2 21 一（ 0）4 0（ 0）K AA" m mR0 2m2 mK 2三，常用振動(dòng)傳感器的主要技術(shù)指標(biāo)壓電式加速度計(jì)（1）靈敏度與頻響特性：分為電荷靈敏度QamVSSu和電壓靈敏度 標(biāo)定曲線共振頻率的 1/3可視為該加速度計(jì)的頻率使用上限。此時(shí)的誤差不會(huì)超過(guò) 1dB）。Uamm+12%（約SqCa（2）橫向靈敏度與方向特性：由于壓電材料的不均勻性，不規(guī)則性以及壓電片與金屬 零件間的不理想配合等原因，使壓電加速度計(jì)存在所謂的橫向靈敏度。（3）

9、質(zhì)量影響與動(dòng)態(tài)范圍：在一般大構(gòu)件的振動(dòng)測(cè)量中，可以不考慮加速度計(jì)附加質(zhì) 量對(duì)被測(cè)振動(dòng)量的影響。對(duì)質(zhì)量較小的結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)試時(shí)，在滿足靈敏度等技術(shù)參數(shù)的條件下， 盡量選用質(zhì)量小的傳感器，以減小傳感器附加質(zhì)量對(duì)被測(cè)振動(dòng)量值和被測(cè)結(jié)構(gòu)固有頻率的影響。在用于較輕結(jié)構(gòu)物的振動(dòng)測(cè)量而不能忽略傳感器附加質(zhì)量的影響時(shí)，可估計(jì)加速度計(jì)的附加質(zhì)量對(duì)被測(cè)加速度和被測(cè)結(jié)構(gòu)的共振頻率的影響。四，常用振動(dòng)傳感器的特點(diǎn)及使用時(shí)應(yīng)注意的事項(xiàng)。壓電式加速度計(jì)壓電式加速度計(jì)具有體積小、重量輕（一般重幾十克，最輕的甚至只有0.4克）、量程大（可達(dá)104g）、工作頻帶寬（本身固有頻率最高的可達(dá)105Hz以上）等優(yōu)點(diǎn)，是廣泛采用的振動(dòng)傳感

10、器器。根據(jù)各種測(cè)量要求，壓電式加速度計(jì)有多種型號(hào)可供選擇。在選擇和使用壓電式加速度計(jì)時(shí)，還應(yīng)注意以下各點(diǎn)：1,靈敏度和頻率范圍之間的矛盾。通常幾何尺寸較小的加速度計(jì)具有較高的固頻率， 因而具有較高的工作頻帶；但是幾何尺寸較小的加速度計(jì)其靈敏度也較低。2，注意安裝固定方法。加速度計(jì)的主軸方向應(yīng)與被側(cè)振動(dòng)方向一致。對(duì)于體積較小的 加速度計(jì)，做到這一點(diǎn)是必須十分仔細(xì)的。當(dāng)存在與主軸方向向垂直的振動(dòng)時(shí)，在保持主軸方向與被側(cè)振動(dòng)方向嚴(yán)格一致的同時(shí)，最好注意使橫向最小靈敏度方向與垂直振動(dòng)方向一 致。許多加速度計(jì)上用一紅點(diǎn)來(lái)標(biāo)明最小靈敏度方向。3, 接線電纜的固定。由于壓電式加速度計(jì)是高阻抗儀器，要特別注意防止所謂“噪聲干擾”。接線電纜受到動(dòng)力彎曲、壓縮、拉伸等作用時(shí)會(huì)引起導(dǎo)體和屏蔽之間的局部電容和 電荷的變化，從而形成“噪聲干擾”。因此，接線電纜要盡可能固定好，以避免相對(duì)運(yùn)動(dòng)。4, 避免接地回路。加速度計(jì)的安裝以及與前置放大器、分析儀等儀表的連接，若形成接地回路，則通過(guò)地回路壓降將影響測(cè)量效果，測(cè)量信號(hào)會(huì)混入“交流聲”。避免形成接地回路的方法是保證整