模塊振動檢測上課件

機、電類

《傳感器與檢測技術(shù)項目教程》

模塊七、振動檢測課件

統(tǒng)一書號：ISBN978-7-111-48817-0

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2015年2月第1版（作者：梁森、黃杭美、王明霄、王侃夫）12/21/20221機、電類

《傳感器與檢測技術(shù)項目教程》

模塊七、振動檢測本模塊介紹“振動”的基本概念、各種測振傳感器、激振的方法、各種激振器，簡要介紹頻譜圖、振動的頻譜分析，還介紹了MEMS加速度傳感器。內(nèi)容簡介今天是：12/21/202212/21/20222本模塊介紹“振動”的基本概念、各種測振傳感器、激振的方法、模塊七、振動檢測（上）目錄進入進入進入知識鏈接振動的基本概念項目一、測振傳感器項目二、振動的頻譜分析與故障診斷拓展閱讀MEMS加速度傳感器現(xiàn)在時間是：12:3212/21/20223模塊七、振動檢測（上）目錄進入進入進入知識鏈接知識鏈接振動的基本概念物體圍繞平衡位置作往復(fù)運動稱為振動。振動分類：機械振動（例如機床、電機、泵、風(fēng)機等運行時的振動）；土木結(jié)構(gòu)振動（房屋、橋梁等的振動）；運輸工具振動（汽車、飛機等的振動）以及地震、武器、爆炸引起的沖擊振動。12/21/20224知識鏈接振動的基本概念物體圍繞平衡位置作往復(fù)運動稱為振動一、振動的分類振動的類型：自由振動、受迫振動、自激振動、簡諧振動、周期振動、瞬態(tài)振動、隨機振動、單自由度系統(tǒng)振動、

多自由度系統(tǒng)振動、線性振動、非線性振動、低頻振動、中頻振動、高頻振動等。12/21/20225一、振動的分類振動的類型：自由振動、受迫振動、自激振動、簡諧表7-1機械振動的分類與特征分類名稱特征按振動產(chǎn)生的原因分類自由振動是系統(tǒng)受短暫的初始干擾或外部激振后，系統(tǒng)本身由彈性恢復(fù)力和慣性力所維持的振動。當(dāng)系統(tǒng)存在阻尼時，其振動幅度將逐漸衰減受迫振動由外界持續(xù)干擾引起和維持的振動，系統(tǒng)的振動頻率為激振頻率自激振動是在一定條件下，沒有外部激振力而僅由系統(tǒng)本身產(chǎn)生的交變力激發(fā)和維持的一種穩(wěn)定的周期性振動，其振動頻率接近于系統(tǒng)的固有頻率按振動的規(guī)

律分類簡諧振動振動量為時間的正弦或余弦函數(shù)，是最基本的機械振動形式，其他復(fù)雜的振動都可以看成多個簡諧振動的合成周期振動振動量為時間的周期性函數(shù)，可展開為一系列簡諧振動瞬態(tài)振動振動量為時間的非周期函數(shù)，一般在較短(幾個周期)的時間內(nèi)存在，是可用各種脈沖函數(shù)或衰減函數(shù)描述的振動12/21/20226表7-1機械振動的分類與特征分類名稱特征按振表7-1機械振動的分類與特征（續(xù)）分類名稱特征按系統(tǒng)的自由度分類單自由度系統(tǒng)振動用一個獨立變量就能表示的系統(tǒng)振動多自由度系統(tǒng)振動須用多個獨立變量表示的系統(tǒng)振動按系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的特性分類線性振動可以用常系數(shù)線性微分方程來描述，系統(tǒng)的慣性力、阻尼力和彈性力分別與振動加速度、速度和位移成正比非線性振動須用非線性微分方程來描述，微分方程中出現(xiàn)非線性項按振動的頻率分類低頻振動f≤10Hz的振動，旋轉(zhuǎn)機件的不平衡、機械變形等與位移成正比，主要利用位移傳感器來測量中頻振動10Hz＜f≤1000Hz的振動，振動噪聲與速度成正比，主要利用速度傳感器來測量高頻振動f＞1000Hz的振動，振動沖擊力及人體感覺與加速度成正比，主要利用加速度傳感器來測量12/21/20227表7-1機械振動的分類與特征（續(xù)）分類名稱特二、振動的描述與計算振動的基本參數(shù)：振動頻率、位移、速度、加速度、初相角來描述。振動頻率f指物體每秒振動循環(huán)的次數(shù)，單位是赫茲（Hz）。振動角頻率ω的單位為弧度/秒（rad/s）。振動頻率f的倒數(shù)稱振動周期，用T表示，T＝1/f，單位是秒(s)。振幅：物體離開平衡位置的最大位移的絕對值，用xm表示，單位是m、mm或μm。峰峰值（xpp）：整個振動歷程的正峰與負峰之間的差值。單峰值（xp）：正峰或負峰的最大值；有效值（xrms）:振幅的均方根值。簡諧振動時，單峰值等于峰峰值的1/2；有效值（xap或x）等于單峰值的0.707；平均值等于單峰值的0.637。12/21/20228二、振動的描述與計算振動的基本參數(shù)：振動頻率、位移、速度、加1．簡諧振動位移、速度、加速度的換算將簡諧振動的位移對時間t求導(dǎo)，可得振動速度；將速度對時間t求導(dǎo)（或?qū)ξ灰七M行二次求導(dǎo)），可得振動加速度。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——振動角頻率（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）。也可將簡諧振動的加速度a對時間積分，得到振動的速度v；再將振動速度v對時間積分（或?qū)⒓铀俣萢對時間雙重積分），可得振動的位移x。12/21/202291．簡諧振動位移、速度、加速度的換算將簡諧振動的位移對時間峰值=xm；峰峰值=2xm；有效值=0.707xm（峰值=1.414有效值）；平均值=0.637xm。簡諧振動的三個基本參數(shù)

12/21/202210峰值=xm；簡諧振動的三個基本參數(shù)12/17/2022圖7-2簡諧振動的位移、速度、加速度變化曲線例7-1彈簧振子的簡諧振動如圖7-3所示，彈簧振子在C、O、B間作無摩擦力、無阻尼的簡諧運動。O為平衡位置，C、B分別為負的和正的終止位置。已知B、C的距離為100mm，C→B運動的時間為1s，求：振動的周期T、頻率f和振幅xm。12/21/202211圖7-2簡諧振動的位移、速度、加速度變化曲線例7-1解振動的周期T等于彈簧振子從C→O→B→O→C的過程所經(jīng)歷的時間，所以

T=2tC→B=2×1s=2s，f=1/T=1/(2s)=0.5Hz

振幅xm等于C→O的距離，或O→B的距離，所以xm=100mm/2=50mm。12/21/202212解振動的周期T等于彈簧振子從C→O→B→O→C的過程所2．振動烈度與位移的換算振動速度的有效值稱為振動的烈度。振動烈度是以人可感覺到的0.071mm/s為起點，到71mm/s，共15個量級，相鄰兩個烈度量級的比值約為1.6（相差4dB）。（7-5）12/21/2022132．振動烈度與位移的換算振動速度的有效值稱為振動的烈度。12例7-2利用磁電速度傳感器測得振動烈度vF=4mm/s，測得旋轉(zhuǎn)機械的轉(zhuǎn)速n=3000r/min（即3000rpm），假設(shè)旋轉(zhuǎn)機械的振動只有與轉(zhuǎn)速成正比的基頻振動，求：旋轉(zhuǎn)機械的振幅峰峰值xpp為多少微米？解

該旋轉(zhuǎn)機械每旋轉(zhuǎn)一圈振動一次時的基頻f=n/60=(3000/60)Hz=50Hz如果旋轉(zhuǎn)機械的轉(zhuǎn)速n=1500r/min，在用速度測振儀測得相同的烈度時，振幅將增大一倍。12/21/202214例7-2利用磁電速度傳感器測得振動烈度vF=4mm/s，三、測振傳感器的分類按照振動檢測的目的，測振傳感器可分為兩大類：一類是測量設(shè)備在運行時的振動參量，檢測目的是了解被測對象的振動狀態(tài)、評定振動等級和尋找振源，以及進行監(jiān)測、識別、診斷和故障預(yù)估；另一類是對設(shè)備或部件進行某種激振，使其產(chǎn)生受迫振動，以便測得被測對象的振動力學(xué)參量或動態(tài)性能，如固有頻率、阻尼、阻抗、響應(yīng)和模態(tài)等。12/21/202215三、測振傳感器的分類按照振動檢測的目的，測振傳感器可分為兩大表7-2測振傳感器的種類及特點種類基本測量原理測量對象與測量范圍特點壓電式測振傳感器壓電效應(yīng)振動體的加速度1Hz~50kHz自發(fā)電式，現(xiàn)場不需要電源，上限頻率響應(yīng)高，體積小，不易損壞；標定困難渦流式測振傳感器電磁感應(yīng)定律與渦流效應(yīng)振動體的位移；0~10kHz非接觸式測量，標定和校驗比較容易；材料和溫度不同時，需要重新標定磁電式測振傳感器電磁感應(yīng)定律振動體的速度；0.1Hz~1kHz自發(fā)電式，通過微分或積分，可獲得簡諧振動的加速度值和位移值；線圈易損壞，輸出電壓的低頻率響應(yīng)應(yīng)及高頻率響應(yīng)應(yīng)均不好；用于振動速度檢測MEMS電容式加速度傳感器變極距式電容效應(yīng)振動體的加速度0Hz~10kHz體積小，集成度高，可同時測量三維振動；可用于汽車、手機、火箭、衛(wèi)星、鉆地炸彈等測振12/21/202216表7-2測振傳感器的種類及特點種類基本測量原理測量對1．絕對式和相對式測振傳感器（1）絕對式測振傳感器：將測振傳感器外殼固定在振動體待測點上，傳感器殼體的振動等于被測物的振動。傳感器的主要力學(xué)組件是慣性質(zhì)量塊及彈性體。在一定的頻率范圍內(nèi)，質(zhì)量塊相對于基座的運動，與位移、速度和加速度成正比。常見的絕對式測振傳感器有壓電式加速度計、電容式測振傳感器等。（2）相對式測振傳感器：將測振傳感器殼體固定在不動的支架上（也稱固定基準），傳感器的敏感元件靠近被測振動體表面，從而感受被測振動體表面的位移。也可以將傳感器中質(zhì)量很輕的“觸桿”與被測振動體接觸，觸桿與敏感元件形成相對振動。常見的相對式測振傳感器有渦流式加速度計及激光式測振傳感器等。12/21/2022171．絕對式和相對式測振傳感器（1）絕對式測振傳感器：將測振傳圖7-4旋轉(zhuǎn)機械的絕對式振動測量與相對式振動測量a）絕對式振動測量b）相對式振動測量12/21/202218圖7-4旋轉(zhuǎn)機械的絕對式振動測量與相對式振動測量a）絕對2．測振系統(tǒng)力學(xué)模型圖7-5測振系統(tǒng)力學(xué)模型1－振動體基座2－殼體3－阻尼器

4－慣性體

5－彈簧6－標尺阻尼衰減振動12/21/2022192．測振系統(tǒng)力學(xué)模型圖7-5測振系統(tǒng)力學(xué)模型阻尼衰減振動振幅測振系統(tǒng)力學(xué)模型彈簧振子的簡諧振動fffff12/21/202220振幅測振系統(tǒng)力學(xué)模型彈簧振子的簡諧振動fffff12/17/測振系統(tǒng)

力學(xué)模型分析在圖7-5所示的測振系統(tǒng)力學(xué)模型中，有質(zhì)量塊m、彈簧k、阻尼器c（包括彈性體的內(nèi)耗及彈性滯后），稱為慣性式測振系統(tǒng)。慣性式測振系統(tǒng)必須緊固在被測振動體A上。當(dāng)測振系統(tǒng)自身的固有振動頻率f0=(1/2π)√(K/m)，遠小于被測振動體A的振動頻率f，即f0≤5f時，質(zhì)量塊m相對于殼體的振動位移x‘將與被測振動體A的振動位移x成正比，這樣的測振傳感器稱為振幅計。1－振動體基座2－殼體

3－阻尼器4－慣性體5－彈簧

6－標尺12/21/202221測振系統(tǒng)

力學(xué)模型分析在圖7-5所示的測振系統(tǒng)力學(xué)模測振系統(tǒng)

力學(xué)模型

分析（續(xù)）當(dāng)f0≈f

、且阻尼c很大時，質(zhì)量塊m的振動位移x’將與被測振動體A的振動速度v成正比，這樣的測振傳感器稱為速度計，如電動式測振儀；當(dāng)f0≥5f時，質(zhì)量塊將與振動體A一起振動，質(zhì)量塊與被測振動體A所感受到的振動加速度基本一致，這樣的測振傳感器稱為加速度計。12/21/202222測振系統(tǒng)

力學(xué)模型

分析（續(xù)）當(dāng)f0≈f、且阻尼c項目一測振傳感器【項目教學(xué)目標】?知識目標1）了解壓電效應(yīng)及壓電元件。2）掌握電荷放大器的工作原理。3）了解渦流式測振傳感器的工作原理。4）了解磁電式測振傳感器的工作原理。?技能目標1）掌握壓電式測振傳感器的應(yīng)用。2）掌握振動設(shè)備的激振方法?；啬夸洭F(xiàn)在時間是：12:3212/21/202223項目一測振傳感器【項目教學(xué)目標】回目錄現(xiàn)在時間是：23:任務(wù)一壓電式加速度傳感器測量振動一、壓電效應(yīng)某些電介質(zhì)在沿一定方向上受到外力的作用而變形時，內(nèi)部會產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在其表面上產(chǎn)生電荷，當(dāng)外力去掉后，又重新回到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。反之，在電介質(zhì)的極化方向上施加交變電場或電壓，它會產(chǎn)生機械變形。去掉外加電場時，電介質(zhì)變形隨之消失，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)（電致伸縮效應(yīng)）。在晶體的彈性限度內(nèi)，壓電材料受力后，其表面產(chǎn)生的電荷Q與所施加的力Fx成正比，即：Q=dFx

（7-6）式中d——壓電常數(shù)。12/21/202224任務(wù)一壓電式加速度傳感器測量振動一、壓電效應(yīng)12/17/石英晶體的壓電效應(yīng)演示當(dāng)力的方向改變時，電荷的極性隨之改變，輸出電壓的頻率與動態(tài)力的頻率相同；當(dāng)施加靜態(tài)力時，在初始瞬間，產(chǎn)生與力成正比的電荷，但由于表面漏電，所產(chǎn)生的電荷很快泄漏，并消失。12/21/202225石英晶體的壓電效應(yīng)演示當(dāng)力的方向改變時，電荷的極性隨之改變，天然石英晶體外形12/21/202226天然石英晶體外形12/17/202226石英晶體的特性石英（SiO2）是一種具有良好壓電特性的壓電晶體。其介電常數(shù)和壓電系數(shù)的溫度穩(wěn)定性相當(dāng)好,在常溫范圍內(nèi)這兩個參數(shù)幾乎不隨溫度變化如下兩圖。在20～200℃范圍內(nèi)，溫度每升高1℃，壓電系數(shù)僅減少0.016％。但是當(dāng)?shù)?73℃時，它突然完全失去了壓電特性，這就是它的居里點。

石英的d11系數(shù)相對于20℃的d11溫度變化特性石英在高溫下相對介電常數(shù)的溫度特性12/21/202227石英晶體的特性石英（SiO2）是一種具有良好壓電特性的壓電晶天然石英晶體外形（續(xù)）12/21/202228天然石英晶體外形（續(xù)）12/17/202228石英晶體的切片12/21/202229石英晶體的切片12/17/202229石英晶體片及封裝石英晶體薄片雙面鍍銀并封裝12/21/202230石英晶體片及封裝石英晶體薄片雙面鍍銀并封裝12/17/202清代詩人蘇履吉贊頌鳴沙“雷送余音聲裊裊，風(fēng)生細響語喁喁”——鳴沙山上的逆壓電效應(yīng)鳴沙丘12/21/202231清代詩人蘇履吉贊頌鳴沙鳴沙丘12/17/202231交變外力作用在壓電元件上，可以產(chǎn)生交變的電荷Q，在上下鍍銀的表面上產(chǎn)生交變電壓。對壓電元件施加交變力，產(chǎn)生交變電荷壓電傳感器產(chǎn)生的交變電荷的變化頻率與交變力的頻率相同，等效于交變電荷源。12/21/202232交變外力作用在壓電元件上，可以產(chǎn)生交變的電荷Q，在上下鍍銀的二、壓電材料的分類及特性壓電傳感器中的壓電元件材料常用的有三類：一類是：壓電晶體（如上述的石英晶體）；第二類是：經(jīng)過極化處理的壓電陶瓷；第三類是：經(jīng)過極化處理的高分子壓電材料。12/21/202233二、壓電材料的分類及特性壓電傳感器中的壓電元件材料常用的壓電材料的

分類12/21/202234壓電材料的

分類12/17/202234（1）石英晶體的特性石英晶體在20～200℃的范圍內(nèi)壓電常數(shù)的變化量只有-0.0001/℃。還具有自振頻率高、動態(tài)響應(yīng)好、機械強度高、絕緣性能好、遲滯小、重復(fù)性好、線性范圍寬等優(yōu)點。石英晶體的不足之處是壓電常數(shù)較?。篸=2.3110-12C/N。因此石英晶體大多只在標準傳感器、高準確度傳感器或高溫壓電傳感器中使用，而在一般要求的測量中，基本上采用壓電陶瓷。12/21/202235（1）石英晶體的特性石英晶體在20～200℃的范圍內(nèi)壓電常數(shù)（2）壓電陶瓷壓電陶瓷是人工制造的多晶壓電材料，它比石英晶體的壓電靈敏度高得多，而制造成本卻較低，因此目前國內(nèi)外生產(chǎn)的壓電元件絕大多數(shù)都采用壓電陶瓷。常用的壓電陶瓷材料有鋯鈦酸鉛系列壓電陶瓷（PZT）及非鉛系壓電陶瓷(如BaTiO3等)。

12/21/202236（2）壓電陶瓷壓電陶瓷是人工制造的多晶壓電材料，它比壓電陶瓷外形

12/21/202237壓電陶瓷外形12/17/202237壓電陶瓷（多晶材料）的工作原理某些陶瓷粉末原料，經(jīng)1000℃以上高溫?zé)Y(jié)和機械加工，可以制成圓片或其他需要的形狀。燒結(jié)而成的壓電陶瓷由無數(shù)細微的電疇組成。在無外電場作用時，各個電疇在晶體中雜亂分布，它們的極化效應(yīng)被相互抵消了，因此原始的壓電陶瓷呈中性,不具有壓電性質(zhì)。為了使壓電陶瓷具有壓電效應(yīng)，必須在高溫下，用上千伏高電壓施加在上下極板上，進行極化處理，使電疇的方向趨向一致，冷卻后就具有壓電效應(yīng)。12/21/202238壓電陶瓷（多晶材料）的工作原理某些陶瓷粉末原料，經(jīng)1000℃壓電陶瓷的極化處理

a）極化處理前電疇雜亂分布b）在極化電壓下的電疇分布c）冷卻、穩(wěn)定后的電疇分布1－鍍銀上電極2－壓電陶瓷3－鍍銀下電極4－電疇5－極化高壓電源↑－細微的電疇極化方向12/21/202239壓電陶瓷的極化處理a）極化處理前電疇雜亂分布12/17壓電陶瓷極化的影響因素極化電場和極化溫度越高，促使電疇取向排列的作用越大，極化就越充分。常用壓電陶瓷材料的極化溫度取320~420℃，極化時間從幾分鐘到幾十分鐘。12/21/202240壓電陶瓷極化的影響因素極化電場和極化溫度越高，促使電疇取向排常用的壓電陶瓷材料（1）鋯鈦酸鉛系列壓電陶瓷（PZT）：是由鈦酸鉛和鋯酸鉛組成的固熔體。有較高的壓電常數(shù)[d＝（200～500）10-12C/N]。在上述材料中加入微量的鑭（La）、鈮（Nb）或銻（Sb）等，可以得到不同性能的PZT材料。（2）非鉛系壓電陶瓷：能減少制造過程中鉛對環(huán)境的污染。BaTiO3基無鉛壓電陶瓷、BNT基無鉛壓電陶瓷、鈮酸鹽基無鉛壓電陶瓷、鈦酸鉍鈉鉀無鉛壓電陶瓷、鈦酸鉍鍶鈣無鉛壓電陶瓷和鈦酸鋇鈣壓電陶瓷等，它們的多項性能都已超過含鉛系列壓電陶瓷，是今后壓電陶瓷的發(fā)展方向。12/21/202241常用的壓電陶瓷材料（1）鋯鈦酸鉛系列壓電陶瓷（PZT）：是由壓電陶瓷與石英晶體的特性比較12/21/202242壓電陶瓷與石英晶體的特性比較12/17/202242（3）高分子壓電材料典型的高分子壓電材料有聚偏二氟乙烯（PVF2或PVDF）、聚氟乙烯（PVF）、改性聚氯乙烯（PVC）等。它是一種柔軟的壓電材料，可根據(jù)需要制成薄膜或電纜套管等形狀。它不易破碎，具有防水性，可以大量連續(xù)拉制，制成較大面積或較長的尺度，價格便宜，頻率響應(yīng)范圍較寬，測量動態(tài)范圍可達80dB。12/21/202243（3）高分子壓電材料典型的高分子壓電材料有聚偏二氟乙烯（P高分子壓電材料簡述特點：柔性，密度低?？梢栽趲资⒚椎腜VDF壓電膜上，兩面蒸鍍金、銀等金屬電極，電極厚度約0.1μm，再層壓在0.125mm聚酯基片上，并制作兩個壓接端子，作為信號引腳。應(yīng)用：醫(yī)學(xué)測量脈動信號，例如：超聲診斷儀、血壓計、指脈膊計、心率計。工業(yè)中測量振動；機器人的觸覺傳感器、加速度傳感器等。軍事：水聲探測器、邊界振動報警、防盜報警系統(tǒng)等。12/21/202244高分子壓電材料簡述特點：柔性，密度低。12/17/2022高分子壓電材料的種類、加工典型的高分子壓電材料有聚偏二氟乙烯（PVF2或PVDF）、聚氟乙烯（PVF）、尼龍11等，輸出脈沖電壓可以直接驅(qū)動CMOS集成門電路。將PVDF樹脂加熱，用輥壓機壓制成膜或電纜套管。定向拉伸的溫度約為120℃，在拉伸薄膜的兩面蒸鍍金、銀等金屬電極，電極厚度為0.1μm。與壓電陶瓷類似，必須用高電壓進行極化處理。薄膜經(jīng)極化處理后，分子偶極子就趨向一致的方向，顯現(xiàn)出電壓特性。極化場強約5kV/mm，極化溫度為80~100℃，極化時間為30~60min。12/21/202245高分子壓電材料的種類、加工典型的高分子壓電材料有聚偏二氟乙烯高分子壓電薄膜及拉制、切片12/21/202246高分子壓電薄膜及拉制、切片12/17/202246高分子壓電材料的特性不易破碎，具有防水性，可以制成較大面積或較長的成品，因此價格便宜。其測量動態(tài)范圍可達80dB，頻率響應(yīng)范圍可從0.1Hz直至109Hz。工作溫度一般低于100℃。溫度升高時，靈敏度將降低。它的機械強度不夠高，耐紫外線能力較差，不宜暴曬，以免老化。12/21/202247高分子壓電材料的特性不易破碎，具有防水性，可以制成較大面積或高分子壓電材料制作的

壓電墊和壓電電纜

12/21/202248高分子壓電材料制作的

壓電墊和壓電電纜可用于波形分析及報警的高分子壓電踏腳板

12/21/202249可用于波形分析及報警的高分子壓電踏腳板壓電式腳踏報警器

12/21/202250壓電式腳踏報警器12/17/2022壓電式周界報警系統(tǒng)

（用于重要位置出入口、周界安全防護等）

將長的壓電電纜埋在泥土的淺表層，可起分布式地下麥克風(fēng)或聽音器的作用，可在幾十米范圍內(nèi)探測人的步行,對輪式或履帶式車輛也可以通過信號處理系統(tǒng)分辨出來。測量系統(tǒng)的輸出波形。12/21/202251壓電式周界報警系統(tǒng)

（用于重要位置出入口、周界安全防護等）交通監(jiān)測

（包括軸數(shù)、軸距、單雙輪胎）、車速監(jiān)測、收費站出、入口、闖紅燈拍照、停車區(qū)域監(jiān)控、交通數(shù)據(jù)信息采集（道路監(jiān)控）及機場滑行道等。

將高分子壓電電纜埋在公路上，可以獲取車型分類信息：12/21/202252交通監(jiān)測（包括軸數(shù)、軸距、單雙輪胎）、車速監(jiān)測、收費站出、高分子壓電電纜的應(yīng)用演示12/21/202253高分子壓電電纜的應(yīng)用演示12/17/202253壓電式動態(tài)力傳感器在車床中用于動態(tài)切削力的測量

一體化車刀動態(tài)力測量12/21/202254壓電式動態(tài)力傳感器在車床中用于動態(tài)切削力的測量三、電荷放大器壓電傳感器的輸出阻抗較大，要求電壓放大器具有較大的輸入阻抗。又由于壓電傳感器的輸出電壓與壓電片的極間電容Ca以及傳輸線的對地分布電容Cc有關(guān)，如果接入普通的電壓放大電路，將受到很多外界因素（主要是分布電容）的影響?，F(xiàn)在多采用“電荷放大器”來將壓電傳感器輸出的電荷轉(zhuǎn)換為電壓，屬于Q-U轉(zhuǎn)換器，但并無放大電荷的作用，只是一種習(xí)慣叫法。

12/21/202255三、電荷放大器壓電傳感器的輸出阻抗較大，要求電壓放大器具有較1．壓電元件的等效電路（圖7-8

）a）結(jié)構(gòu)示意圖b）壓電元件的符號c）壓電元件的等效電路1－鍍銀上電極2－壓電晶體3－鍍銀下電極12/21/2022561．壓電元件的等效電路（圖7-8）a）結(jié)構(gòu)示意圖b）壓電傳感器與二次儀表連接的等效電路Ci、Ri為放大器的輸入電容和輸入電阻12/21/202257壓電傳感器與二次儀表連接的等效電路Ci、Ri為放大器的輸2．與壓電式加速度計相匹配的前置放大器

——電荷放大器電荷放大器是一個具有反饋電容Cf的高增益運算放大器電路。當(dāng)放大器開環(huán)增益A和輸入電阻R

i、反饋電阻Rf（用于防止放大器的直流飽和）相當(dāng)大時，放大器的輸出電壓Uo正比于輸入電荷Q，反比于反饋電容Cf，而基本上與Cc、Ca、Ci無關(guān)：

（7-9）12/21/2022582．與壓電式加速度計相匹配的前置放大器

——電荷放大器電荷放電荷放大器電路（圖7-9）1－壓電傳感器2－屏蔽電纜線3－傳輸線分布電容4－電荷放大器SC－靈敏度選擇開關(guān)SR－帶寬選擇開關(guān)Cf′－Cf

在放大器輸入端的密勒等效電容

Cf″－Cf在放大器輸出端的密勒等效電容12/21/202259電荷放大器電路（圖7-9）1－壓電傳感器2－屏蔽電纜線電荷放大器兩級電路（放大圖）12/21/202260電荷放大器兩級電路（放大圖）12/17/202260電荷放大器的四級電路框圖有源巴特沃斯低通濾波器12/21/202261電荷放大器的四級電路框圖有源巴特沃斯12/17/202261壓電傳感器與電荷放大器及

后續(xù)儀表的連接12/21/202262壓電傳感器與電荷放大器及

后續(xù)儀表的連接12/17/20223．反饋電容和反饋電阻的選取當(dāng)被測振動較小時，電荷放大器的反饋電容C

f應(yīng)取得小一些，可以獲得較大的輸出電壓。電荷放大器的高頻截止頻率主要由運算放大器的電壓上升率和電纜引線電容決定。下限頻率fL由Rf與Cf的乘積決定。當(dāng)被測電荷信號的頻率下降到fL時，電荷放大器的輸出電壓降低到中頻時的1/√2，此時的下限頻率fL=1/(2πR

fC

f)。12/21/2022633．反饋電容和反饋電阻的選取當(dāng)被測振動較小時，電荷放大器的反電荷放大器的頻率特性.|1/Cf|12/21/202264電荷放大器的頻率特性.|1/Cf|1壓電傳感器只能應(yīng)用于動態(tài)測量由于外力作用在壓電元件上產(chǎn)生的電荷只有在無泄漏的情況下才能保存，即需要測量回路具有無限大的輸入阻抗，這實際上是不可能的，因此壓電式傳感器不能用于靜態(tài)測量。壓電元件在交變力的作用下，電荷可以不斷補充，可以供給測量回路以一定的電流，故只適用于動態(tài)測量（一般必須高于3Hz，但在30kHz以上時，靈敏度下降）。

12/21/202265壓電傳感器只能應(yīng)用于動態(tài)測量由于外力作用在壓電元件上產(chǎn)生的例7-3

某壓電元件用于測量振動，靈敏度d11=100×10-12C/N，電荷放大器的反饋電容Cf=1000pF，Rf=100MΩ，測得圖7-9中A1的輸出電壓Uo=0.2V，求：

1）壓電元件的輸出電荷量Q的有效值為多少皮庫倫？

2）被測振動力F的有效值為多少牛頓？

3）電荷放大器的靈敏度K為多少mV/pC？

4）電荷放大器的下限截止頻率為多少赫？解

1）壓電元件的輸出電荷量Q的有效值Q=CfUo=(1000×10-12×0.2)C=200pC2）被測振動力F的有效值3）電荷放大器的靈敏度4）電荷放大器的下限截止頻率12/21/202266例7-3某壓電元件用于測量振動，靈敏度d11=100×1四通道電荷放大器外形.12/21/202267四通道電荷放大器外形.12/17/202某電荷放大器的前后面板12/21/202268某電荷放大器的前后面板12/17/202268典型電荷放大器指標靈敏度：0.1～1000mV/pC可調(diào)；頻率范圍：0.3～100kHz；

噪聲(最大增益時)：折合至輸入端，小于5μV；

準確度：1%；最大輸出：±10V或10mA；

電

源：220V/50Hz；

控制方式：

計算機、遙控或手動。12/21/202269典型電荷放大器指標靈敏度：0.1～1000mV/pC可調(diào)超小型電荷放大器模塊靈敏度：1、10、100mV/pC（任選一檔）頻率范圍：0.3～100KHz（上、下限可選）噪聲(最大靈敏度)：輸出端小于1mV歸一化：電容調(diào)整線性誤差：1%最大輸出：±5V或±10V電

源：±15V特點：可組成經(jīng)濟的多點測試系統(tǒng)。主要性能指標:焊接式電荷放大器12/21/202270超小型電荷放大器模塊靈敏度：1、10、100mV/pC（其他電荷放大器外形面板式電荷放大器12/21/202271其他電荷放大器外形面板式電荷放大器12/17/202271多通道電荷放大器外形12/21/202272多通道電荷放大器外形12/17/202272四、壓電式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)及應(yīng)用1．壓電式加速度傳感器探頭當(dāng)壓電式加速度傳感器與被測振動的機件緊固在一起后，傳感器受機械運動的振動加速度作用，壓電晶片受到質(zhì)量塊慣性引起的交變力，其方向與振動加速度方向相反，大小由F=ma決定。慣性引起的壓力作用在壓電晶片上產(chǎn)生電荷。電荷由引出電極輸出，將振動加速度轉(zhuǎn)換成電參量。彈簧給壓電晶片施加預(yù)緊力。預(yù)緊力的大小基本不影響輸出電荷的大小。若預(yù)緊力不夠，而加速度又較大時，質(zhì)量塊將與壓電晶片敲擊碰撞；預(yù)緊力也不能太大，否則會引起壓電晶片的非線性誤差。12/21/202273四、壓電式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)及應(yīng)用1．壓電式加速度傳感器探頭圖7-10常用壓電式加速度傳感器探頭a）原理圖b）中心壓縮式c）環(huán)形剪切式d）三角剪切型e）外形1－基座2－引出電極3－壓電晶片4－質(zhì)量塊5－彈簧6－殼體7－固定螺孔8－夾持環(huán)常用的壓電式振動加速度傳感器12/21/202274圖7-10常用壓電式加速度傳感器探頭常用的壓電式振動加速1－基座2－引出電極3－壓電晶片4－質(zhì)量塊5－彈簧6－殼體7－固定螺孔8－夾持環(huán)常用的壓電式振動加速度傳感器（圖7-10）12/21/2022751－基座2－引出電極3－壓電晶片4－質(zhì)量塊常壓電式振動加速度傳感器的結(jié)構(gòu)及外形橫向振動測振器縱向振動測振器12/21/202276壓電式振動加速度傳感器的結(jié)構(gòu)及外形橫向振動測振器縱向振動測1典型壓電式振動加速度傳感器的特性參數(shù)12/21/2022771典型壓電式振動加速度傳感器的特性參數(shù)12/17/20227（1）靈敏度K：壓電式加速度傳感器的輸出為電荷量，以pC為單位（1pC=10-12C）。而輸入量為加速度，單位為m/s2,所以靈敏度以pC/ms-2為單位,或用重力加速度pC/g。靈敏度的范圍約為10～100pC/g。目前許多壓電加速度傳感器的輸出是電壓，所以靈敏度單位也可以為mV/g，通常為10～1000mV/g。（2）頻率范圍：常見的壓電加速度傳感器的頻率范圍為0.01Hz～20kHz。壓電振動加速度傳感器的性能指標12/21/202278（1）靈敏度K：壓電式加速度傳感器的輸出為電荷量，以pC為單（3）動態(tài)范圍：常用的測量范圍為0.1～100g，或1000m/s2。測量沖擊振動時應(yīng)選用100～10000g的高頻加速度傳感器；而測量橋梁、地基等微弱振動往往要選擇0.001～10g的高靈敏度低頻加速度傳感器。（4）線性度：測量頻率范圍內(nèi)，傳感器靈敏度在理論上應(yīng)為常數(shù)，即輸出信號與被測振動成正比。實際上傳感器只在一定幅值范圍保持線性特性，偏離比例常數(shù)的范圍稱為非線性，在規(guī)定線性度內(nèi)可測幅值范圍稱為線性范圍。壓電式傳感器約有1%左右的非線性誤差。壓電振動加速度傳感器的性能指標（續(xù)）12/21/202279（3）動態(tài)范圍：常用的測量范圍為0.1～100g，或1000某小型“內(nèi)裝IC的壓電加速度傳感器”

性能指標靈敏度：500mV/g

量程：10g

頻率范圍：4-4000Hz

安裝諧振點:15kHz

分辨力：0.0001g

重量：40g

安裝螺紋：M5

線性：≤1%12/21/202280某小型“內(nèi)裝IC的壓電加速度傳感器”

性能指標靈敏度：5002．壓電式加速度傳感器的組成圖7-11壓電式加速度傳感器原理圖將探頭測得加速度a進行積分，可以得到簡諧振動的速度v；二次積分，可以得到簡諧振動的位移x。12/21/2022812．壓電式加速度傳感器的組成圖7-11壓電式加速度傳感器圖7-12便攜壓電式加速度儀外形及顯示的頻譜圖1－量程選擇開關(guān)SC2－壓電傳感器輸入信號插座3－多路選擇開關(guān)

4－帶寬選擇開關(guān)SR

5－帶背光的點陣液晶頻譜顯示器6－電池盒7－可變角度支架12/21/202282圖7-12便攜壓電式加速度儀外形及顯示的頻譜圖1－量程選擇【電荷放大器參數(shù)填表訓(xùn)練】便攜壓電式加速度計面板如圖7-12所示，壓電探頭的靈敏度d11=100×10-12C/N=100pC/N，開關(guān)SR置于100MΩ檔位，fL=1/(2πR

fC

f)，請?zhí)顚懴卤?。輸入動態(tài)力F/N電荷量Q/pC開關(guān)SC位置輸出電壓Uo/V下限截止頻率fL/Hz1100pF111001000pF0.01μF0.10.16100100000.0161000.01μF112/21/202283【電荷放大器參數(shù)填表訓(xùn)練】便攜壓電式加速度計面板如圖7-123．壓電式加速度傳感器的主要技術(shù)特性（1）靈敏度K：壓電傳感器的輸出為電荷量，以pC為單位（1pC=10-12C）。而輸入量為加速度，單位為m/s2，靈敏度的單位是pC/ms-2。經(jīng)常用標準重力加速度g作為加速度的單位。靈敏度的范圍約為10～100pC/g?；騧V/g，通常為10～1000mV/g。靈敏度低的傳感器可用于動態(tài)范圍很寬的振動測量。而高靈敏度的壓電傳感器可用于測量微弱的振動。（2）頻率范圍：常見的壓電加速度傳感器的頻率范圍為0.1Hz～20kHz。圖7-1312/21/2022843．壓電式加速度傳感器的主要技術(shù)特性（1）靈敏度K：壓電壓電式加速度傳感器的主要技術(shù)特性（續(xù)）（3）動態(tài)范圍：常用的測量范圍為0.1～100g，或1000m/s2。測量沖擊振動時應(yīng)選用100～10000g的高頻加速度傳感器；而測量橋梁、地基等微弱振動往往要選擇0.001～10g的高靈敏度低頻加速度傳感器。（4）線性度：測量頻率范圍內(nèi)，傳感器靈敏度、輸出信號與被測振動加速度成正比，約有1%左右的誤差。（5）橫向靈敏度：理想的加速度傳感器對與該軸垂直的方向振動無反應(yīng)。橫向靈敏度通常用主軸靈敏度的百分比來表示。一般要求橫向靈敏度小于3%～5%。12/21/202285壓電式加速度傳感器的主要技術(shù)特性（續(xù)）（3）動態(tài)范圍：常用的4．壓電式振動加速度傳感器的安裝、使用方法圖7-14壓電式振動加速度傳感器的安裝、使用方法a）雙頭螺釘固定法

b）磁鐵吸附法

c）膠水粘結(jié)法

d）手持探針式法1－壓電式加速度傳感器2－雙頭螺釘3－磁鐵4－粘結(jié)劑5－頂針12/21/2022864．壓電式振動加速度傳感器的安裝、使用方法圖7-14壓電壓電加速度傳感器的使用手持式測振儀12/21/202287壓電加速度傳感器的使用手持式測振儀12/17/202287手持式壓電加速度傳感器聽診器12/21/202288手持式壓電加速度傳感器聽診器12/17/2022885．軸承振動檢測圖7-15壓電式加速度傳感器檢測軸承振動的安裝示意圖A－軸承的軸向振動加速度傳感器B－軸承的徑向振動加速度傳感器

C－殼體振動加速度傳感器12/21/2022895．軸承振動檢測圖7-15壓電式加速度12/17/2026．汽車發(fā)動機爆震檢測汽車發(fā)動機中的氣缸點火時刻必須十分精確。如果恰當(dāng)?shù)貙Ⅻc火時間提前一些，即有一個提前角（例如10度以內(nèi)），就可使汽缸中汽油與空氣的混合氣體得到充分燃燒，使扭矩增大，排污減少。但提前角太大時，就會產(chǎn)生沖擊波，發(fā)出尖銳的金屬敲擊聲，稱為爆震，可能使火花塞、活塞環(huán)熔化損壞，使缸蓋、連桿、曲軸等部件過載、變形。可用壓電傳感器檢測到爆震，并適當(dāng)延遲之。爆震波形12/21/2022906．汽車發(fā)動機爆震檢測汽車發(fā)動機中的氣缸點火時刻必須十分精確爆震測控原理（圖7-16）a）汽車爆震傳感器b）爆震波形c）爆震控制原理框圖12/21/202291爆震測控原理（圖7-16）a）汽車12/17/202291爆震測量壓電陶瓷加速度傳感器12/21/202292爆震測量壓電陶瓷12/17/202292休息一下拓展閱讀網(wǎng)絡(luò)資料列表網(wǎng)址：回目錄12/21/202293休息一下拓展閱讀網(wǎng)絡(luò)資料列表網(wǎng)址：http://www12/21/2022現(xiàn)在時間是：

12:32

休息一下！

12/21/20229412/17/2022現(xiàn)在時間是：23:33休息一下！機、電類

《傳感器與檢測技術(shù)項目教程》

模塊七、振動檢測課件

統(tǒng)一書號：ISBN978-7-111-48817-0

課程配套網(wǎng)站

或

2015年2月第1版（作者：梁森、黃杭美、王明霄、王侃夫）12/21/202295機、電類

《傳感器與檢測技術(shù)項目教程》

模塊七、振動檢測本模塊介紹“振動”的基本概念、各種測振傳感器、激振的方法、各種激振器，簡要介紹頻譜圖、振動的頻譜分析，還介紹了MEMS加速度傳感器。內(nèi)容簡介今天是：12/21/202212/21/202296本模塊介紹“振動”的基本概念、各種測振傳感器、激振的方法、模塊七、振動檢測（上）目錄進入進入進入知識鏈接振動的基本概念項目一、測振傳感器項目二、振動的頻譜分析與故障診斷拓展閱讀MEMS加速度傳感器現(xiàn)在時間是：12:3212/21/202297模塊七、振動檢測（上）目錄進入進入進入知識鏈接知識鏈接振動的基本概念物體圍繞平衡位置作往復(fù)運動稱為振動。振動分類：機械振動（例如機床、電機、泵、風(fēng)機等運行時的振動）；土木結(jié)構(gòu)振動（房屋、橋梁等的振動）；運輸工具振動（汽車、飛機等的振動）以及地震、武器、爆炸引起的沖擊振動。12/21/202298知識鏈接振動的基本概念物體圍繞平衡位置作往復(fù)運動稱為振動一、振動的分類振動的類型：自由振動、受迫振動、自激振動、簡諧振動、周期振動、瞬態(tài)振動、隨機振動、單自由度系統(tǒng)振動、

多自由度系統(tǒng)振動、線性振動、非線性振動、低頻振動、中頻振動、高頻振動等。12/21/202299一、振動的分類振動的類型：自由振動、受迫振動、自激振動、簡諧表7-1機械振動的分類與特征分類名稱特征按振動產(chǎn)生的原因分類自由振動是系統(tǒng)受短暫的初始干擾或外部激振后，系統(tǒng)本身由彈性恢復(fù)力和慣性力所維持的振動。當(dāng)系統(tǒng)存在阻尼時，其振動幅度將逐漸衰減受迫振動由外界持續(xù)干擾引起和維持的振動，系統(tǒng)的振動頻率為激振頻率自激振動是在一定條件下，沒有外部激振力而僅由系統(tǒng)本身產(chǎn)生的交變力激發(fā)和維持的一種穩(wěn)定的周期性振動，其振動頻率接近于系統(tǒng)的固有頻率按振動的規(guī)

律分類簡諧振動振動量為時間的正弦或余弦函數(shù)，是最基本的機械振動形式，其他復(fù)雜的振動都可以看成多個簡諧振動的合成周期振動振動量為時間的周期性函數(shù)，可展開為一系列簡諧振動瞬態(tài)振動振動量為時間的非周期函數(shù)，一般在較短(幾個周期)的時間內(nèi)存在，是可用各種脈沖函數(shù)或衰減函數(shù)描述的振動12/21/2022100表7-1機械振動的分類與特征分類名稱特征按振表7-1機械振動的分類與特征（續(xù)）分類名稱特征按系統(tǒng)的自由度分類單自由度系統(tǒng)振動用一個獨立變量就能表示的系統(tǒng)振動多自由度系統(tǒng)振動須用多個獨立變量表示的系統(tǒng)振動按系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的特性分類線性振動可以用常系數(shù)線性微分方程來描述，系統(tǒng)的慣性力、阻尼力和彈性力分別與振動加速度、速度和位移成正比非線性振動須用非線性微分方程來描述，微分方程中出現(xiàn)非線性項按振動的頻率分類低頻振動f≤10Hz的振動，旋轉(zhuǎn)機件的不平衡、機械變形等與位移成正比，主要利用位移傳感器來測量中頻振動10Hz＜f≤1000Hz的振動，振動噪聲與速度成正比，主要利用速度傳感器來測量高頻振動f＞1000Hz的振動，振動沖擊力及人體感覺與加速度成正比，主要利用加速度傳感器來測量12/21/2022101表7-1機械振動的分類與特征（續(xù)）分類名稱特二、振動的描述與計算振動的基本參數(shù)：振動頻率、位移、速度、加速度、初相角來描述。振動頻率f指物體每秒振動循環(huán)的次數(shù)，單位是赫茲（Hz）。振動角頻率ω的單位為弧度/秒（rad/s）。振動頻率f的倒數(shù)稱振動周期，用T表示，T＝1/f，單位是秒(s)。振幅：物體離開平衡位置的最大位移的絕對值，用xm表示，單位是m、mm或μm。峰峰值（xpp）：整個振動歷程的正峰與負峰之間的差值。單峰值（xp）：正峰或負峰的最大值；有效值（xrms）:振幅的均方根值。簡諧振動時，單峰值等于峰峰值的1/2；有效值（xap或x）等于單峰值的0.707；平均值等于單峰值的0.637。12/21/2022102二、振動的描述與計算振動的基本參數(shù)：振動頻率、位移、速度、加1．簡諧振動位移、速度、加速度的換算將簡諧振動的位移對時間t求導(dǎo)，可得振動速度；將速度對時間t求導(dǎo)（或?qū)ξ灰七M行二次求導(dǎo)），可得振動加速度。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——振動角頻率（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）。也可將簡諧振動的加速度a對時間積分，得到振動的速度v；再將振動速度v對時間積分（或?qū)⒓铀俣萢對時間雙重積分），可得振動的位移x。12/21/20221031．簡諧振動位移、速度、加速度的換算將簡諧振動的位移對時間峰值=xm；峰峰值=2xm；有效值=0.707xm（峰值=1.414有效值）；平均值=0.637xm。簡諧振動的三個基本參數(shù)

12/21/2022104峰值=xm；簡諧振動的三個基本參數(shù)12/17/2022圖7-2簡諧振動的位移、速度、加速度變化曲線例7-1彈簧振子的簡諧振動如圖7-3所示，彈簧振子在C、O、B間作無摩擦力、無阻尼的簡諧運動。O為平衡位置，C、B分別為負的和正的終止位置。已知B、C的距離為100mm，C→B運動的時間為1s，求：振動的周期T、頻率f和振幅xm。12/21/2022105圖7-2簡諧振動的位移、速度、加速度變化曲線例7-1解振動的周期T等于彈簧振子從C→O→B→O→C的過程所經(jīng)歷的時間，所以

T=2tC→B=2×1s=2s，f=1/T=1/(2s)=0.5Hz

振幅xm等于C→O的距離，或O→B的距離，所以xm=100mm/2=50mm。12/21/2022106解振動的周期T等于彈簧振子從C→O→B→O→C的過程所2．振動烈度與位移的換算振動速度的有效值稱為振動的烈度。振動烈度是以人可感覺到的0.071mm/s為起點，到71mm/s，共15個量級，相鄰兩個烈度量級的比值約為1.6（相差4dB）。（7-5）12/21/20221072．振動烈度與位移的換算振動速度的有效值稱為振動的烈度。12例7-2利用磁電速度傳感器測得振動烈度vF=4mm/s，測得旋轉(zhuǎn)機械的轉(zhuǎn)速n=3000r/min（即3000rpm），假設(shè)旋轉(zhuǎn)機械的振動只有與轉(zhuǎn)速成正比的基頻振動，求：旋轉(zhuǎn)機械的振幅峰峰值xpp為多少微米？解

該旋轉(zhuǎn)機械每旋轉(zhuǎn)一圈振動一次時的基頻f=n/60=(3000/60)Hz=50Hz如果旋轉(zhuǎn)機械的轉(zhuǎn)速n=1500r/min，在用速度測振儀測得相同的烈度時，振幅將增大一倍。12/21/2022108例7-2利用磁電速度傳感器測得振動烈度vF=4mm/s，三、測振傳感器的分類按照振動檢測的目的，測振傳感器可分為兩大類：一類是測量設(shè)備在運行時的振動參量，檢測目的是了解被測對象的振動狀態(tài)、評定振動等級和尋找振源，以及進行監(jiān)測、識別、診斷和故障預(yù)估；另一類是對設(shè)備或部件進行某種激振，使其產(chǎn)生受迫振動，以便測得被測對象的振動力學(xué)參量或動態(tài)性能，如固有頻率、阻尼、阻抗、響應(yīng)和模態(tài)等。12/21/2022109三、測振傳感器的分類按照振動檢測的目的，測振傳感器可分為兩大表7-2測振傳感器的種類及特點種類基本測量原理測量對象與測量范圍特點壓電式測振傳感器壓電效應(yīng)振動體的加速度1Hz~50kHz自發(fā)電式，現(xiàn)場不需要電源，上限頻率響應(yīng)高，體積小，不易損壞；標定困難渦流式測振傳感器電磁感應(yīng)定律與渦流效應(yīng)振動體的位移；0~10kHz非接觸式測量，標定和校驗比較容易；材料和溫度不同時，需要重新標定磁電式測振傳感器電磁感應(yīng)定律振動體的速度；0.1Hz~1kHz自發(fā)電式，通過微分或積分，可獲得簡諧振動的加速度值和位移值；線圈易損壞，輸出電壓的低頻率響應(yīng)應(yīng)及高頻率響應(yīng)應(yīng)均不好；用于振動速度檢測MEMS電容式加速度傳感器變極距式電容效應(yīng)振動體的加速度0Hz~10kHz體積小，集成度高，可同時測量三維振動；可用于汽車、手機、火箭、衛(wèi)星、鉆地炸彈等測振12/21/2022110表7-2測振傳感器的種類及特點種類基本測量原理測量對1．絕對式和相對式測振傳感器（1）絕對式測振傳感器：將測振傳感器外殼固定在振動體待測點上，傳感器殼體的振動等于被測物的振動。傳感器的主要力學(xué)組件是慣性質(zhì)量塊及彈性體。在一定的頻率范圍內(nèi)，質(zhì)量塊相對于基座的運動，與位移、速度和加速度成正比。常見的絕對式測振傳感器有壓電式加速度計、電容式測振傳感器等。（2）相對式測振傳感器：將測振傳感器殼體固定在不動的支架上（也稱固定基準），傳感器的敏感元件靠近被測振動體表面，從而感受被測振動體表面的位移。也可以將傳感器中質(zhì)量很輕的“觸桿”與被測振動體接觸，觸桿與敏感元件形成相對振動。常見的相對式測振傳感器有渦流式加速度計及激光式測振傳感器等。12/21/20221111．絕對式和相對式測振傳感器（1）絕對式測振傳感器：將測振傳圖7-4旋轉(zhuǎn)機械的絕對式振動測量與相對式振動測量a）絕對式振動測量b）相對式振動測量12/21/2022112圖7-4旋轉(zhuǎn)機械的絕對式振動測量與相對式振動測量a）絕對2．測振系統(tǒng)力學(xué)模型圖7-5測振系統(tǒng)力學(xué)模型1－振動體基座2－殼體3－阻尼器

4－慣性體

5－彈簧6－標尺阻尼衰減振動12/21/20221132．測振系統(tǒng)力學(xué)模型圖7-5測振系統(tǒng)力學(xué)模型阻尼衰減振動振幅測振系統(tǒng)力學(xué)模型彈簧振子的簡諧振動fffff12/21/2022114振幅測振系統(tǒng)力學(xué)模型彈簧振子的簡諧振動fffff12/17/測振系統(tǒng)

力學(xué)模型分析在圖7-5所示的測振系統(tǒng)力學(xué)模型中，有質(zhì)量塊m、彈簧k、阻尼器c（包括彈性體的內(nèi)耗及彈性滯后），稱為慣性式測振系統(tǒng)。慣性式測振系統(tǒng)必須緊固在被測振動體A上。當(dāng)測振系統(tǒng)自身的固有振動頻率f0=(1/2π)√(K/m)，遠小于被測振動體A的振動頻率f，即f0≤5f時，質(zhì)量塊m相對于殼體的振動位移x‘將與被測振動體A的振動位移x成正比，這樣的測振傳感器稱為振幅計。1－振動體基座2－殼體

3－阻尼器4－慣性體5－彈簧

6－標尺12/21/2022115測振系統(tǒng)

力學(xué)模型分析在圖7-5所示的測振系統(tǒng)力學(xué)模測振系統(tǒng)

力學(xué)模型

分析（續(xù)）當(dāng)f0≈f

、且阻尼c很大時，質(zhì)量塊m的振動位移x’將與被測振動體A的振動速度v成正比，這樣的測振傳感器稱為速度計，如電動式測振儀；當(dāng)f0≥5f時，質(zhì)量塊將與振動體A一起振動，質(zhì)量塊與被測振動體A所感受到的振動加速度基本一致，這樣的測振傳感器稱為加速度計。12/21/2022116測振系統(tǒng)

力學(xué)模型

分析（續(xù)）當(dāng)f0≈f、且阻尼c項目一測振傳感器【項目教學(xué)目標】?知識目標1）了解壓電效應(yīng)及壓電元件。2）掌握電荷放大器的工作原理。3）了解渦流式測振傳感器的工作原理。4）了解磁電式測振傳感器的工作原理。?技能目標1）掌握壓電式測振傳感器的應(yīng)用。2）掌握振動設(shè)備的激振方法?；啬夸洭F(xiàn)在時間是：12:3212/21/2022117項目一測振傳感器【項目教學(xué)目標】回目錄現(xiàn)在時間是：23:任務(wù)一壓電式加速度傳感器測量振動一、壓電效應(yīng)某些電介質(zhì)在沿一定方向上受到外力的作用而變形時，內(nèi)部會產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在其表面上產(chǎn)生電荷，當(dāng)外力去掉后，又重新回到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。反之，在電介質(zhì)的極化方向上施加交變電場或電壓，它會產(chǎn)生機械變形。去掉外加電場時，電介質(zhì)變形隨之消失，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)（電致伸縮效應(yīng)）。在晶體的彈性限度內(nèi)，壓電材料受力后，其表面產(chǎn)生的電荷Q與所施加的力Fx成正比，即：Q=dFx

（7-6）式中d——壓電常數(shù)。12/21/2022118任務(wù)一壓電式加速度傳感器測量振動一、壓電效應(yīng)12/17/石英晶體的壓電效應(yīng)演示當(dāng)力的方向改變時，電荷的極性隨之改變，輸出電壓的頻率與動態(tài)力的頻率相同；當(dāng)施加靜態(tài)力時，在初始瞬間，產(chǎn)生與力成正比的電荷，但由于表面漏電，所產(chǎn)生的電荷很快泄漏，并消失。12/21/2022119石英晶體的壓電效應(yīng)演示當(dāng)力的方向改變時，電荷的極性隨之改變，天然石英晶體外形12/21/2022120天然石英晶體外形12/17/202226石英晶體的特性石英（SiO2）是一種具有良好壓電特性的壓電晶體。其介電常數(shù)和壓電系數(shù)的溫度穩(wěn)定性相當(dāng)好,在常溫范圍內(nèi)這兩個參數(shù)幾乎不隨溫度變化如下兩圖。在20～200℃范圍內(nèi)，溫度每升高1℃，壓電系數(shù)僅減少0.016％。但是當(dāng)?shù)?73℃時，它突然完全失去了壓電特性，這就是它的居里點。

石英的d11系數(shù)相對于20℃的d11溫度變化特性石英在高溫下相對介電常數(shù)的溫度特性12/21/2022121石英晶體的特性石英（SiO2）是一種具有良好壓電特性的壓電晶天然石英晶體外形（續(xù)）12/21/2022122天然石英晶體外形（續(xù)）12/17/202228石英晶體的切片12/21/2022123石英晶體的切片12/17/202229石英晶體片及封裝石英晶體薄片雙面鍍銀并封裝12/21/2022124石英晶體片及封裝石英晶體薄片雙面鍍銀并封裝12/17/202清代詩人蘇履吉贊頌鳴沙“雷送余音聲裊裊，風(fēng)生細響語喁喁”——鳴沙山上的逆壓電效應(yīng)鳴沙丘12/21/2022125清代詩人蘇履吉贊頌鳴沙鳴沙丘12/17/202231交變外力作用在壓電元件上，可以產(chǎn)生交變的電荷Q，在上下鍍銀的表面上產(chǎn)生交變電壓。對壓電元件施加交變力，產(chǎn)生交變電荷壓電傳感器產(chǎn)生的交變電荷的變化頻率與交變力的頻率相同，等效于交變電荷源。12/21/2022126交變外力作用在壓電元件上，可以產(chǎn)生交變的電荷Q，在上下鍍銀的二、壓電材料的分類及特性壓電傳感器中的壓電元件材料常用的有三類：一類是：壓電晶體（如上述的石英晶體）；第二類是：經(jīng)過極化處理的壓電陶瓷；第三類是：經(jīng)過極化處理的高分子壓電材料。12/21/2022127二、壓電材料的分類及特性壓電傳感器中的壓電元件材料常用的壓電材料的

分類12/21/2022128壓電材料的

分類12/17/202234（1）石英晶體的特性石英晶體在20～200℃的范圍內(nèi)壓電常數(shù)的變化量只有-0.0001/℃。還具有自振頻率高、動態(tài)響應(yīng)好、機械強度高、絕緣性能好、遲滯小、重復(fù)性好、線性范圍寬等優(yōu)點。石英晶體的不足之處是壓電常數(shù)較?。篸=2.3110-12C/N。因此石英晶體大多只在標準傳感器、高準確度傳感器或高溫壓電傳感器中使用，而在一般要求的測量中，基本上采用壓電陶瓷。12/21/2022129（1）石英晶體的特性石英晶體在20～200℃的范圍內(nèi)壓電常數(shù)（2）壓電陶瓷壓電陶瓷是人工制造的多晶壓電材料，它比石英晶體的壓電靈敏度高得多，而制造成本卻較低，因此目前國內(nèi)外生產(chǎn)的壓電元件絕大多數(shù)都采用壓電陶瓷。常用的壓電陶瓷材料有鋯鈦酸鉛系列壓電陶瓷（PZT）及非鉛系壓電陶瓷(如BaTiO3等)。

12/21/2022130（2）壓電陶瓷壓電陶瓷是人工制造的多晶壓電材料，它比壓電陶瓷外形

12/21/2022131壓電陶瓷外形12/17/202237壓電陶瓷（多晶材料）的工作原理某些陶瓷粉末原料，經(jīng)1000℃以上高溫?zé)Y(jié)和機械加工，可以制成圓片或其他需要的形狀。燒結(jié)而成的壓電陶瓷由無數(shù)細微的電疇組成。在無外電場作用時，各個電疇在晶體中雜亂分布，它們的極化效應(yīng)被相互抵消了，因此原始的壓電陶瓷呈中性,不具有壓電性質(zhì)。為了使壓電陶瓷具有壓電效應(yīng)，必須在高溫下，用上千伏高電壓施加在上下極板上，進行極化處理，使電疇的方向趨向一致，冷卻后就具有壓電效應(yīng)。12/21/2022132壓電陶瓷（多晶材料）的工作原理某些陶瓷粉末原料，經(jīng)1000℃壓電陶瓷的極化處理

a）極化處理前電疇雜亂分布b）在極化電壓下的電疇分布c）冷卻、穩(wěn)定后的電疇分布1－鍍銀上電極2－壓電陶瓷3－鍍銀下電極4－電疇5－極化高壓電源↑－細微的電疇極化方向12/21/2022133壓電陶瓷的極化處理a）極化處理前電疇雜亂分布12/17壓電陶瓷極化的影響因素極化電場和極化溫度越高，促使電疇取向排列的作用越大，極化就越充分。常用壓電陶瓷材料的極化溫度取320~420℃，極化時間從幾分鐘到幾十分鐘。12/21/2022134壓電陶瓷極化的影響因素極化電場和極化溫度越高，促使電疇取向排常用的壓電陶瓷材料（1）鋯鈦酸鉛系列壓電陶瓷（PZT）：是由鈦酸鉛和鋯酸鉛組成的固熔體。有較高的壓電常數(shù)[d＝（200～500）10-12C/N]。在上述材料中加入微量的鑭（La）、鈮（Nb）或銻（Sb）等，可以得到不同性能的PZT材料。（2）非鉛系壓電陶瓷：能減少制造過程中鉛對環(huán)境的污染。BaTiO3基無鉛壓電陶瓷、BNT基無鉛壓電陶瓷、鈮酸鹽基無鉛壓電陶瓷、鈦酸鉍鈉鉀無鉛壓電陶瓷、鈦酸鉍鍶鈣無鉛壓電陶瓷和鈦酸鋇鈣壓電陶瓷等，它們的多項性能都已超過含鉛系列壓電陶瓷，是今后壓電陶瓷的發(fā)展方向。12/21/2022135常用的壓電陶瓷材料（1）鋯鈦酸鉛系列壓電陶瓷（PZT）：是由壓電陶瓷與石英晶體的特性比較12/21/2022136壓電陶瓷與石英晶體的特性比較12/17/202242（3）高分子壓電材料典型的高分子壓電材料有聚偏二氟乙烯（PVF2或PVDF）、聚氟乙烯（PVF）、改性聚氯乙烯（PVC）等。它是一種柔軟的壓電材料，可根據(jù)需要制成薄膜或電纜套管等形狀。它不易破碎，具有防水性，可以大量連續(xù)拉制，制成較大面積或較長的尺度，價格便宜，頻率響應(yīng)范圍較寬，測量動態(tài)范圍可達80dB。12/21/2022137（3）高分子壓電材料典型的高分子壓電材料有聚偏二氟乙烯（P高分子壓電材料簡述特點：柔性，密度低?？梢栽趲资⒚椎腜VDF壓電膜上，兩面蒸鍍金、銀等金屬電極，電極厚度約0.1μm，再層壓在0.125mm聚酯基片上，并制作兩個壓接端子，作為信號引腳。應(yīng)用：醫(yī)學(xué)測量脈動信號，例如：超聲診斷儀、血壓計、指脈膊計、心率計。工業(yè)中測量振動；機器人的觸覺傳感器、加速度傳感器等。軍事：水聲探測器、邊界振動報警、防盜報警系統(tǒng)等。12/21/2022138高分子壓電材料簡述特點：柔性，密度低。12/17/2022高分子壓電材料的種類、加工典型的高分子壓電材料有聚偏二氟乙烯（PVF2或PVDF）、聚氟乙烯（PVF）、尼龍11等，輸出脈沖電壓可以直接驅(qū)動CMOS集成門電路。將PVDF樹脂加熱，用輥壓機壓制成膜或電纜套管。定向拉伸的溫度約為120℃，在拉伸薄膜的兩面蒸鍍金、銀等金屬電極，電極厚度為0.1μm。與壓電陶瓷類似，必須用高電壓進行極化處理。薄膜經(jīng)極化處理后，分子偶極子就趨向一致的方向，顯現(xiàn)出電壓特性。極化場強約5kV/mm，極化溫度為80~100℃，極化時間為30~60min。12/21/2022139高分子壓電材料的種類、加工典型的高分子壓電材料有聚偏二氟乙烯高分子壓電薄膜及拉制、切片12/21/2022140高分子壓電薄膜及拉制、切片12/17/202246高分子壓電材料的特性不易破碎，具有防水性，可以制成較大面積或較長的成品，因此價格便宜。其測量動態(tài)范圍可達80dB，頻率響應(yīng)范圍可從0.1Hz直至109Hz。工作溫度一般低于100℃。溫度升高時，靈敏度將降低。它的機械強度不夠高，耐紫外線能力較差，不宜暴曬，以免老化。12/21/2022141高分子壓電材料的特性不易破碎，具有防水性，可以制成較大面積或高分子壓電材料制作的

壓電墊和壓電電纜

12/21/2022142高分子壓電材料制作的

壓電墊和壓電電纜可用于波形分析及報警的高分子壓電踏腳板

12/21/2022143可用于波形分析及報警的高分子壓電踏腳板壓電式腳踏報警器

12/21/2022144壓電式腳踏報警器12/17/2022壓電式周界報警系統(tǒng)

（用于重要位置出入口、周界安全防護等）

將長的壓電電纜埋在泥土的淺表層，可起分布式地下麥克風(fēng)或聽音器的作用，可在幾十米范圍內(nèi)探測人的步行,對輪式或履帶式車輛也可以通過信號處理系統(tǒng)分辨出來。測量系統(tǒng)的輸出波形。12/21/2022145壓電式周界報警系統(tǒng)

（用于重要位置出入口、周界安全防護等）交通監(jiān)測

（包括軸數(shù)、軸距、單雙輪胎）、車速監(jiān)測、收費站出、入口、闖紅燈拍照、停車區(qū)域監(jiān)控、交通數(shù)據(jù)信息采集（道路監(jiān)控）及機場滑行道等。

將高分子壓電電纜埋在公路上，可以獲取車型分類信息：12/21/2022146交通監(jiān)測（包括軸數(shù)、軸距、單雙輪胎）、車速監(jiān)測、收費站出、高分子壓電電纜的應(yīng)用演示12/21/2