第三章振動信號測取技術(shù)

第三章振動信號測取技術(shù)安徽科技學(xué)院目錄傳感器概述振動傳感器分類

常用傳感器

傳感器概述傳感器:是指直接作用于被測量，并能按一定規(guī)律將其轉(zhuǎn)換成同種或別種量值輸出的器件。傳感器處于測試裝置的輸入端，其性能將直接影響著整個測試裝置的工作質(zhì)量。接觸型（如微動開關(guān)、行程開關(guān)、接觸開關(guān)）非接觸型（如光電開關(guān)、接近開關(guān)）傳感器的分類

代碼型（如旋轉(zhuǎn)編碼器、磁尺等）計(jì)數(shù)型（二值＋計(jì)數(shù)器）數(shù)字型電感、電容型（如電感、電容式位移傳感器）電壓、電流型（如熱電偶、光電池等）電阻型（如電位器、電阻應(yīng)變片等）模擬型開關(guān)型(二值型)傳感器傳感器的基本特性

傳感器的基本特性通常分為靜態(tài)特性和動態(tài)特性靜態(tài)特性 靈敏度 線性度 遲滯 重復(fù)性 漂移 分辨力動態(tài)特性 瞬態(tài)響應(yīng)特性 頻率響應(yīng)特性靜態(tài)特性參數(shù)傳感器靜態(tài)特性數(shù)學(xué)模型a0━零位輸出a1━線性靈敏度a2～

an━非線性系數(shù)理想情況下：特性無線性關(guān)系情況下：相對靈敏度：

在相同測量精度要求下，被測量越小，要求的絕對靈敏度越高，相對靈敏度沒有變化。靜態(tài)靈敏度的確定1、靈敏度指傳感器的實(shí)際輸入輸出特性曲線對于理想線性輸入輸出特性的接近或偏離程度。－滿量程；－最大偏差。xy0圖2-3線性度示意圖實(shí)際工作曲線理想工作曲線YFSΔLmax2、非線性（線性度）表征正行程與反行程靜態(tài)特性的不一致程度。—各標(biāo)定點(diǎn)上正、反行程輸出平均值之間的最大偏差正行程工作曲線反行程工作曲線y0ΔHmaxx遲滯示意圖YFS3、遲滯性

傳感器在同一工作條件下，按同一方向作全量程多次測量時，對于同一個激勵量，其測量結(jié)果的不一致程度。?R—同一激勵量對應(yīng)多次循環(huán)的同向行程響應(yīng)量的絕對誤差xy

ΔR0重復(fù)性示意圖4、重復(fù)性重復(fù)性指標(biāo)定值的分散性，是一種隨機(jī)誤差。可根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)偏差來計(jì)算△R。K—置信因子K=2，置信度95%；K=3，置信度99.73%分辨率是指傳感器能測量到輸入量最小變化的能力

△xmax-傳感器全量程范圍內(nèi)最大的Δx；

YFS-傳感器滿量程輸出值。

為了保證測量系統(tǒng)的測量準(zhǔn)確度，工程上規(guī)定：測量系統(tǒng)的分辨率應(yīng)小于允許誤差的1/3,1/5或1/10?？梢酝ㄟ^提高儀器的敏感單元增益的方法來提高分辨率。5、分辨率

作用在傳感器上的激勵不變時，響應(yīng)量隨時間的變化趨勢。表征傳感器的不穩(wěn)定性。產(chǎn)生漂移的原因：1、傳感器自身結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化；

2、外界工作環(huán)境參數(shù)的變化。7、量程及測量范圍測量上限值與下限值的代數(shù)差稱為量程。測量系統(tǒng)能測量的最小輸入量（下限）至最大輸入量（上限）之間的范圍稱為測量范圍。6、漂移傳感器動態(tài)特性被測量是時間的函數(shù)，或是頻率的函數(shù)。用時域法表示成：用頻域法表示為：

動態(tài)特性是指傳感器輸出對時間變化的輸入量的響應(yīng)特性；除理想狀態(tài)，多數(shù)傳感器的輸入信號是隨時間變化的，輸出信號一定不會與輸入信號有相同的時間函數(shù)，這種輸入輸出之間的差異就是動態(tài)誤差。振動傳感器振動傳感器分類振動傳感器按其功能可有以下幾種：按機(jī)械接收原理分：相對式、慣性式；按機(jī)電變換原理分：電動式、壓電式、電渦流式、電感式、電容式、電阻式、光電式；振動傳感器按所測機(jī)械量分：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。以上三種分類法中的傳感器是相容的。某些物質(zhì)如石英晶體，在受到?jīng)_擊性外力作用后，不僅幾何尺寸發(fā)生變化，而且其內(nèi)部發(fā)生極化，相對的表面出現(xiàn)電荷，形成電場。外力消失后，又恢復(fù)原狀。這種現(xiàn)象叫做壓電效應(yīng)。將這種物質(zhì)置于電場中，其幾何尺寸也會發(fā)生變化，叫做電致伸縮效應(yīng)。多數(shù)人工壓電陶瓷的壓電常數(shù)比石英晶體大數(shù)百倍，也就是說靈敏度要高得多。利用壓電效應(yīng)，制成壓電式加速度傳感器，可用于檢測機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)中的加速度振動信號；利用電致伸縮效應(yīng)，制成超聲波探頭，可用于探測構(gòu)件內(nèi)部缺陷。圖3—1加速度計(jì)加速度傳感器壓電式加速度傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖3—2壓電式加速度計(jì)a)中心壓縮型b)環(huán)形剪切型c)三角剪切型壓電式加速度傳感器的測量電路由于電荷是非常微弱的量，且因?yàn)槁╇娮璧拇嬖冢怪荒軅鬏斴^長的距離。通常廠家提供的專用低噪聲電纜只有3～5米，最長不過10米。因此需要在被測設(shè)備附近布置前置放大器，將電荷量放大數(shù)千倍后，再傳輸給顯示計(jì)量儀表。前置放大器電路有兩種形式：其一是電阻反饋的電壓放大器，另一種是電容反饋的電荷放大器。電荷放大器是工業(yè)測量現(xiàn)場使用最多的前置放大器。但電路復(fù)雜，數(shù)千倍的放大倍數(shù)，對各級放大器的性能穩(wěn)定性提出了極高的要求，因而價格較貴。目前，新型的壓電式加速度傳感器采用了內(nèi)置IC電路的方案，由于內(nèi)部空間極小，內(nèi)置IC電路實(shí)際完成阻抗變換的功能，需一個20mA的恒流源對其供電。測量電路如圖3—3所示。

可以將內(nèi)置IC電路看成一個隨加速度值變動的電阻，加速度值升高，電阻值也線性升高，由于恒電流供電，20mA電流不能通過儀表端的隔直電容，通過變電阻的電流是常數(shù)，因此在變電阻的兩端產(chǎn)生電壓變化，這個電壓因此也隨加速度變化。變化的電壓可以通過隔直電容輸入給放大器A，最后輸出測量電壓。需要注意的是，隔直電容與后面的電阻構(gòu)成一個高通濾波器，因此電容C與電阻R的值決定了該測量系統(tǒng)頻率響應(yīng)特性曲線的最低信號頻率。圖3—3ICP型加速度計(jì)測量電路壓電式加速度傳感器的安裝要求

圖3—4的左邊是幅頻特性曲線，它反映信號的頻率在1Hz到3KHz這一段，加速度計(jì)能比較好的復(fù)現(xiàn)信號的波形。幅頻特性曲線告訴我們，測量裝置對信號中不同的頻率波形有不同的放大倍數(shù)。為了測得的電信號波形能真實(shí)地復(fù)現(xiàn)振動波形，就必需使所測信號中最高的頻率位于幅頻特性曲線上的水平段。為此，要使安裝后的加速度計(jì)特性具有足夠高的共振頻率。圖3—4加速度計(jì)的幅頻特性壓電式加速度傳感器的安裝

此外，低噪聲專用電纜的敷設(shè)也要注意。對于內(nèi)置IC的集成加速度傳感器，由于恒流供電阻抗變換方式，對電纜的敷設(shè)要求不高。但非集成式加速度傳感器，因電纜與機(jī)殼構(gòu)成耦合電容，是電壓干擾的進(jìn)入通道，所以要求該電容不隨機(jī)殼的振動而變化。因此電纜必需緊貼機(jī)殼固定，使耦合電容值最小且不變。速度傳感器速度傳感器又稱為磁電式變換器，有時也叫作“電動力式變換器”或“感應(yīng)式變換器”，它利用電磁感應(yīng)原理，將運(yùn)動速度轉(zhuǎn)換成線圈中的感應(yīng)電勢輸出。它的工作不需要電源，而是直接從被測物體吸取機(jī)械能量并轉(zhuǎn)換成電信號輸出，是一種典型的發(fā)生器型變換器。由于它的輸出功率較大，因而大大簡化了后續(xù)電路，且性能穩(wěn)定，又具有一定的工作帶寬(一般為10～1000Hz)，所以獲得了較普遍的應(yīng)用。磁電式速度傳感器有絕對式和相對式兩種，前者測量被測對象的絕對振動速度，后者測量兩個運(yùn)動部件之間的相對振動速度。磁電式絕對速度傳感器圖3—6磁電式絕對速度傳感器1—彈簧片、2—?dú)んw、3—阻尼環(huán)、4—永磁鐵、5—線圈、6—心軸、7—彈簧銅制的阻尼環(huán)一方面可增加慣性系統(tǒng)的質(zhì)量，降低固有頻率；另一方面又利用閉合銅環(huán)在磁場中運(yùn)動時所產(chǎn)生的磁阻尼力，使振動系統(tǒng)具有合理的阻尼，從而減小共振對測量精度的影響。磁電式相對速度傳感器圖3—7磁電式相對速度傳感器1—?dú)んw、2—心軸殼體、3—彈簧片、4—永磁鐵、5—線圈、6—彈簧片、7—引出線磁電式速度傳感器的選用在選擇速度傳感器時首先要注意傳感器的最低工作頻率，它告訴我們被測設(shè)備的頻譜圖中低于這個頻率的信號是失真的，可信度低。其次是傳感器的靈敏度，例如20mv/mm/s（美國本特利公司）、100mv/mm/s（德國申克公司），這個參數(shù)用于將測得的電壓值換算成速度值，也是估計(jì)傳感器最大輸出電壓的重要參數(shù)。由于要克服自重的影響，速度傳感器分為水平安裝（H型）與垂直安裝（V型）兩種。垂直安裝的速度傳感器與水平安裝的速度傳感器內(nèi)部機(jī)械結(jié)構(gòu)參數(shù)是不同的，在使用時必須注意，不能混用。位移傳感器位移測量應(yīng)用很廣，是最基本的測試技術(shù)之一。如物體位置的移動量，物體的變形量，零部件的位置、厚度、距離等。還可以通過測最位移量，來反映其他參數(shù)，如力、扭矩、速度、加速度等的變化。位移測量可以是絕對位置和相對位置的測量。位移測量分為線位移測量和角位移測量。常用的位移測量傳感器有電阻式、電感式、電容式、感應(yīng)同步器、磁棚、光柵等。位移的測量電阻式位移的測量電感式線位移檢測傳感器光柵位移傳感器光柵是一種新型的位移檢測元件，是一種將機(jī)械位移或模擬量轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字脈沖的測量裝置。它的特點(diǎn)是測量精確度高（可達(dá)±1μm）、響應(yīng)速度快、量程范圍大、可進(jìn)行非接觸測量等。其易于實(shí)現(xiàn)數(shù)字測量和自動控制，廣泛用于數(shù)控機(jī)床和精密測量中。光柵的構(gòu)造

透射光柵：在透明的玻璃板上，均勻地刻出許多明暗相間的條紋；反射光柵：在金屬鏡面上均勻地劃出許多間隔相等的條紋；通常線條的間隙和寬度是相等的a：刻線寬度，b：刻線間寬，W=a+b：光柵的柵距，通常情況下a=b，刻線密度一般為每毫米250線、100線、50線、25線工作原理

如果把兩塊柵距W相等的光柵平行安裝，且讓它們的刻痕之間有較小的夾角θ時，這時光柵上會出現(xiàn)若干條明暗相間的條紋，這種條紋稱莫爾條紋。它們沿著與光柵條紋幾乎垂直的方向排列，莫爾條紋具有如下特點(diǎn)：（1）莫爾條紋的位移與光柵的移動成比例。當(dāng)指示光柵不動，標(biāo)尺光柵向左右移動時，莫爾條紋將沿著近于柵線的方向上下移動；光柵每移動過一個柵距W，莫爾條紋就移動過一個條紋間距B，查看莫爾條紋的移動方向，即可確定主光柵的移動方向。（2）莫爾條紋具有位移放大作用。莫爾條紋的間距B與兩光柵條紋夾角之間關(guān)系為兩光柵的柵線之間保持很小夾角，在與光柵柵線近于垂直的方向上，出現(xiàn)明暗相間的條紋，稱為莫爾條紋莫爾條紋（相鄰亮帶或暗帶）間距表示為：莫爾條紋的放大倍數(shù)為：

W=0.02mm,θ=0.02rad,BH=2mm.放大了100倍（3）莫爾條紋具有平均光柵誤差的作用。莫爾條紋是由一系列刻線的交點(diǎn)組成，它反映了形成條紋的光柵刻線的平均位置，對各柵距誤差起了平均作用，減弱了光柵制造中的局部誤差和短周期誤差對檢測精度的影響。光柵移動一個柵距W，則莫爾條紋移動一個條紋間距，莫爾條紋的光強(qiáng)度變化近似正弦變化，用光電元件接收莫爾條紋光強(qiáng)的變化，輸出電壓與位移的關(guān)系為整形變?yōu)榉讲ǎ捎?jì)脈沖數(shù)Ｎ，位移為標(biāo)尺光柵移動一個柵距w，莫爾條紋光強(qiáng)變化一個周期，計(jì)數(shù)器計(jì)一個脈沖數(shù)，即分辨力為一個柵距。例如每毫米250條柵線的長光柵，柵距為4u，

其分辨力為4u，。為提高分辨力，能測比柵距更小的位移，可采用細(xì)分技術(shù)細(xì)分就是在莫爾條紋變化一個周期時，輸出若干脈沖數(shù)。例如，在一個周期內(nèi)，輸出4個脈沖數(shù)，就叫四細(xì)分

若光柵的柵距為4u，那么分辨力為1u。

細(xì)分方法:電子細(xì)分法、光學(xué)細(xì)分法、機(jī)械細(xì)分法等。細(xì)分技術(shù)（提高測量分辨率的常用方法是細(xì)分）在一個莫爾條紋寬度上，并列安放4個光電元件，每個相距1/4BH

。4個光電元輸出的正弦電壓信號相位依次相差90，這樣可以獲得依次相差90相位的4個正弦交流信號。在莫爾條紋一個周期內(nèi)，可獲得4個計(jì)數(shù)脈沖。實(shí)現(xiàn)4細(xì)分。這種細(xì)分方法，光電元件安裝困難，細(xì)分?jǐn)?shù)不可能很高。四倍頻細(xì)分四倍頻細(xì)分自學(xué)：感應(yīng)同步器、磁柵位移傳感器

編碼器編碼器是將直線運(yùn)動和轉(zhuǎn)角運(yùn)動變換為數(shù)字信號進(jìn)行測量的一種傳感器。類型：光電式、電磁式和接觸式等角位移檢測傳感器信號插頭光電編碼器外形圖拉線式角編碼器利用線輪，能將直線運(yùn)動轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。（參考德國圖爾克傳感與自動化技術(shù)專業(yè)公司）光電編碼器外形圖轉(zhuǎn)軸盤碼及狹縫光敏元件光欄板及辨向用的A、B狹縫LEDABC零位標(biāo)志ABC（1）增量式光電編碼器結(jié)構(gòu)示意圖l－均勻分布透光槽的編碼盤2－LED光源3－光欄板上狹縫4－sin信號接收器5－cos信號接收器6－零位讀出光電元件7－轉(zhuǎn)軸8－零位標(biāo)記槽增量式編碼器具有結(jié)構(gòu)簡單、價格低、精度易于保證等優(yōu)點(diǎn)，所以目前采用最多。增量式編碼器原理動畫演示辨向信號和零標(biāo)志另一個狹縫C，每轉(zhuǎn)產(chǎn)生一個脈沖，該脈沖信號又稱“一轉(zhuǎn)信號”或零標(biāo)志脈沖，作為測量的起始基準(zhǔn)。光欄板上的兩個狹縫距離是碼盤上的兩個狹縫距離的（m+1/4）倍，m為正整數(shù)，并設(shè)置了兩組光敏元件A、B，又稱為sin、cos元件。測量精度取決于它所能分辨的最小角度，這與碼盤圓周上的狹縫條紋數(shù)n

有關(guān)，即最小能分辨的角度及分辨率為：

增量式光電編碼器的分辨力及分辨率分辨力為分辨率為（2）絕對式光電編碼器按照角度直接進(jìn)行編碼，直接用數(shù)字代碼表示。編碼盤由透明及不透明區(qū)組成，編碼盤上碼道的條數(shù)就是數(shù)碼的位數(shù)。

絕對式光電編碼器原理動畫演示絕對式光電編碼器的結(jié)構(gòu)示意圖1－光源；2－透鏡；3－編碼盤；4－狹縫；5－光電元件（a）4位二進(jìn)制碼盤a）光電碼盤的平面結(jié)構(gòu)（8碼道）b）光電碼盤與光源、光敏元件的對應(yīng)關(guān)系（4碼道）絕對式光電編碼器測量精度取決于它所能分辨的最小角度，這與碼盤上的碼道數(shù)n

有關(guān)，即最小能分辨的角度及分辨率為：為了避免位置不分明而引起的粗大誤差，可采用格雷碼（Groycode）圖案的編碼盤。分辨力分辨率格雷碼和自然二進(jìn)制碼的比較表D十進(jìn)制B二進(jìn)制R格雷碼D十進(jìn)制B二進(jìn)制R格雷碼0123456700000001001000110100010101100111000000010011001001100111010101008910111213141510001001101010111100110111101111110011011111111010101011100110001．位置測量光電編碼器的其他應(yīng)用光電編碼器位置測量動畫演示工位定位示意圖1－絕對式編碼器2－電動機(jī)

3－轉(zhuǎn)軸

4－轉(zhuǎn)盤

5－工件

6－刀具數(shù)控加工中心在數(shù)控加工中心的刀庫選刀控制中的應(yīng)用旋轉(zhuǎn)刀庫被加工工件刀具角編碼器的輸出為當(dāng)前刀具號用不同的刀具加工復(fù)雜的工件轉(zhuǎn)速測量光電編碼器轉(zhuǎn)速測量動畫演示在伺服電機(jī)中的應(yīng)用應(yīng)用方面：轉(zhuǎn)速測量轉(zhuǎn)子磁極位置測量角位移測量力是物理基本量之一，因此各種動態(tài)、靜態(tài)力的大小的測量十分重要。力的測量需要通過力傳感器間接完成，力傳感器是將各種力學(xué)量轉(zhuǎn)換為電信號的器件。力敏感元件轉(zhuǎn)換元件顯示設(shè)備F力傳感器的測量示意圖測力傳感器彈性敏感元件把力或壓力轉(zhuǎn)換成了應(yīng)變或位移，然后再由傳感器將應(yīng)變或位移轉(zhuǎn)換成電信號。彈性敏感元件是一個非常重要的傳感器部件，應(yīng)具有：良好的彈性、足夠的精度，應(yīng)保證長期使用和溫度變化時的穩(wěn)定性。彈性敏感元件在形式上可分為兩大類：

變換力的彈性敏感元件。

變換壓力的彈性敏感元件。一些變換力的彈性敏感元件形狀

變換壓力的彈性敏感元件（1）彈簧管圖3-3彈簧管的結(jié)構(gòu)

（2）波紋管

波紋管是有許多同心環(huán)狀皺紋的薄壁圓管，如圖所示。

波紋管的外形

（3）波紋膜片和膜盒平膜片在壓力或力作用下位移量小，因而常把平膜片加工制成具有環(huán)狀同心波紋的圓形薄膜，這就是波紋膜片。

波紋膜片波紋的形狀

電阻應(yīng)變片傳感器工作原理應(yīng)變物體在外部壓力或拉力作用下發(fā)生形變的現(xiàn)象彈性應(yīng)變當(dāng)外力去除后，物體能夠完全恢復(fù)其尺寸和形狀的應(yīng)變彈性元件具有彈性應(yīng)變特性的物體應(yīng)變式傳感器是利用電阻應(yīng)變片將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻變化的傳感器工作原理：

當(dāng)被測物理量作用于彈性元件上，彈性元件在力、力矩或壓力等的作用下發(fā)生變形，產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)變或位移，然后傳遞給與之相連的應(yīng)變片，引起應(yīng)變片的電阻值變化，通過測量電路變成電量輸出。輸出的電量大小反映被測量的大小。結(jié)構(gòu)：應(yīng)變式傳感器由彈性元件上粘貼電阻應(yīng)變片構(gòu)成應(yīng)用：廣泛用于力、力矩、壓力、加速度、重量等參數(shù)的測量電阻應(yīng)變片工作原理

電阻應(yīng)變片式傳感器是利用了金屬和半導(dǎo)體材料的“應(yīng)變效應(yīng)”。金屬和半導(dǎo)體材料的電阻值隨它承受的機(jī)械變形大小而發(fā)生變化的現(xiàn)象就稱為“應(yīng)變效應(yīng)”。設(shè)電阻絲長度為，截面積為，電阻率為，則電阻值為：

當(dāng)電阻絲受到拉力F時，一是受力后材料幾何尺寸變化；二是受力后材料的電阻率也發(fā)生了變化，則其阻值發(fā)生變化。金屬電阻絲應(yīng)變效應(yīng)

一根金屬電阻絲，在其未受力時，原始電阻值為：

當(dāng)電阻絲受到拉力F作用時，將伸長Δl，橫截面積相應(yīng)減小ΔA，電阻率因材料晶格發(fā)生變形等因素影響而改變了Δρ，從而引起電阻值變化量為：式中：dL/L——長度相對變化量，用應(yīng)變ε表示為

電阻相對變化量：

dA/A——圓形電阻絲的截面積相對變化量，設(shè)r為電阻絲的半徑，微分后可得dA=2πr

dr，則：材料力學(xué)：在彈性范圍內(nèi)，金屬絲受拉力時，沿軸向伸長，沿徑向縮短，軸向應(yīng)變和徑向應(yīng)變的關(guān)系可表示為：μ為電阻絲材料的泊松比，負(fù)號表示應(yīng)變方向相反。

推得：定義：電阻絲的靈敏系數(shù)（物理意義）：單位應(yīng)變所引起的電阻相對變化量。其表達(dá)式為靈敏度系數(shù)K受兩個因素影響一是應(yīng)變片受力后材料幾何尺寸的變化，即1+2μ二是應(yīng)變片受力后材料的電阻率發(fā)生的變化，即（?ρ/ρ）/ε。對金屬材料：1+2μ＞＞(?

ρ/ρ)/ε對半導(dǎo)體材料：(?

ρ/ρ)/ε＞＞1+2μ大量實(shí)驗(yàn)證明，在電阻絲拉伸極限內(nèi)，電阻的相對變化與應(yīng)變成正比，即K為常數(shù)。壓電力傳感器傳感器的選擇和使用傳感器的選擇

選擇傳感器應(yīng)考慮以下幾個方面：1）測試要求和條件。測量目的、被測物理量選擇、測量范圍、輸入信號最大值和頻帶寬度、測量精度要求、測量所需時間要求等。2）傳感器特性。精度、穩(wěn)定性、響應(yīng)速度、輸出量性質(zhì)、對被測物體產(chǎn)生的負(fù)載效應(yīng)、校正周期、輸入端保護(hù)等。3）使用條件。安裝條件、工作場地的環(huán)境條件（溫度、濕度、振動等）、測量時間、所需功率容量、與其它設(shè)備的連接、備件與維修服務(wù)等。傳感器的正確使用

傳感器輸出特性的線性化處理和補(bǔ)償傳感器的標(biāo)定抗干擾措施線性化處理和補(bǔ)償大多數(shù)傳感器具有不同程度的非線性特性，這使較大范圍的動態(tài)檢測存在著很大的誤差。在使用模擬電路組成檢測回路時，為了進(jìn)行非線性補(bǔ)償，通常采用與傳感器輸入輸出特性相反特性的元件，通過硬件進(jìn)行線性化處理。當(dāng)輸出量中包含有被測物理量之外的因素時，為了克服這些因素的影響需要采取相應(yīng)的措施加以補(bǔ)償。如外界環(huán)境溫度變化，將會使測量系統(tǒng)產(chǎn)生附加誤差，影響測量精度，因此有必要對溫度進(jìn)行補(bǔ)償。傳感器的標(biāo)定傳感器的標(biāo)定，就是利用精度高一級的標(biāo)準(zhǔn)量具對傳感器進(jìn)行定度的過程，從而確定其輸出量和輸入量之間的對應(yīng)關(guān)系，同時也確定不同使用條件下的誤差關(guān)系。傳感器使用前要進(jìn)行標(biāo)定，使用一段時間后還要定期進(jìn)行校正，檢查精度性能是否滿足原設(shè)計(jì)指標(biāo)?？垢蓴_措施傳感器大多要在現(xiàn)場工作，而現(xiàn)場的條件往往是不可預(yù)料的，有時是極其惡劣的。各種外界因素要影響傳感器的精度和性能，所以在檢測系統(tǒng)中，抗干擾是非常重要的，尤其是在微弱輸入信號的系統(tǒng)中。常采用的抗干擾措施有屏蔽、接地、隔離和濾波等。結(jié)構(gòu)的激振方法如果知道了系統(tǒng)的輸入(激勵)和輸出(響應(yīng))，就可以求出系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，也即動態(tài)特性。振動系統(tǒng)測試就是求取系統(tǒng)輸入和輸出的一種試驗(yàn)方法。為了完成上述測試任務(wù)，一般說來測試系統(tǒng)應(yīng)該包括下述三個主要部分：

1)激勵部分實(shí)現(xiàn)對被測系統(tǒng)的激勵(輸入)，使系統(tǒng)發(fā)生振動。它主要由激勵信號源、功率放大器和激振裝置組成。

2)拾振部分檢測并放大被測系統(tǒng)的輸入、輸出信號，并將信號轉(zhuǎn)換成一定的形式(通常為電信號)。它主要由傳感器、可調(diào)放大器組成。

3)分析記錄部分將拾振部分傳來的信號記錄下來供以后分析處理或直接近行分析處理并記下處理結(jié)果。它主要由各種記錄設(shè)備和頻譜分析設(shè)備組成。激振器(一）電動式激振器當(dāng)Fi以簡諧規(guī)律變化時，則作用在激振對象上的力F也為同頻率的簡諧力，在使用時，往往在頂桿與激振對象之間加一個力傳感器，以精確地測出激振力F(t)．

為了使激振器的能量盡量用于激振對象的激勵上,在激振時最好讓激振器基座在空間基本上保持靜止：在高頻激振時，往往用彈簧將激振器懸掛起來，降低安裝的自然頻率，使之低于激振頻率的l／3；在低頻激振時，則將激振器的基座與靜止的地基剛性相連，使安裝的自然頻率高于激振頻率3倍以上。激振器安裝原則（二）電磁式激振器電磁激振器是非接觸式的，其頻率上限約為500－800Hz。

激振器是由通入線圈中的交變電流產(chǎn)生交變磁場，而被測對象作為銜鐵，在交變磁場作用下產(chǎn)生振動．由于在電磁鐵與銜鐵之間的作用力F(t)只會是吸力，而無斥力，為了形成往復(fù)的正弦激勵，應(yīng)該在其間施加一恒定的吸力F0，然后才能疊加上一個交變的諧波力F(t)，如圖所示，即:為此，通入線圈中的電流I(t)也應(yīng)該由直流與交流兩部分組成，即:而由電磁理論知道，電磁鐵所產(chǎn)生的磁力正比于所通過電流的平方，即有式中a為比例系數(shù)，與電磁鐵的尺寸、結(jié)構(gòu)、材料與氣隙的大小有關(guān)．在A《I0的情況下，上式右邊第三項(xiàng)可略去，得如果條件A《I0不成立，則將在激振力中引入二次諧波:（三）脈沖錘

脈沖錘是一種產(chǎn)生瞬態(tài)激勵力的激振器，它由錘體、手柄和可以調(diào)換的錘頭和配重組成，通常在錘體和錘頭之間裝有一個力傳感器，以測量被測系統(tǒng)所受錘擊力的大小。

一般來說，錘擊力的大小是由錘擊質(zhì)量和錘擊被測系統(tǒng)時的運(yùn)動速度決定的。

激勵的頻率范圍主要由接觸表面剛度決定，錘頭的材料越硬則脈沖的持續(xù)時間越短，上限額率fe越高。為了能調(diào)整激勵頻率范圍，通常使用一套不同材料的錘頭。當(dāng)用脈沖錘進(jìn)行沖擊激勵時，它相當(dāng)于對被測系統(tǒng)施加了一個半正弦波的力脈沖，如圖(a)所示。該類脈沖的頻譜如圖(b)所示，在小于上限頻率fe的頻段內(nèi)，脈沖的頻譜基本上是平坦的，fe以后迅速下降。一般來說，錘頭的材料越硬則脈沖的持續(xù)時間越短，上限額率fe越高。振動的激勵一、穩(wěn)態(tài)正弦激勵方法

這是一種測量頻率響應(yīng)的經(jīng)典方法，它提供給被測系統(tǒng)的激勵信號是一個具有穩(wěn)定幅值和頻率的正弦信號，測出激勵大小和響應(yīng)大小，便可求出系統(tǒng)在該頻率點(diǎn)處的頻率響應(yīng)的大小。

激勵系統(tǒng)一般由正弦信號發(fā)生器、功率放大器和電磁激振器組成，測量系統(tǒng)由跟蹤濾波器、峰值電壓表和相位計(jì)組成。二、瞬態(tài)激勵方法瞬態(tài)激勵方法給被測系統(tǒng)提供的激勵信號是一種瞬態(tài)信號，它屬于一種寬頻帶激勵，即一次同時給系統(tǒng)提供頻帶內(nèi)各個頻率成份的能量和使系統(tǒng)產(chǎn)生相應(yīng)頻帶內(nèi)的頻率響應(yīng)。因此，它是一種快速測試方法。同時由于測試設(shè)備簡單，靈活性大，故常在生產(chǎn)現(xiàn)場使用。目前常用的瞬態(tài)激勵方法有快速正弦掃描、脈沖錘擊和階躍松弛激勵等方法，下面分別討論和介紹。(一)快速正弦掃描這種測試方法是使正弦激勵信號在所需的頻率范圍內(nèi)作快速掃描(在數(shù)秒鐘內(nèi)完成)，激振信號頻率在掃描周期T內(nèi)成線性增加，而幅值保持恒定。掃描信號的頻譜曲線幾乎是一根平坦的曲線，從而能達(dá)到寬頻帶激勵的目的。

(二)脈沖錘擊激勵脈沖錘擊激勵是用脈沖錘對被測系統(tǒng)進(jìn)行敲擊，給系統(tǒng)施加一個脈沖力，使之發(fā)生振動。由于錘擊力脈沖在一定頻率范圍內(nèi)具有平坦的頻譜曲線，所以它是一種寬頻帶的快速激勵方法。(三)階躍松馳激勵

1、階躍松弛激勵定義

2、特點(diǎn)：由于階躍函數(shù)的導(dǎo)數(shù)是脈沖函數(shù)，階躍函數(shù)引起的響應(yīng)的導(dǎo)數(shù)是脈沖響應(yīng)函數(shù)，所以這種方法也是一種寬頻帶激勵方法。

3、實(shí)現(xiàn)：在實(shí)際應(yīng)用中，常常是用一根剛度很大質(zhì)量很輕的張力弦通過力傳感器對系統(tǒng)預(yù)加載，然后突然切斷張力弦。三、隨機(jī)激勵方法(一)純隨機(jī)激勵

理想的純隨機(jī)信號是具有高斯分布的白噪聲，它在整個時間歷程上是隨機(jī)的，不具有周期性，在頻率域上它是一條幾乎平坦的直線。

(二)偽隨機(jī)激勵偽隨機(jī)信號是一種有周期性的隨機(jī)信號，它在一個周期內(nèi)的信號是純隨機(jī)的，但各個周期內(nèi)的信號是完全相同的。這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于試驗(yàn)的可重復(fù)性。將白噪聲在T內(nèi)截斷，然后按周期T反復(fù)重復(fù)，即形成偽隨機(jī)信號。檢測（振動）信號的采集與預(yù)處理振動信號的采集振動信號的采樣過程，嚴(yán)格來說應(yīng)包含幾個方面：1.信號適調(diào)由于目前采用的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是一種數(shù)字化系統(tǒng)，所采用的A/D芯片對信號輸入量程有嚴(yán)格限制，為了保證信號轉(zhuǎn)換具有較高的信噪比，信號進(jìn)入A/D以前，均需進(jìn)行信號適調(diào)。適調(diào)包括大信號的衰減處理和弱信號的放大處理，或者對一些直流信號進(jìn)行偏置處理，使其滿足A/D輸入量程要求。2.A/D轉(zhuǎn)換A/D轉(zhuǎn)換包括采樣、量化和編碼三個組成部分。采樣（抽樣），是利用采樣脈沖序列從模擬信號中抽取一系列離散樣值，使之成為采樣信號的過程，稱為采樣間隔，其倒數(shù)稱之為采樣頻率。采樣頻率的選擇必須符合采樣定理要求。由于計(jì)算機(jī)對數(shù)據(jù)位數(shù)進(jìn)行了規(guī)定，采樣信號x(n△t)經(jīng)舍入的方法變?yōu)橹挥杏邢迋€有效數(shù)字的數(shù)，這個過程稱為量化。由于抽樣間隔長度是固定的（對當(dāng)前數(shù)據(jù)來說），當(dāng)采樣信號落入某一小間隔內(nèi)，經(jīng)舍入方法而變?yōu)橛邢拗禃r，則產(chǎn)生量化誤差。如8位二進(jìn)制為28＝256，即量化增量為所測信號最大電壓幅值的1/256。編碼是把采樣數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)橛?jì)算機(jī)能識別的數(shù)字格式。采樣過程示意圖在采集振動信號時應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：1.振動信號采集模式取決于機(jī)組當(dāng)時的工作狀態(tài)，如穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)等；2.變轉(zhuǎn)速運(yùn)行設(shè)備的振動信號采集在有條件時應(yīng)采取同步整周期采集；3.所有工作狀態(tài)下振動信號采集均應(yīng)符合采樣定理。采樣定理衡量采樣速度高低的指標(biāo)稱為采樣頻率fs。一般來說，采樣頻率fs越高，采樣點(diǎn)越密，所獲得的數(shù)字信號越逼近原信號。為了兼顧計(jì)算機(jī)存儲量和計(jì)算工作量，一般保證信號不丟失或歪曲原信號信息就可以滿足實(shí)際需要了。這個基本要求就是所謂的采樣定理，是由Shannon提出的，也稱為Shannon采樣定理。Shannon采樣定理規(guī)定了帶限信號不丟失信息的最低采樣頻率為或式中fm為原信號中最高頻率成分的頻率。采集的數(shù)據(jù)量大小N為因此，當(dāng)采樣長度一定時，采樣頻率越高，采集的數(shù)據(jù)量就越大。使用采樣頻率時應(yīng)注意的問題：（一）正確估計(jì)原信號中最高頻率成分的頻率，對于采用電渦流傳感器測振的系統(tǒng)來說，一般確定為最高分析頻率為12.5X，采樣模式為同步整周期采集，若選擇頻譜分辨率為400線，需采集1024點(diǎn)數(shù)據(jù)，若每周期采集32點(diǎn)，采樣長度為32周期。（二）同樣的數(shù)據(jù)量可以通過改變每周期采樣點(diǎn)數(shù)提高基頻分辨率，這對于識別次同步振動信號是必要的，但降低了最高分析頻率，如何確定視具體情況而定。

采樣定理解析采樣定理實(shí)際上涉及了3個主要條件，當(dāng)確定其中2個條件后，第3個條件自動形成。這3個條件是進(jìn)行正確數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)，必須理解深刻。條件1采樣頻率控制最高分析頻率采樣頻率（采樣速率）越高，獲得的信號頻率響應(yīng)越高，換言之，當(dāng)需要高頻信號時，就需要提高采樣頻率，采樣頻率應(yīng)符合采樣定理基本要求。這個條件看起來似乎很簡單，但對于一個未知信號，其中所含最高頻率信號的頻率究竟有多高，實(shí)際上我們是無法知道的。解決這個問題需要2個步驟，一是指定最高測量頻率，二是采用低通濾波器把高于設(shè)定最高測量頻率的成分全部去掉（這個低通濾波器就是抗混濾波器）?，F(xiàn)實(shí)的抗混濾波器與理論上的濾波器存在差異，因此信號中仍會存在一定混疊成分，一般在計(jì)算頻譜后將高頻成分去掉，一般頻譜線數(shù)取時域數(shù)據(jù)點(diǎn)的1/2.56，或取頻域幅值數(shù)據(jù)點(diǎn)的1/1.28，即128線頻譜取100線，256線頻譜取200線，512線頻譜取400線等等。

為說明該條件，我們舉例進(jìn)行說明。①要想在頻譜中看到500Hz的成分，其采樣頻率最少為1000Hz。②若采樣頻率為32點(diǎn)／轉(zhuǎn)，頻譜中最高線理論上可達(dá)到16X。條件2總采樣時間控制分辨率頻譜的分辨率（譜線間隔）受控于總采樣時間，即其中△f為頻譜分辨率，T為總采樣時間。①如果采樣總時間為0.5秒，則頻譜分辨率為2Hz；②若區(qū)分6cpm（0.1Hz）的頻譜成分，則總采樣時間至少為10秒；③對于總采樣時間為8轉(zhuǎn)的時間信號，頻譜分辨率為1/8X。條件3采樣點(diǎn)數(shù)控制頻譜線數(shù)解釋這個條件，需要對FFT計(jì)算頻譜的過程有一個了解。如果對于一個2048點(diǎn)的時間波形數(shù)據(jù)，我們可以獲得2048點(diǎn)頻域數(shù)據(jù)——1024線頻譜（每條譜線有兩個值，直接值和正交值，或者說幅值和相位兩個值）。對旋轉(zhuǎn)機(jī)械來說，頻譜僅僅畫出了FFT復(fù)數(shù)輸出的幅值部分，對于相位部分一般不畫，因此頻譜中的線數(shù)最多為時域點(diǎn)數(shù)的一半，考慮到混疊的影響，頻譜線數(shù)一般會低于時域數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)。數(shù)字信號的預(yù)處理傳感器的輸出信號被采入計(jì)算機(jī)后往往要先進(jìn)行適當(dāng)?shù)念A(yù)處理，其目的是去除混雜在有用信號中的各種干擾，并對檢測系統(tǒng)的非線性、零位誤差和增益誤差等進(jìn)行補(bǔ)償和修正。數(shù)字信號預(yù)處理一般用軟件的方法來實(shí)現(xiàn)。1）數(shù)字濾波混雜在有用信號中的干擾信號有兩大類：周期性干擾和隨機(jī)性干擾。典型的周期干擾是50Hz的工頻干擾，采用積分時間為20ms整數(shù)倍的雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器，可有效地消除其影響。對于隨機(jī)性干擾，可采用數(shù)字濾波的方法予以削弱或消除。（1）中值濾波中值濾波方法對緩慢變化的信號中由于偶然因素引起的脈沖干擾具有良好的濾除效果。其原理是，對信號連續(xù)進(jìn)行n次采樣，然后對采樣值排序，并取序列中位值作為采樣有效值。程序算法就是通用的排序算法。采樣次數(shù)n一般取為大于3的奇數(shù)。當(dāng)n＞5時排序過程比較復(fù)雜，可采用“冒泡”算法。（2）算術(shù)平均濾波算術(shù)平均濾波方法的原理是，對信號連續(xù)進(jìn)行n次采樣，以其算術(shù)平均值作為有效采樣值。該方法對壓力、流量等具有周期脈動特點(diǎn)的信號具有良好的濾波效果。采樣次數(shù)n越大，濾波效果越好，但靈敏度也越低，為便于運(yùn)算處理，常取n=4、8、16。