第六章 振动传感器Word格式文档下载.docx
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如读数显微镜和激光测振仪
3、电测方法:
将工程振动的参量转换成电信号,经电子线路放大后显示和记录,电测法的要点在于先将机械振动量转换为电量(电动势、电荷、及其它电量),然后再对电量进行测量,从而得到所要测量的机械量。
这是目前应用得最广泛的测量方法。
图6-1-1电测法测量系统
上述三种测量方法的物理性质虽然各不相同,但是,组成的测量系统基本相同,它们都包含拾振、测量放大线路和显示记录三个环节。
电测法测量系统如图6-1-1所示。
1、拾振环节。
把被测的机械振动量转换为机械的、光学的或电的信号,完成这项转换工作的器件叫传感器。
2、测量线路。
测量线路的种类甚多,它们都是针对各种传感器的变换原理而设计的。
比如,专配压电式传感器的测量线路有电压放大器、电荷放大器等;
此外,还有积分线路、微分线路、滤波线路、归一化装置等等。
3、信号分析及显示、记录环节。
从测量线路输出的电压信号,可按测量的要求输入给信号分析仪或输送给显示仪器(如电子电压表、示波器、相位计等)、记录设备(如光线示波器、磁带记录仪、X—Y记录仪等)等。
也可在必要时记录在磁带上,然后再输入到信号分析仪进行各种分析处理,从而得到最终结果。
6.2传感器的机械接收原理
振动传感器在测试技术中是关键部件之一,它的作用主要是将机械量接收下来,并转换为与之成比例的电量。
由于它也是一种机电转换装置。
所以我们有时也称它为换能器、拾振器等。
图6-2-1转换系统
振动传感器并不是直接将原始要测的机械量转变为电量,而是将原始要测的机械量做为振动传感器的输入量Mi,然后由机械接收部分加以接收,形成另一个适合于变换的机械量Mt,最后由机电变换部分再将Mt变换为电量E,如图6-2-1所示。
因此一个传感器的工作性能是由机械接收部分和机电变换部分的工作性能来决定的。
6.2.1相对式机械接收原理
由于机械运动是物质运动的最简单的形式,因此人们最先想到的是用机械方法测量振动,从而制造出了机械式测振仪(如盖格尔测振仪等)。
传感器的机械接收原理就是建立在此基础上的。
图6-2-1-1相对式机械接收原理示意图
相对式测振仪的工作接收原理如图6-2-1-1所示,在测量时,把仪器固定在不动的支架上,使触杆与被测物体的振动方向一致,并借弹簧的弹性力与被测物体表面相接触,当物体振动时,触杆就跟随它一起运动,并推动记录笔杆在移动的纸带上描绘出振动物体的位移随时间的变化曲线,根据这个记录曲线可以计算出位移的大小及频率等参数。
由此可知,相对式机械接收部分所测得的结果是被测物体相对于参考体的相对振动,只有当参考体绝对不动时,才能测得被测物体的绝对振动。
这样,就发生一个问题,当需要测的是绝对振动,但又找不到不动的参考点时,这类仪器就无用武之地。
例如:
在行驶的内燃机车上测试内燃机车的振动,在地震时测量地面及楼房的振动……,都不存在一个不动的参考点。
在这种情况下,我们必须用另一种测量方式的测振仪进行测量,即利用惯性式测振仪。
6.2.2惯性式机械接收原理
惯性式机械机械接收原理如图6-2-2-1所示
图6-2-2-1惯性式机械接收原理示意图
惯性式机械测振仪测振时,是将测振仪直接固定在被测振动物体的测点上,当传感器外壳随被测振动物体运动时,由弹性支承的惯性质量块将与外壳发生相对运动,则装在质量块上的记录笔就可记录下质量元件与外壳的相对振动位移幅值,然后利用惯性质量块与外壳的相对振动位移的关系式,即可求出被测物体的绝对振动位移波形。
6.3几种振动传感器的原理与使用
在高度发展的现代工业中,现代测试技术向数字化、信息化方向发展已成必然发展趋势,而测试系统的最前端是传感器,它是整个测试系统的灵魂,被世界各国列为尖端技术,特别是近几年快速发展的IC技术和计算机技术,为传感器的发展提供了良好与可靠的科学技术基础。
使传感器的发展日新月益,且数字化、多功能与智能化是现代传感器发展的重要特征。
下面介绍几种常见的传感器:
6.3.1惯性式速度传感器
1)惯性式速度传感器工作原理
惯性式传感器工作原理的力学模型如下图6-3-1-1所示。
图中y1、y0、y01分别表示壳体绝对位移、质块的绝对位移和壳体与质块的相对位移。
测试时,壳体和被测物体联接(用胶接或机械方法),当传感器外壳跟随振动物体振动时,其内部质量与外壳之间产生相对运动。
适当选取传感器的结构参数,所测结果将分别反映振动问题的位移、速度和加速度。
图6-3-1-1惯性式传感器工作原理的力学模型
在测振时,传感器固定于被测系统,工作原理图如下图6-3-1-2所示磁钢4与壳体2一起随被测系统的振动而振动,惯性质量由装在芯轴6上的线圈5和阻尼环3组成,并在磁场中运动。
弹簧片1径向刚度很大、轴向刚度很小,使惯性系统既得到可靠的径向支承,又保证有很低的轴向固有频率。
阻尼环一方面可增加惯性系统质量,降低固有频率,另一方面在磁场中运动产生的阻尼力使振动系统具有合理的阻尼。
1—弹簧
2—壳体
3—阻尼环
4—磁钢
5—线圈
6—芯轴
图6-3-1-2惯性式速度传感器工作原理图
为了扩展速度拾振器的工作频率下限,应采用ξ=0.5-0.7的阻尼比,在幅值误差不超过5%的情况下,工作下限可扩展到w/wn=1.7。
这样的阻尼比也有助于迅速衰减意外瞬态扰动所引起的瞬态振动。
但这时的相频特性曲线与频率不成线性关系,因此,在低频范围内无法保证相位的精确度。
2)惯性式速度传感器的特点及其应用
惯性式速度传感器测量的是绝对速度振动量;
频率下限受固有频率限制,不能到零。
频率上限受安装共振频率及线圈阻抗特性限制;
全部质量都附加给被测物体;
灵敏度高、信噪比强;
输出阻抗小,且输出直接是电压量,可直接测量;
横向灵敏度较小,频率范围较宽。
在振动试验中,对中频小位移情况,一般使用惯性式速度传感器。
6.3.2相对式电动传感器
电动式传感器基于电磁感应原理,即当运动的导体在固定的磁场里切割磁力线时,导体两端就感生出电动势,因此利用这一原理而生产的传感器称为电动式传感器。
图6-3-2-1相对电动式传感器结构示意图
相对式电动传感器的工作简图如图6-3-2-1所示。
该传感器由固定部分、可动部分以及三组拱形弹簧片所组成。
三组拱形弹簧片的安装方向是一致的。
在振动测量时,必须先将顶杆压在被测物体上,并且应注意满足传感器的跟随条件:
为顶杆的预压力
为最大跟随加速度
如果被测加速度超过上述的最大跟随加速度
值时,或顶杆的预压力
不够大时,传感器的顶杆将同被测物发生撞击。
此时测量无法进行。
甚至会损伤传感器,因此使用时一定要注意满足传感器的跟随条件。
根据电磁感应定律,电动式传感器所产生的感应电动势为:
式中B为磁通密度,
为线圈在磁场内的有效长度,
为线圈在磁场中的相对速度。
因此,相对式电动传感器从机械接收原理来说,是一个位移传感器,由于在机电变换原理中应用的是电磁感应电律,其产生的电动势同被测振动速度成正比,所以它实际上是一个速度传感器。
6.3.3压电式加速度传感器
1)压电式加速度传感器原理
压电式加速度传感器又称压电加速度计。
它也属于惯性式传感器。
它是利用某些物质如石英晶体的压电效应,在加速度计受振时,质量块加在压电元件上的力也随之变化。
当被测振动频率远低于加速度计的固有频率时,则力的变化与被测加速度成正比。
由于压电式传感器的输出电信号是微弱的电荷,而且传感器本身有很大内阻,故输出能量甚微,这给后接电路带来一定困难。
为此,通常把传感器信号先输到高输入阻抗的前置放大器。
经过阻抗变换以后,方可用于一般的放大、检测电路将信号输给指示仪表或记录器。
2)压电式加速度传感器构成元件
常用的压电式加速度计的结构形式如图6-3-3-1所示。
S是弹簧,M是质块,是基座,P是压电元件,R是夹持环。
图a是中央安装压缩型,压电元件—质量块—弹簧系统装在圆形中心支柱上,支柱与基座连接。
这种结构有高的共振频率。
然而基座B与测试对象连接时,如果基座B有变形则将直接影响拾振器输出。
此外,测试对象和环境温度变化将影响压电元件,并使预紧力发生变化,易引起温度漂移。
图c为三角剪切形,压电元件由夹持环将其夹牢在三角形中心柱上。
加速度计感受轴向振动时,压电元件承受切应力。
这种结构对底座变形和温度变化有极好的隔离作用,有较高的共振频率和良好的线性。
图b为环形剪切型,结构简单,能做成极小型、高共振频率的加速度计,环形质量块粘到装在中心支柱上的环形压电元件上。
由于粘结剂会随温度增高而变软,因此最高工作温度受到限制。
图6-3-3-1压电式加速度计
3)压电式加速度传感器的实际应用
目前最新IBMThinkpad手提电脑里就内置了加速度传感器,能够动态的监测出笔记本在使用中的振动,并根据这些振动数据,系统会智能的选择关闭硬盘还是让其继续运行,这样可以最大程度的保护由于振动,比如颠簸的工作环境,或者不小心摔了电脑做造成的硬盘损害,最大程度的保护里面的数据。
另外一个用处就是目前用的数码相机和摄像机里,也有加速度传感器,用来检测拍摄时候的手部的振动,并根据这些振动,自动调节相机的聚焦。
概括起来,加速度传感器可应用在控制,手柄振动和摇晃,仪器仪表,汽车制动启动检测,地震检测,报警系统,玩具,结构物、环境监视,工程测振、地质勘探、铁路、桥梁、大坝的振动测试与分析;
鼠标,高层建筑结构动态特性和安全保卫振动侦察上。
6.3.4电容式传感器
电容式传感器是将被测量的变化转换为电容量变化的一种装置,它本身就是一种可变电容器。
由于这种传感器具有结构简单,体积小,动态响应好,灵敏度高,分辨率高,能实现非接触测量等特点,因而被广泛应用于位移、加速度、振动、压力、压差、液位、成分含量等检测领域。
1)工作原理
由两个相对金属板组成(中间有绝缘介质)的电容器原理如图6-3-4-1所示,若忽略边缘效应,平行板电容器的电容量为
(6-3-4-1)
6-3-4-1电容器原理图
式中ε——极板间介质的介电常数(F/m);
S——两平行极板相互覆盖的面积(m2);
d——两极板间的距离(m)。
当被测量的变化使S、d或ε任意一个参数发生变化时,电容量也随之而变,从而完成了由被测量到电容量的转换。
2)结构类型
当式(6-3-4-1)中的三个参数中两个固定,一个可变,使得电容式传感器有三种基本类型:
变极距型电容传感器、变面积型电容传感器和变介电常数型电容传感器,下面分别加以介绍。
1、变极距型电容传感器
变极距型电容传感器结构形式如图6-3-4-2所示。
若式(6-3-4-1)中参数S、ε不变,d是变化的,假设电容极板间的距离由初始值0d减小了dΔ,电容量增加CΔ,则有
(6-3-4-2)
图6-3-4-2变极距型电容传感器结构形式图
1,3—定极板;
1,2—动极板
由式(6-3-4-2)可知,电容的变化量CΔ与极间距dΔ是非线性关系,即传感器的输出特性不是线性关系,特性曲线如图6-3-4-3所示。
在式(6-3-4-2)中,若0/1ddΔ<
<
时,则上式简化为:
(6-3-4-3)
此时CΔ与dΔ近似呈线性关系,所以变极距型电容式传感器只有在/ddΔ。
很小时,才有近似的线性关系。
另外,由式(6-3-4-3)可以看出,在0d较小时,对于同样的dΔ变化所引起的CΔ可以增大,从而使传感器灵敏度提高。
但0d过小,容易引起电容器击穿或短路。
为此,极板间可采用高介电常数的材料(云母、塑料膜等)做介质,如图6-3-4-4所示,若中间介质为云母片,此时电容量C变为
(6-3-4-4)
式中εg——云母的相对介电常数,εg=7;
εo——空气的介电常数,εo=1;
do——空气隙厚度;
dg——云母片的厚度。
一般云母片的相对介电常数是空气的7倍,其击穿电压不小于1000kV/mm,而空气仅为3kV/mm,因此有了云母片,极板间起始距离可大大减小。
同时,式(6-3-4-4)中的dg/εoεg项是恒定值,它能使传感器的输出特性的线性度得到改善。
图6-3-4-3电容传感器输出特性曲线图6-3-4-4有绝缘介质的电容传感器
2.变面积型电容传感器
变面积型电容传感器结构形式如图6-3-4-5所示。
当图(a)中平板型电容传感器的可动极板2移动xΔ后,两极板间的电容量为
(6-3-4-5)
式中ε——介质介电常数;
a——电容极板的宽度;
b——电容极板的长度;
Δx——电容可动极板长度的变化量。
图6-3-4-5变面积型电容传感器结构图1,3—定极板;
2—动极板
(6-3-4-6)
电容的变化量为
(6-3-4-7)
电容传感器的灵敏度为
可见,变面积型电容传感器的输出特性是线性的,适合测量较大的位移,其灵敏度S为常数,增大极板长度b,减小间距d,可使灵敏度提高,极板宽度a的大小不影响灵敏度,但也不能太小,否则边缘影响增大,非线性将增大。
图(c)为圆柱形电容传感器,其中线位移的电容量在忽略边缘效应时为
(6-3-4-8)
式中l——外圆筒与内圆柱覆盖部分的长度;
1r、2r——外圆筒内半径和内圆柱外半径。
当两圆筒相对移动lΔ时,电容变化量为
(6-3-4-9)
可见此类传感器具有良好的线性。
实际应用中,为改善传感器的特性和减少外界因素的影响,提高传感器的灵敏度,电容式传感器常制成差动式结构,如图6-3-4-6所示。
图6-3-4-6差动电容传感器原理图
3.变介电常数型电容传感器
变介电常数型电容传感器结构形式如图6-3-4-7所示。
当图(b)中有介质在极板间移动时,若忽略边缘效应,则传感器的电容量为
(6-3-4-10)
图6-3-4-7变介电常数型电容传感器结构形式图
式中do——两极板间的间距;
δ——被插入介质的厚度;
lx——被插入介质的长度;
εo——空气的介电常数;
ε——被插入介质的介电常数。
由式(6-3-4-10)可见,当运动介质厚度δ保持不变,而介电常数ε改变时,电容量将产生相应的变化,因此可作为介电常数ε的测试仪;
反之,如果ε保持不变,而d改变,则可作为厚度测试仪。
6.3.5电涡流式传感器
电涡流传感器是一种相对式非接触式传感器,它是通过传感器端部与被测物体之间的距离变化来测量物体的振动位移或幅值的。
电涡流传感器具有频率范围宽(0~10kHZ),线性工作范围大、灵敏度高以及非接触式测量等优点,主要应用于静位移的测量、振动位移的测量、旋转机械中监测转轴的振动测量。
电涡流传感器的主要由线圈、框架、支架、填料等组成,结构示意图如图6-3-5-1示。
图6-3-5-1电涡流传感器结构示意图
电涡流传感器的工作原理如图6-3-5-2所示。
当通有交变电流i的线圈靠近导体表面时,由于交变磁场的作用,在导体表面层就感生电动势,并产生闭合环流ie,称为电涡流,电涡流传感器中有一线圈,当这个传感器线圈通以高频激励电流i时,其周围就产生一高频交变磁场,磁通量为
,当被测的导体靠近传感器线圈时,由于受到高频交变磁场的作用,在其表面产生电涡流ie,这个电涡流产生的磁通
又穿过原来的线圈,根据电磁感应定律,它总是抵抗主磁场的变化。
因此,传感器线圈与涡流相当于存在互感的两个线圈。
互感的大小与原线圈和导体表面的间隙d有关,其等效电路如图6-3-5-3所示
图6-3-5-2
图6-3-5-3
只要测定U1的变化,也就间接地求出了间隙d的变化。
这就是非接触式电涡流传感器的工作原理。
6.4振动测量传感器的选择
正确的选用应该基于对测量信号以下三方面的分析和估算。
1)
被测振动量的大小
2)
被测振动信号的频率范围
3)
振动测试现场环境
Ⅰ、传感器的灵敏度
传感器的灵敏度是传感器的最基本指标之一。
灵敏度的大小直接影响到传感器对振动信号的测量。
不难理解,传感器的灵敏度应根据被测振动量(加速度值)大小而定,但由于压电加速度传感器是测量振动的加速度值,而在相同的位移幅值条件下加速度值与信号的频率平方成正比,所以不同频段的加速度信号大小相差甚大。
大型结构的低频振动其振动量的加速度值可能会相当小,例如当振动位移为1mm,频率为1Hz的信号其加速度值仅为0.04m/s2
(0.004g);
然而对高频振动当位移为0.1mm,频率为10kHz的信号其加速度值可达4x105m/s2(40000g)。
因此尽管压电式加速度传感器具有较大的测量量程范围,但对用于测量高低两端频率的振动信号,选择加速度传感器灵敏度时应对信号有充分的估计。
最常用的振动测量压电式加速度计灵敏度,电压输出型(IEPE型)为50-100mV/g,电荷输出型为10-50pC/g。
Ⅱ、传感器的动态范围
传感器的测量量程范围是指传感器在一定的非线性误差范围内所能测量的最大测量值。
通用型压电加速度传感器的非线性误差大多为1%。
作为一般原则,灵敏度越高其测量范围越小,反之灵敏度越小则测量范围越大。
电压输出型压电加速度传感器的测量范围是由在线性误差范围内所允许的最大输出信号电压所决定,最大输出电压量值一般都为±
5V。
通过换算就可得到传感器的最大量程,即等于最大输出电压与灵敏度的比值
电荷输出型压电加速度传感器测量范围则受传感器机械刚度的制约,在同样的条件下传感敏感芯体受机械弹性区间非线性制约的最大信号输出要比电压型传感器的量程大得多,其值大多需通过实验来确定。
一般情况下当传感器灵敏度高,其敏感芯体的质量块也就较大,传感器的量程就相对较小。
Ⅲ、传感器的测量频率范围
传感器的频率测量范围是指传感器在规定的频率响应幅值误差内(±
5%,±
10%,±
3dB)传感器所能测量的频率范围。
频率范围的高,低限分别称为高,低频截至频率。
截至频率与误差直接相关,所允许的误差范围大则其频率范围也就宽。
作为一般原则,传感器的高频响应取决于传感器的机械特性,而低频响应则由传感器和后继电路的综合电参数所决定。
高频截止频率高的传感器必然是体积小,重量轻,反之用于低频测量的高灵敏度传感器相对来说则一定体积大和重量重。
Ⅳ、传感器高频测量范围
传感器的高频测量指标通常由高频截止频率来确定,而一定截止频率与对应的幅值误差相联系,所以传感器选用时不能只看截至频率,必须了解对应的幅值误差值。
传感器的频率幅值误差小不仅使测量精度提高,更重要的是体现了传感器制造过程中控制安装精度偏差的能力。
另外由于测量对象的振动信号频带较宽,或传感器的固有谐振频率不够高,因而被激发的谐振信号波可能会叠加在测量频带内的信号上,造成较大的测量误差。
所以在选择传感器的高频测量范围时除高频截至频率外,还应考虑谐振频率对测量信号的影响,当然这种测量频段外的信号也可通过在测量系统中滤波器给予消除。
本章小结:
本章内容主要介绍了振动传感器的相关性的知识,主要从振动传感器的概述、分类、工作原理、选择的参数范围等几个方面进行了相关介绍。
了解振动传感器的分类方法以及工程测量方法,学习并掌握振动传感器的机械接收原理、几种传感器主要包括惯性式速度传感器、相对式电动传感器、压电式加速度传感器、电容传感器、电涡流式传感器的工作原理及其相应参数,理解振动传感器的选择范围。
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- 第六章 振动传感器 第六 振动 传感器