03_振动噪声测量传感器

第二章振动、噪声测量传感器传感器：拾取和发送信号三大类：机械式、惯性式电测式光学式此外，还有电化型振动传感器(用于气体测量)一、振动测量传感器基本原理振动测量传感器是将机械振动能转换为电能输出的装置(仪器)，又称拾振器、换能器二、惯性式传感器基本结构：由质量-弹簧组成，设m、k和c分别为质量、刚度和阻尼系数，u为振动体位移，δ为质量块与壳体间的相对位移，则运动微分方程：++振动物体kcmδuutmkδδtcδtm2222dddddd1、惯性式位移传感器mkωnkmc20kmcccζ20式中固有频率临界阻尼系数2nn2n22n2n00ωω1ω2ζωarctgθω2ζωωω1ωωuδ相对阻尼系数位移传感器幅频和相频特性当频比：ω/ωn1(被测频率远大于传感器固有频率)时，有：00uδ２、惯性式加速度传感器由加速度与位移的关系：有当时(小质量)，有：020uωu2222200211nnnωζωωωωωωuδ1ωωn0201uωδn加速度传感器幅频和相频特性工作区间三、电测传感器电测传感器：输入量是机械量，输出量是电量，是将机械量转换成电量的传感器分为两大类:(1)发电式（振动量→电量）(2)参数式（振动量→电参数→电量）(1)发电式传感器工作原理:发电式传感器由永久磁体、磁路和运动线圈组成，根据电磁感应定律，运动线圈将产生感应电势e永久磁铁气隙运动线圈运动速度δ感应电势电测式速度传感器发电式传感器的输出电势：式中:B为磁通密度（gs）L为磁场内导线的有效长度（cm）δ为线圈运动速度（cm/s）电势与速度成正比，故为速度传感器V108δBLe例：CD-1、CD-2型磁电式传感器CD-1型(绝对式)CD-2型(相对式)(2)变间隙型电感传感器变间隙型传感器由线圈、铁芯、气隙和衔铁组成，测量时一般是将衔铁固定在振动体上，气隙δ随振动量而变化，从而引起磁通变化，在线圈输出端产生感应电势输出及线性误差这是一种位移传感器输出电势e与气隙δ为非线性关系，当Δδδ0时舍去非线性项后所产生的误差如下VIZδΔδjωωΔe0403020δΔδδΔδδΔδr(3)差动式电感传感器为了克服上一传感器的缺点，在应用中常采用差动形式，利用两个铁芯和线圈改善动态特性，差动式输出为非线性误差为IZδΔδkjωΔe02705030δΔδδΔδδΔδr差动传感器测轴振动差动传感器测轴振动和轴心轨迹(4)齿型传感器由导磁体、齿圈等组成，用于扭转振动、角振动、转速等测量，齿圈每转过一齿，气隙由小到大变化一次，输出一个脉冲波，其频率为Hz转速齿数6060Nnf(5)电涡流位移传感器原理：当导体置于交变磁场或在磁场中运动时导体上将产生感应电流，此电流在导体内闭合，称为涡流。涡流的大小与导体电阻率ρ、导磁率μ、线圈与被测体之间的距离d以及激励电流的频率f等有关。电涡流位移传感器电涡流位移传感器应用电涡流位移传感器测量轴振动轴心轨迹和两个传感器的波形(6)电容式振动传感器平板电容器的电容量，在忽略边缘效应时，有式中，A为两极板间的有效复盖面积；d为间距；ε为介电常数电容量与复盖面积、介电常数、极板间距有关，改变复盖面积、介电常数或间距，都可以引起电容量的相对变化，这是电容传感器的基本工作原理。)pF(,dAC电容加速度传感器电容加速度传感器结构如下电容加速度传感器误差电容加速度传感器为差动式，其输出为非线性误差为002ddCC%10020030dddddd(7)应变式加速度传感器b0贴片处宽bxl0lxhFa应变片等强度弹性梁质量块Mb1梁固定端宽梁自由端宽这是一种低频传感器，由弹性梁，质量块，应变片及电桥等组成工作原理质量块在加速度作用下，产生惯性力梁在惯性力的作用下发生变形式中：Ｅ材料弹性模量梁的变形引起应变片电阻变化，产生输出信号，输出信号大小与加速度成正比应变式加速度传感器有良好的低频特性(ε)alFEbhlε26(8)压电晶体式加速度传感器振动中最常用的传感器，原理：压电效应特点：灵敏度高，频率范围广，动态范围大，重量轻，体积小压电元件产生的电荷运动方程与前面惯性式加速度传感器相同压电元件是在惯性力Fk作用下产生电荷其中：d12为压电系数，δ为元件厚度两种输出方式：输出电荷或电压信号(C)kFδldq12122YmkXXcXm测量电路QECEeEC并联：输出电荷串联：输出电压压电加速度传感器的二次仪表有两种：电荷放大器与电压放大器压电传感器灵敏度例：6370型压电加速度传感器灵敏感度电荷灵敏度：电压灵敏度：Pc/g9.96Pc/ms88.92加速度a输出电荷Q加速度a输出电荷QqqSSmV/g7.90mV/ms26.92加速度a输出电压V加速度a输出电压VvvSS横向效应及横向灵敏度最大响应轴：垂直于测量平面横向效应：实际上，测量轴总是与最大响应轴偏离一个小的角度，因而在非测量方向（横向）存在输出分量，这一现象称为横向效应横向灵敏度：横向输出分量与输入信号变化量的比值原因：制造公差、材质不均匀、传感器底面不平度、安装不当等因素的影响横向效应xy最大响应轴测量轴横向轴１（无穷多个横向轴）横向轴２最小横向灵敏度方向（红点标志）maxx035.0)290cos(相对灵敏度为增强直观感和便于应用，常采用对数形式的灵敏度，称为相对灵敏度，单位为dBsdBlog200SSS对数刻度HZfdB0频率对幅度的影响-诺莫图加速度位移交越频率交越频率对应于既满足最大许可测量位移又满足最大许可测量加速度的频率称为交越频率选择测量参数（位移或加速度）的参考点计算方法：若传感器的位移量程为1.5mm加速度量程为10g，则交越频率为Hz7.405.18696.9410008.910)π2(20Aafj与电压放大器配套使用电压放大器输出受连接电缆影响，用于短距离测量QCCCCCCQYUpcapcaaCi)(与电荷放大器配套电荷放大器输出不受电缆影响，是最常用的一种测量方法faoCQU加速度传感器对冲击测量的影响目前尚没有冲击测量专用传感器冲击测量多采用高频压电加速度传感器冲击信号具有广阔频谱，从理论讲，其频率区间是无限广阔的用频率区间有限的加速度传感器去测量有广阔频谱的冲击动动，会产生误差，这种误差主要反在频率区间的低端和高端对低频(静态)测量的误差压电加速度传感器这意味着电路不能传递静态分量对高频测量的影响338.0T014.1T203.0T传感器的固有周期与冲击持续时间之比越小越好好差三、电容传声器噪声测量一般采用电容式传声器，要求传声器性能高度稳定、灵敏度高、频响特性好，对所在声场影响小。结构及换能原理电容传声器结构电容传声器结构)(00FdSC式中S—后极板面积，㎡d—两极极间的距离，m—空气的介电常数，F/m0