振动测量传感器

第二部分振动测量传感器振动传感器的分类按物理过程发电式电动式磁电式压电式电磁感应原理电参数电阻式电感式电容式压阻式按力学过程惯性式（质量-弹簧）无参照系接触式（跟随）有参照系非接触式（电涡流、激光、光电）振动传感器的分类按被测参数位移传感器速度传感器加速度传感器力传感器应变传感器扭振传感器扭矩传感器振动传感器的分类惯性式传感器工作原理力学模型如图所示。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运动方程0110101()0myycyky20100100112yyyy20km02cm强迫振动解为01sin()myyt其中20122200()[1()](2)mmyy0202arctg1()惯性式传感器则20222100()[1()](2)mmyy惯性式传感器对的讨论1mmyy11mmyy表明质块和壳体的相对运动（输出）和基础的振动（输入）近乎相等，即表明质块在惯性座标中几乎处于静止状态作为加速度计的条件210()mmyy1201mmyy作为位移计的条件（应用于动圈式速度传感器的设计）20222100()[1()](2)mmyy1当时，即被测频率远高于传感器固有频率时2当时，即被测频率远低于传感器固有频率时阻尼对惯性位移计幅频特性的影响01234501234561.00.70.50.20.12.01mmyy0惯性式传感器惯性式传感器阻尼对惯性加速度传感器幅频特性的影响02021mmyy10-310-210-11001011000.10.20.50.712惯性式传感器001234500.511.522.533.50.10.22.01.00.70.5阻尼对惯性传感器相频特性的影响电磁感应式速度传感器分类运动导体切割磁力线产生感应电动式电动式速度传感器磁电式速度传感器导体不动，穿过导体的磁力线数发生变化，导体两端产生感应电动式eBldendx电动式速度传感器--相对式速度传感器1—顶杆2—弹簧片3—磁钢4—线圈5—引出线6—壳体用来测量振动系统中两部件之间的相对振动速度，壳体固定于一部件上，而顶杆与另一部件相连接。从而使传感器内部的线圈与磁钢产生相对运动，产生相应的电动势来。特点：1、可测量频率从零赫兹开始的相对振动量；2、使用频率上限由接触杆与被测物体表面的接触共振频率决定，或者由连杆和线圈骨架组成的轴向固有频率决定；3、输入与输出之间的相移基本为零；4、附加质量不大；5、对被测物体有附加刚度。电动式速度传感器--相对式速度传感器使用应注意的问题电动式速度传感器--相对式速度传感器电动式速度传感器—惯性式速度传感器a单磁隙结构b双磁隙结构c动磁钢结构结构：支撑弹簧电动式速度传感器—惯性式速度传感器弹簧片除了提供弹性恢复力外，还对可动部件起导向作用。良好的弹簧片其刚度非线性应很小，弹簧片本身作为弹性体振动的频率要足够高，并且还应具有较强的抗侧向失稳能力。双磁隙结构与工作原理1—弹簧2—壳体3—阻尼环4—磁钢5—线圈6—芯轴在测振时，传感器固定于被测系统，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.电动式速度传感器--惯性式速度传感器力学模型与运动方程电动式速度传感器—惯性式速度传感器机械接收部分机电变换部分rrremxcxkxmxBli0()ttrdiLRRiBlxdt当时rrremxcxkxmx220BiccRSBl灵敏度0ruBlx阻尼的实现1、扩展速度拾振器的工作频率下限，一般采用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2、有助于迅速衰减意外瞬态扰动所引起的瞬态振动。3、使传感器的相频特性在工作频率范围内基本保持比例相移电动式速度传感器—惯性式速度传感器1、油阻尼2、电涡流阻尼3、电磁阻尼阻尼的作用1.7n惯性式速度传感器的特点1、测量的是绝对速度振动量；2、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；3、全部质量都附加给被测物体；4、灵敏度高、信噪比强；5、输出阻抗小，且输出直接是电压量，可直接测量；6、横向灵敏度较小，频率范围较宽电动式速度传感器磁电式速度传感器结构eNS振动物体变换过程物体与传感器的相对运动空气间隙变化穿过线圈的磁通量变化产生感应电动式ddennxdtdx输入与输出关系式磁电式速度传感器的特点1、非接触型，对被测体无附加质量和刚度；2、灵敏度不等于常数，与间隙、振动物体的大小、材料形状等有关，受测量物体表面电涡流影响；3、动态幅值不是线性，只有当被测物体位移远小于空气间隙时，它的幅值才基本上维持线性磁电式速度传感器压电式加速度传感器压电式加速度计的结构(a)中心安装压缩型(b)环形剪切型(c)三角剪切型在图中，S是弹簧，M是质块，B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。各种结构特点压电式加速度传感器压电式加速度计的敏感元件天然石英晶体机械强度高，绝缘性能好，压电常数在500度以下不随温度变化，但压电常数低。压电常数大，比石英晶体大几十倍，但压电常数稳定性差，受温度影响大，当超过居里温度时，压电效应就会消失。正压电效应压电元件在一定方向的外力作用下或施加机械变形时，在压电元件的晶面或极化面上将产生电荷。在压电元件表面通一电压，由于电场的作用，压电元件将产生几何变形。逆压电效应人工极化陶瓷压电晶体压电效应压电式加速度传感器压电式加速度传感器石英晶体的压电效应理想形状：中间为六棱柱，两端为对称的棱锥，共30个晶面。光轴电轴机械轴光轴：z轴，与晶体纵轴方向一致。光线沿z轴方向通过晶体不发生双折射。沿光轴的作用力不产生压电效应，故又称为中性轴。压电式加速度传感器电轴：x轴，通过两个相对的六角棱线并垂直于光轴的轴线。垂直于此轴的晶面上有最强的压电效应。机械轴：y轴，垂直于x轴和z轴所在平面的轴线。在电场作用下，y轴具有最明显的机械变形。石英晶体的压电效应石英晶体z轴仅一个，x轴和y轴各有3个。压电式加速度传感器压电效应模型■纵向压电效应：沿x轴加力，电荷出现在垂直于x轴的表面。■横向压电效应：沿y轴加力，电荷仍出现在垂直于x轴的表面。■切向压电效应：沿x轴或y轴施加垂直于z轴的剪切力，在垂直于x轴的晶体表面产生电荷。压电式加速度传感器压电式传感器及其等效电路在压电晶片的两个工作面上进行金属蒸镀，形成金属膜，构成两个电极。当压电晶片受到压力F的作用时，分别在两个极板上积聚数量相等而极性相反的电荷，形成电场。压电元件的开路电压：压电元件的开路电压：/aaUqC压电式加速度传感器压电式传感器及其等效电路若考虑负载（测量电路），等效电路如下：假设一恒定力F作用于压电器件，产生电量q，则输出电压：其中，Cc、Ci分别为电缆寄生电容及后续测量电路的输入电容。压电式加速度传感器压电式传感器的使用◆由于电荷泄漏，静态测量或准静态量值时,必须采取一定措施,使电荷从压电元件经测量电路的漏失减小到足够小的程度；◆动态测量时,电荷可以不断补充,从而供给测量电路一定的电流,故压电式传感器适宜作动态测量。压电式加速度传感器压电元件的串接压电式传感器有电荷及电压两种输出方式。为了增大输出值，压电传感器往往用两个（较多见）或两个以上的晶体串接或并接：n个晶体串接时，输出电荷量与单片晶体电荷相同，总电容为单片晶体电容的1/n，输出电压为单片晶体电压的n倍。串接时，输出电压大、电容小、时间常数小，适宜测量迅变信号和以电压输出的场合。FFa)串联压电式加速度传感器压电元件的并接n个晶体并接时，输出电荷量为单片晶体电荷n倍，总电容为单片晶体电容n倍，输出电压等于单片晶体电压。并接时，输出电荷量大、电容大、时间常数大，适宜测量缓变信号和以电荷输出的场合。FFb)并联pqmbmkrxex振动物体压电式加速度计的特性分析1、力学模型—中心压缩型2、机电转换过程ex惯性接收压电变换物理量转换pqu当传感器跟随物体运动时，惯性接收部分将被测的加速度接收为相对于底座的相对振动位移，于是压电晶体片受到的动态力，然后由压电正效应变换为作用在晶体面上的电荷。exmrxrpkxq332rqdkx332eqdmx21rnexx3、输入与输出关系式压电式加速度传感器4、特性参数①灵敏度电荷灵敏度电压灵敏度332qeqSdmx2(/pcms/)pcg3324eedmteSxD2(/vms/)vg其中3324eEdmxtqecD22EDct（开路电压）（极间电容）②动态范围最小可测振级主要受测量仪器的噪声电平限制最大可测振级主要受传感器的强度及非线性因素限制压电式加速度传感器③频率特性加速度计的使用上限频率取决于幅频曲线中的共振频率。一般阻尼比小于0.1的加速度计，上限频率若取为共振频率的1/3，便可保证幅值误差低于1dB（即12%）；若取为共振频率的1/5，则可保证幅值误差小于0.5dB（即6%），相移小于3度。但共振频率与加速度计的安装有关，加速度计出厂时给出的幅频曲线是在刚性连接的固定情况下得到的。实际使用的固定方法往往难于达到刚性连接，因而共振频率和使用上限频率都会有所下降。nff上f下S④横向灵敏度⑤环境特性温度，湿度，磁场等小于5%固有频率、灵敏度和动态范围相互制约,,,,,,nnSmfDSmfD当时当时压电式加速度传感器5、加速度计的固定方法其中图a采用钢螺栓固定，是共振频率能达到出厂共振频率的最好方法。螺栓不得全部拧入基座螺孔，以免引起基座变形，影响加速度计的输出。在安装面上涂一层硅脂可增加不平整安装表面的连接可靠性。需要绝缘时可用绝缘螺栓和云母垫片来固定加速度计（图b），但垫圈应尽量簿。用一层簿蜡把加速度计粘在试件平整表面上（图c），也可用于温度低于40℃以下的场合。手持探针测振方法（图d）在多点测试时使用特别方便，但测量误差较大，重复性差，使用上限频率一般不高于1000Hz。用专用永久磁铁固定加速度计（图e），使用方便，多在低频测量中使用。此法也可使加速度计与试件绝缘。用硬性粘接螺栓（图f）或粘接剂（图g）的固定方法也长使用。某种典型的加速度计采用上述各种固定方法的共振频率分别约为：钢螺栓固定法31kHz，云母垫片28kHz，涂簿蜡层29kHz，手持法2kHz，永久磁铁固定法7kHz。压电式加速度传感器6、加速度计的接地问题注意：单点接地压电式加速度传感器×√7、加速度计的前置放大器压电式传感器的前置放大器有：电压放大器和电荷放大器。所用电压放大器就是高输入阻抗的比例放大器。其电路比较简单，但输出受连接电缆对地电容的影