振動(dòng)傳感器

1測(cè)試方法

　　在工程振動(dòng)測(cè)試領(lǐng)域中，測(cè)試手段與方法多種多樣，但是按各種參數(shù)的測(cè)量方法及測(cè)量過(guò)程的物理性質(zhì)來(lái)分，可以分成三類(lèi)。

　　機(jī)械式

　　將工程振動(dòng)的參量轉(zhuǎn)換成機(jī)械信號(hào)，再經(jīng)機(jī)械系統(tǒng)放大后，進(jìn)行測(cè)量、記錄，常用的儀器有杠桿式測(cè)振儀和蓋格爾測(cè)振儀，它能測(cè)量的頻率較低，精度也較差。但在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)較為簡(jiǎn)單方便。

　　光學(xué)式

　　將工程振動(dòng)的參量轉(zhuǎn)換為光學(xué)信號(hào)，經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)放大后顯示和記錄。如讀數(shù)顯微鏡和激光測(cè)振儀等。

　　電測(cè)

　　振動(dòng)傳感器[1]

　　將工程振動(dòng)的參量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)電子線(xiàn)路放大后顯示和記錄。電測(cè)法的要點(diǎn)在于先將機(jī)械振動(dòng)量轉(zhuǎn)換為電量（電動(dòng)勢(shì)、電荷、及其它電量），然后再對(duì)電量進(jìn)行測(cè)量，從而得到所要測(cè)量的機(jī)械量。這是目前應(yīng)用得最廣泛的測(cè)量方法。

　　上述三種測(cè)量方法的物理性質(zhì)雖然各不相同，但是，組成的測(cè)量系統(tǒng)基本相同，它們都包含拾振、測(cè)量放大線(xiàn)路和顯示記錄三個(gè)環(huán)節(jié)。

　　1、拾振環(huán)節(jié)。把被測(cè)的機(jī)械振動(dòng)量轉(zhuǎn)換為機(jī)械的、光學(xué)的或電的信號(hào)，完成這項(xiàng)轉(zhuǎn)換工作的器件叫傳感器。

　　2、測(cè)量線(xiàn)路。測(cè)量線(xiàn)路的種類(lèi)甚多，它們都是針對(duì)各種傳感器的變換原理而設(shè)計(jì)的。比如，專(zhuān)配壓電式傳感器的測(cè)量線(xiàn)路有電壓放大器、電荷放大器等；此外，還有積分線(xiàn)路、微分線(xiàn)路、濾波線(xiàn)路、歸一化裝置等等。

　　3、信號(hào)分析及顯示、記錄環(huán)節(jié)。從測(cè)量線(xiàn)路輸出的電壓信號(hào)，可按測(cè)量的要求輸入給信號(hào)分析儀或輸送給顯示儀器（如電子電壓表、示波器、相位計(jì)等）、記錄設(shè)備（如光線(xiàn)示波器、磁帶記錄儀、X—Y記錄儀等）等。也可在必要時(shí)記錄在磁帶上，然后再輸入到信號(hào)分析儀進(jìn)行各種分析處理，從而得到最終結(jié)果。

2接收原理

　　振動(dòng)傳感器在測(cè)試技術(shù)中是關(guān)鍵部件之一，它的作用主要

　　振動(dòng)傳感器原理

　　是將機(jī)械量接收下來(lái)，并轉(zhuǎn)換為與之成比例的電量。由于它也是一種機(jī)電轉(zhuǎn)換裝置。所以我們有時(shí)也稱(chēng)它為換能器、拾振器等。

　　振動(dòng)傳感器并不是直接將原始要測(cè)的機(jī)械量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏?，而是將原始要測(cè)的機(jī)械量做為振動(dòng)傳感器的輸入量，然后由機(jī)械接收部分加以接收，形成另一個(gè)適合于變換的機(jī)械量，最后由機(jī)電變換部分再將變換為電量。因此一個(gè)傳感器的工作性能是由機(jī)械接收部分和機(jī)電變換部分的工作性能來(lái)決定的。

　　1、相對(duì)式機(jī)械接收原理

　　由于機(jī)械運(yùn)動(dòng)是物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的最簡(jiǎn)單的形式，因此人們最先想到的是用機(jī)械方法測(cè)量振動(dòng)，從而制造出了機(jī)械式測(cè)振儀（如蓋格爾測(cè)振儀等）。傳感器的機(jī)械接收原理就是建立在此基礎(chǔ)上的。相對(duì)式測(cè)振儀的工作接收原理是在測(cè)量時(shí)，把儀器固定在不動(dòng)的支架上，使觸桿與被測(cè)物體的振動(dòng)方向一致，并借彈簧的彈性力與被測(cè)物體表面相接觸，當(dāng)物體振動(dòng)時(shí)，觸桿就跟隨它一起運(yùn)動(dòng)，并推動(dòng)記錄筆桿在移動(dòng)的紙帶上描繪出振動(dòng)物體的位移隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)，根據(jù)這個(gè)記錄曲線(xiàn)可以計(jì)算出位移的大小及頻率等參數(shù)。

　　由此可知，相對(duì)式機(jī)械接收部分所測(cè)得的結(jié)果是被測(cè)物體相對(duì)于參考體的相對(duì)振動(dòng)，只有當(dāng)參考體絕對(duì)不動(dòng)時(shí)，才能測(cè)得被測(cè)物體的絕對(duì)振動(dòng)。這樣，就發(fā)生一個(gè)問(wèn)題，當(dāng)需要測(cè)的是絕對(duì)振動(dòng)，但又找不到不動(dòng)的參考點(diǎn)時(shí)，這類(lèi)儀器就無(wú)用武之地。例如：在行駛的內(nèi)燃機(jī)車(chē)上測(cè)試內(nèi)燃機(jī)車(chē)的振動(dòng)，在地震時(shí)測(cè)量地面及樓房的振動(dòng)……，都不存在一個(gè)不動(dòng)的參考點(diǎn)。在這種情況下，我們必須用另一種測(cè)量方式的測(cè)振儀進(jìn)行測(cè)量，即利用慣性式測(cè)振儀。

　　2、慣性式機(jī)械接收原理

　　慣性式機(jī)械測(cè)振儀測(cè)振時(shí)，是將測(cè)振儀直接固定在被測(cè)振動(dòng)物體的測(cè)點(diǎn)上，當(dāng)傳感器外殼隨被測(cè)振動(dòng)物體運(yùn)動(dòng)時(shí)，由彈性支承的慣性質(zhì)量塊將與外殼發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，則裝在質(zhì)量塊上的記錄筆就可記錄下質(zhì)量元件與外殼的相對(duì)振動(dòng)位移幅值，然后利用慣性質(zhì)量塊與外殼的相對(duì)振動(dòng)位移的關(guān)系式，即可求出被測(cè)物體的絕對(duì)振動(dòng)位移波形。

3機(jī)電變換

　　一般來(lái)說(shuō)，振動(dòng)傳感器在機(jī)械接收原理方面，只有相對(duì)式、慣性式兩種，但在機(jī)電變換方面，由于變換方法和性質(zhì)不同，其種類(lèi)繁多，應(yīng)用范圍也極其廣泛。

　　在現(xiàn)代振動(dòng)測(cè)量中所用的傳感器，已不是傳統(tǒng)概念上獨(dú)立的機(jī)械測(cè)量裝置，它僅是整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)中的一個(gè)環(huán)節(jié)，且與后續(xù)的電子線(xiàn)路緊密相關(guān)。

　　由于傳感器內(nèi)部機(jī)電變換原理的不同，輸出的電量也各不相同。有的是將機(jī)械量的變化變換為電動(dòng)勢(shì)、電荷的變化，有的是將機(jī)械振動(dòng)量的變化變換為電阻、電感等電參量的變化。一般說(shuō)來(lái)，這些電量并不能直接被后續(xù)的顯示、記錄、分析儀器所接受。因此針對(duì)不同機(jī)電變換原理的傳感器，必須附以專(zhuān)配的測(cè)量線(xiàn)路。測(cè)量線(xiàn)路的作用是將傳感器的輸出電量最后變?yōu)楹罄m(xù)顯示、分析儀器所能接受的一般電壓信號(hào)。因此，振動(dòng)傳感器按其功能可有以下幾種分類(lèi)方法：

　　按機(jī)械接收原理分：相對(duì)式、慣性式；

　　按機(jī)電變換原理分：電動(dòng)式、壓電式、電渦流式、電感式、電容式、電阻式、光電式；

　　按所測(cè)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(lèi)法中的傳感器是相容的。

4分類(lèi)

　　相對(duì)式

　　電動(dòng)式傳感器基于電磁感應(yīng)原理，即當(dāng)運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)體在固定的磁場(chǎng)里切割磁力線(xiàn)時(shí)，導(dǎo)體兩端就感生出電動(dòng)勢(shì)，因此利用這一原理而生產(chǎn)的傳感器稱(chēng)為電動(dòng)式傳感器。

　　相對(duì)式電動(dòng)傳感器從機(jī)械接收原理來(lái)說(shuō)，是一個(gè)位移傳感器，由于在機(jī)電變換原理中應(yīng)用的是電磁感應(yīng)定律，其產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)同被測(cè)振動(dòng)速度成正比，所以它實(shí)際上是一個(gè)速度傳感器。

　　電渦流式

　　電渦流傳感器是一種相對(duì)式非接觸式傳感器，它是通過(guò)傳感器端部與被測(cè)物體之間的距離變化來(lái)測(cè)量物體的振動(dòng)位移或幅值的。電渦流傳感器具有頻率范圍寬（0～10kHZ），線(xiàn)性工作范圍大、靈敏度高以及非接觸式測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，主要應(yīng)用于靜位移的測(cè)量、振動(dòng)位移的測(cè)量、旋轉(zhuǎn)機(jī)械中監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)軸的振動(dòng)測(cè)量。

　　電感式

　　依據(jù)傳感器的相對(duì)式機(jī)械接收原理，電感式傳感器能把被測(cè)的機(jī)械振動(dòng)參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換成為電參量信號(hào)的變化。因此，電感傳感器有二種形式，一是可變間隙，二是可變導(dǎo)磁面積。

　　電容式

　　電容式傳感器一般分為兩種類(lèi)型。即可變間隙式和可變公共面積式。可變間隙式可以測(cè)量直線(xiàn)振動(dòng)的位移?？勺兠娣e式可以測(cè)量扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的角位移。

　　慣性式

　　慣性式電動(dòng)傳感器由固定部分、可動(dòng)部分以及支承彈簧部分所組成。為了使傳感器工作在位移傳感器狀態(tài)，其可動(dòng)部分的質(zhì)量應(yīng)該足夠的大，而支承彈簧的剛度應(yīng)該足夠的小，也就是讓傳感器具有足夠低的固有頻率。

　　根據(jù)電磁感應(yīng)定律，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為：u=Blx&r

　　式中B為磁通密度，l為線(xiàn)圈在磁場(chǎng)內(nèi)的有效長(zhǎng)度，rx&為線(xiàn)圈在磁場(chǎng)中的相對(duì)速度。

　　從傳感器的結(jié)構(gòu)上來(lái)說(shuō)，慣性式電動(dòng)傳感器是一個(gè)位移傳感器。然而由于其輸出的電信號(hào)是由電磁感應(yīng)產(chǎn)生，根據(jù)電磁感應(yīng)電律，當(dāng)線(xiàn)圈在磁場(chǎng)中作相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，所感生的電動(dòng)勢(shì)與線(xiàn)圈切割磁力線(xiàn)的速度成正比。因此就傳感器的輸出信號(hào)來(lái)說(shuō)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)是同被測(cè)振動(dòng)速度成正比的，所以它實(shí)際上是一個(gè)速度傳感器。

　　壓電式

　　壓電式加速度傳感器的機(jī)械接收部分是慣性式加速度機(jī)械接收原理，機(jī)電部分利用的是壓電晶體的正壓電效應(yīng)。其原理是某些晶體（如人工極化陶瓷、壓電石英晶體等，不同的壓電材料具有不同的壓電系數(shù)，一般都可以在壓電材料性能表中查到。）在一定方向的外力作用下或承受變形時(shí)，它的晶體面或極化面上將有電荷產(chǎn)生，這種從機(jī)械能（力，變形）到電能（電荷，電場(chǎng)）的變換稱(chēng)為正壓電效應(yīng)。而從電能（電場(chǎng)，電壓）到機(jī)械能（變形，力）的變換稱(chēng)為逆壓電效應(yīng)。

　　因此利用晶體的壓電效應(yīng)，可以制成測(cè)力傳感器，在振動(dòng)測(cè)量中，由于壓電晶體所受的力是慣性質(zhì)量塊的牽連慣性力，所產(chǎn)生的電荷數(shù)與加速度大小成正比，所以壓電式傳感器是加速度傳感器。

　　壓電式力

　　在振動(dòng)試驗(yàn)中，除了測(cè)量振動(dòng)，還經(jīng)常需要測(cè)量對(duì)試件施加的動(dòng)態(tài)激振力。壓電式力傳感器具有頻率范圍寬、動(dòng)態(tài)范圍大、體積小和重量輕等優(yōu)點(diǎn)，因而獲得廣泛應(yīng)用。壓電式力傳感器的工作原理是利用壓電晶體的壓電效應(yīng)，即壓電式力傳感器的輸出電荷信號(hào)與外力成正比。

　　阻抗頭

　　阻抗頭是一種綜合性傳感器。它集壓電式力傳感器和壓電式加速度傳感器于一體，其作用是在力傳遞點(diǎn)測(cè)量激振力的同時(shí)測(cè)量該點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。因此阻抗頭由兩部分組成，一部分是力傳感器，另一部分是加速度傳感器，它的優(yōu)點(diǎn)是，保證測(cè)量點(diǎn)的響應(yīng)就是激振點(diǎn)的響應(yīng)。使用時(shí)將小頭（測(cè)力端）連向結(jié)構(gòu)，大頭（測(cè)量加速度）與激振器的施力桿相連。從“力信號(hào)輸出端”測(cè)量激振力的信號(hào)，從“加速度信號(hào)輸出端”測(cè)量加速度的響應(yīng)信號(hào)。

　　注意，阻抗頭一般只能承受輕載荷，因而只可以用于輕型的結(jié)構(gòu)、機(jī)械部件以及材料試樣的測(cè)量。無(wú)論是力傳感器還是阻抗頭，其信號(hào)轉(zhuǎn)換元件都是壓電晶體，因而其測(cè)量線(xiàn)路均應(yīng)是電壓放大器或電荷放大器。

　　電阻應(yīng)變式

　　電阻式應(yīng)變式傳感器是將被測(cè)的機(jī)械振動(dòng)量轉(zhuǎn)換成傳感元件電阻的變化量。實(shí)現(xiàn)這種機(jī)電轉(zhuǎn)換的傳感元件有多種形式，其中最常見(jiàn)的是電阻應(yīng)變式的傳感器。

　　電阻應(yīng)變片的工作原理為：應(yīng)變片粘貼在某試件上時(shí)，試件受力變形，應(yīng)變片原長(zhǎng)變化，從而應(yīng)變片阻值變化，實(shí)驗(yàn)證明，在試件的彈性變化范圍內(nèi)，應(yīng)變片電阻的相對(duì)變化和其長(zhǎng)度的相對(duì)變化成正比。

　　激光

　　激光傳感器利用激光技術(shù)進(jìn)行測(cè)量的傳感器。它由激光器、激光檢測(cè)器和測(cè)量電路組成。激光傳感器是新型測(cè)量儀表，它的優(yōu)點(diǎn)是能實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸遠(yuǎn)距離測(cè)量，速度快，精度高，量程大，抗光、電干擾能力強(qiáng)等，極適合于工業(yè)和實(shí)驗(yàn)室的非接觸測(cè)量應(yīng)用。