振动传感器的原理总结

振动传感器的原理总结 《振动传感器的原理总结》 05308111 张航 振动传感器包含拾振、测量放大线路和显示三个环节。电测法测量系统示意图，如图下图所示。 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、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。 下面将分别介绍各常用传感器的工作原理 1. 惯性式传感器 惯性式传感器是利用弹簧质量系统的强迫振动特性来进行振动测量的。 这种传感器直接固定在被测振动体上，不需要相对固定点。测量所得结果直接以固定于地球上的惯性系坐标为参考坐标， 是一种绝对式拾振仪器。 结构示意图 这类传感器是在一个刚性的外壳里安装一个单自由度有阻尼的弹簧质量系统。 根据质量块相对于外壳的运动x来判断外壳体的振动y。 力学原理与频响特性 惯性式传感器利用弹簧质量系统的强迫振动特性进行振动测量。 这种传感器直接固定在被测振动体上，不需要相对固定点。 测量所得结果直接以固定于地球上的惯性系坐标为参考坐标， 是一种绝对式拾振仪器。 ，，，，，，，mx，y，kx，cx,0质量块的运动方程 表明质量块相对于仪器外壳的位移x与振动体的绝对位移y之间存在一定的关系。可以根据x推算出y 2y,,sin,t，，，mx，cx，kx,m,,sin,t假定振动体作简谐振动 代入运动方程得 mm ckk令 22，，，,,x，x，x,,,sin,tmmmm c 222n,，，，x，2nx，,x,,,sin,tmm 上式的解可分为两部分 一部分是齐次方程的解，代表传感器的自由振动。 由于系统存在阻尼，自由振动经过一定时间后就衰减掉了 第二部分为非线性方程的特解，代表强迫振动，它实际上是传感器外壳所引起的传感器系统的响应。 ，，x,,sin,t,,这一部分解可表示为 m 2,, ,，，,2，，m,,,, ,,arctanm2222,，，,, ，，1,，，，，1,，2,,,,,,，，构成位移计的条件 ω/Ω >>1 惯性式位移传感器的频响特性 幅频特性: 相频特性: 2,,，，,2，，, m,,,,,arctan2 ,222m，，,,,，，，，1,，2,，，1, ,,,,，，, 相对阻尼系数ζ对传感器性能的影响 在设计制造惯性式传感器时，需要考虑阻尼的影响，要设法将阻尼系数控制在适当的大小，以充分利用它的影响改善传感器的性能。其影响主要为以下三个方面: 1. 增大ζ能够加快传感器系统本身自由振动的衰减 2. 对幅频特性的影响 适当增加ζ，可增加位移计的使用频率范围，比较理想的情况是ζ=0.6,0.7。 3. 对相频特性的影响 由于阻尼的存在，传感器的相位差α将随被测振动频率的变化而改变。这种现象对于测量简谐振动无明显的影响，但在测量一般周期振动时，将发生波形畸变。 2(动圈型磁电式速度传感器 速度传感器的外壳和被侧振动体固结在一起，使传感器的轴线与测振方向一致; 振动体的振动引起芯杆、线圈和阻尼杯运动; 由于线圈放在磁场中间，运动的线圈切割磁力线，使线圈中感生电动势。 ,4，，e,Blv，10V根据电磁学原理，这一电动势的大小为 式中B为磁通密度(高斯); l为切割磁力线的线圈导线的有效长度 (m); v为线圈在垂直于磁力线方向的运动速度 (m/s)。 速度v实际上就是芯杆、线圈以及阻尼杯 所组成的质量部件相对传感器外壳的运动 速度， ,4，e,Blx，10(V) 由于速度传感器与位移计使用条件(ω/Ω >>1)相同， ，，x,,sin,t,,,,sin,t其质量部件相对于外壳(亦即相对于磁场)的位移为 假mm ,,,sinty,m,,4，y,,,cos,t，e,Blx，10(V)m,定振动体(传感器外壳)的振动为 y,,sin,t，，，，x,,sin,t,,,,sin,t,,m当ω/Ω >>1时， mm ，，，，，x,,,cos,t,,,,,cos,t,,mm 4, ，，,,e,Bl，10,,cos,t,,,Ecos(,t,,)mm 4,e,Ecos(,t,,)E,Bl，10,,传感器输出电动势为 mmm 传感器输出电动势的幅值与被测振动的速度幅值成正比，相位落后α。相位差α应由下式决定 电动型速度传感器的优点 1. 电压灵敏度高，有时可不用信号放大直接测量; 2. 由于输出阻抗(测量线圈电阻)很低，所以外部电噪声很小; 3. 可在较高温度环境中进行测量。 电动型传感器的缺点 1. 由于使用磁路，传感器小型、轻量化困难，对被测试件附加质量较大; 2. 由速度传感器力学原理可知，难以准确测量低频(如f?10Hz)振动; 3. 由于结构设计的困难，最高工作频率一般很难超过1000,1500Hz。因此，有逐渐被 压电型加速度传感器取代的趋势。 。3.加速度计 构成加速度计的条件 , ,2，，,22,,arctan，，，，y,,,,sin,t,,,sin,t，,当被测振动的位移为 其加速度为 2mm,，，1, ,2222，，,,, 当ω<<Ω(ω/Ω <<1)时， ，，，，1,，2,1,，，,m,,,,,，，,, m222，，,, ，，，，1,，2,,,,,，， 当传感器的固有频率Ω远大于被测振动频率ω时，传感器的质量块相对于其外壳振动位移的幅值正比于被测振动加速度的幅值，其比例系数为1/Ω2。 2,1,,2此时，传感器质量块的相对表达式为 ，，,,,,,,,,mmm2,,,, 1 2，，，，x,,,sin,t,,m2, 12，，，，x,,,sin,t,,当ω<<Ω(ω/ Ω <<1)时， m2,, ,2，，,,,arctan相位差α为 2,，，1, , 22，，，，y,,,,sin,t,,,sin,t，,mm 传感器相对振动位移比被测振动加速度滞后(α+π)弧度,只要传感器的固有频率Ω远 大于被测振动的频率ω，该传感器即可作为加速度计使用。为了扩大加速度计的使用频率上限，应当尽可能地提高传感器本身的固有频率。但是，固有频率提高灵敏度必将随之下降 磁电式速度传感器的特点 电动型速度传感器的优点 1. 电压灵敏度高，有时可不用信号放大直接测量; 2. 由于输出阻抗(测量线圈电阻)很低，所以外部电噪声很小; 3. 可在较高温度环境中进行测量。 电动型传感器的缺点 1. 由于使用磁路，传感器小型、轻量化困难，对被测试件附加质量较大; 2. 由速度传感器力学原理可知，难以准确测量低频(如f?10Hz)振动; 3. 由于结构设计的困难，最高工作频率一般很难超过1000,1500Hz。因此，有逐渐被 压电型加速度传感器取代的趋势。 4.压电式加速度计 压电式加速度计结构与工作原理 压电式加速度计采用电压晶体的压电效应实现信号转换 结构图 加速度计的结构根据压电晶体的受力形式 分为剪切型和压缩型两种 剪切型结构采用三片压电晶体元件，带有 各自质量块贴在一个三角形的中心柱上， 外围用一个预压环箍住。当有沿加速度计 走向的加速度时，压电因受剪切变形 而产生电荷。 压缩型结构用一个预压弹簧将一个质量块 紧压在两片(或多片)压电晶体片上，主 以受压型压电加速度计为例说明其工作原理 要由预压弹簧及晶体片本身的刚度一起实 现弹性元件的作用，与质量块(由重金属 制成)组成一个质量弹簧系统。 , qR, 压电效应 au,,Fq,RFaaCC aa , 工作原理 2,,,,S(,)sin(t,)q1aqm2Q,Rk(,,)am1m2,,Qsin(,t,,)am 2,,,u,S(,)sin(t,)aum ,Usin(,t,,)am Rk121 U,(,,)amm2 C,a 注意事项: 在选择和使用压电式加速度计时，还应注意以下各点: 1. 灵敏度和频率范围之间的矛盾。 2. 注意安装固定方法。 3. 接线电缆的固定。 4. 避免接地回路。 5. 背景噪声水平的监测。 5(伺服式加速度传感器 伺服式加速度计的工作原理 伺服加速度传感器在力学原理上仍属于基础式振动测量系统，由惯性质量、悬挂弹簧和阻尼器构成 当质量块偏离平衡位置时，由敏感元件测 出相对位移，然后再通过伺服放大器和电 磁作动器产生与相对位移成正比的电恢复 力，使质量块返回平衡位置。 与压电、压阻型加速度传感器不同的是， 伺服加速度传感器并不直接测量质量块的 相对位移，而是由电磁作动器的电流来反 映相对位移，从而测量基础的振动加速度。 伺服式加速度计的工作过程 1(被测加速度y通过传感器的质量弹簧系统，使 质量块产生相对位移响应x;该过程中，电回路开 ，，，，， 路时有mx，cx，kx,,my 2. 位移检测器将位移信号x变为电压信号u,其放大转换系数为A1。 u,Ax 01 u,Au,AAx3.经伺服放大器(放大倍数为A)放大得 由于输出的电阻R10i1 uAAx01比线圈电阻大得多，在回路中可近似的认为经过输出电阻的电流为 i,, RR11 4(伺服放大器输出电流流经线圈，与磁场作用，变为驱动力，其转换放大系数为 F,Ai,AAAxRA2 e2121 AAA 12，，，，，5.将磁场作用力加入到质量块的平衡方程中 mx，cx，(k，)x,,my R 伺服式加速度传感器输出电压 22,,,，14(),mR00j(,t,,，,) u,e02222A，,,，,,,[1()]4() 2000 3,,KAAAK1K1,,,2()21200,,,,,,,,,,tan, 0002222m2mmR,2mK1,(,,)，4,(,,)0000 适当选择K及β，可以得到一个合适的ζ0，使得在ω/ω0=1之前的幅频特性曲线更为平坦，从而提高传感器的使用上限频率。 6。常用振动传感器的主要技术指标 1. 灵敏度:在的频率范围内和环境条件下输出量(电压、电荷)与输入量(振动 的位移、速度、加速度或电流、电压等)的比值。 2. 频率特性: 幅频特性:灵敏度随频率变化的特性。 相频特性:输入量与输出量之间相位差随频率变化的特性。一般用幅频特性曲线和相频特性曲线来表示。 3. 线性范围:线性范围是指传感器输入量与输出量之间保持线性关系的最大机械输入 量的变化范围。 4. 横向灵敏度:它指传感器承受与主轴方向垂直的振动时，其输入与输出振动量的比 值。 5. 环境因素的影响:在高温、高压、水下及强磁场环境中使用时，要考虑环境参数对 传感器性能的影响，并且要作出相应的修正曲线，以便修正最后测得的数据。