第2章 振动传感器系统原理及其应用技术.ppt

第2章 振动传感器测试系统原理及其应用技术  2.1 振动测试系统及设备框图 2.2 振动传感器的原理及其分类 2.2.1原理 2.2.2 分类 2.3 测量系统的主要性能指标 灵敏度： 2.4 惯性式传感器的接收原理 位移计型惯性接收 传感器的工作区在其固有频率之上 阻尼比在最佳阻尼比0.5—0.7之间时，可拓宽传感器的使用下限频率。 加速度计型惯性接收： 传感器的工作区在其固有频率之下。 阻尼比在最佳阻尼比0.5—0.7之间时，可拓宽传感器的使用上限频率。 相对阻尼系数ξ对传感器的影响 1.增大ξ，能加速自由振动的衰减。 2.对幅频特性的影响。适当增大ξ，可以使位移计使用下限更低些。假如许可2%的误差,当ξ=0.6时,使用频率的下限可扩展到2.7fn (fn=Pn/2π);当ξ=0.7时,使用频率的下限可扩展到2.13fn。 3.对相频特性的影响。由于阻尼的存在，相位差α将随被测振动频率而改变。当测量简谐振动时影响并不大，而测量其它非简谐振动时波型将会发生畸变。例如允许位移传感器的相位差的误差不超过10?，则当ξ=0.6时，下限频率只能到7fn;当ξ=0.7，只能扩展到8fn。 4.当相位差α将随被测振动频率呈近似线性变化时，如ξ=0.6∽0.7时，在加速度计的工作范围内，相频曲线也近似为线性变化。波型将不会发生畸变。 2.5 电动式传感器 2.5.1变换原理 基于磁电变换的传感器。 楞次定律：长度为l的导线以速度v垂直于磁场方向运动时，导体将产生感应电动势，其大小为ut=Blv.其方向满足右手定则，即伸平右手，大拇指垂直于其它四指，让磁力线垂直右手心，大拇指指向导线运动方向，则其它四指的方向为电动势正方向。 安培定律：当导体中有电流i时，导体将受磁场电磁力作用，其大小为ft=Bli.其方向满足左手定则，即伸平左手，大拇指垂直于其它四指，让磁力线垂直左手心，四指指向电流方向，则大拇指的方向为电磁力方向。 2.5.2电动式传感器的类型 分为相对式和绝对式(惯性式)两种。 其变换的振动量均为速度，因此均为速度传感器。 特点: 输出信号电压大，不易受电、磁、声场干扰; 测量电路简单。 2.5.3 相对式速度传感器 须将顶杆预压在被测物体上，同时将传感器外壳固定在选定的参考基座上，理论上要求基座完全静止不动，则顶杆相对于基座振动vb的速度vr与被测物体振动vo的速度相同。 2.5.4 惯性式速度传感器 从结构上来说，是一个位移传感器。而实际上是一个速度传感器，因为所用的输出信号是感生电动势，而感生电动势是与线圈切割磁力线的速度从正比。 为使速度传感器有比较宽的使用频率范围，在工作线圈的对面安装了一个紫铜制成的阻尼环。通过选择合适的尺寸，可以得到ξ=0.7。此短路环产生感生电流。这个短路环又在磁场运动，从而产生电磁力，呈阻力形式，其大小与速度成正比。 此速度传感器的工作频段在其固有频率之上。 电涡流阻尼 2.5.5 惯性式传感器的相移和阻尼 当??n时，质量块在绝对空间近乎静止，振动件与质量块的相对位移就近似其绝对位移，相对速度近似其绝对速度。 磁电式绝对速度计的频率特性和绝对式位移拾振器是一样的。 传感器的工作区在其固有频率之上，在固有频率附近相移很明显，必须进行修正。 阻尼比在最佳阻尼比0.5—0.7之间时，可拓宽传感器的使用下限频率。 2.5.5.2 引入阻尼的方法 可采用油阻尼、电涡流阻尼来增大传感器的阻尼 油阻尼依靠油的粘度，但粘度对温度敏感，所以阻尼不稳定； 电涡流阻尼可采用短路环实现，即在传感器动圈架上紧箍（安装）一个电阻系数极低的小环，例如电解铜。 2.6 压电式力传感器及加速度传感器原理 2.6.1 原理 石英、压电陶瓷、酒石酸钾钠、钛酸钡等多晶体材料在受力变形时晶格发生变化，表面产生自由电荷的现象称为压电效应。这种机电变换的反变换可用于制造小振动量的高频激振器。 当力施加在压电材料的极化方向使其发生轴向变形时，与极化方向垂直的表面产生与施加的力成正比的电荷，导致输出端的电势差（电压）。这种方式为正压电效应，也称为压缩效应。 当力施加在压电材料的极化方向使其发生剪切变形时，与极化方向平行的表面产生与施加的力成正比的电荷，导致输出端的电势差（电压）。这种方式为剪切压电效应。 加速度传感器(Accelerometer) 6.2 压电传感器类型 压缩式传感器 剪切式传感器 幅频特性及工作范围 2.6.2 压电传感器类型 压缩式设计的传感器一般采用中心压缩式设计方式，将压电元件-弹簧-惯性质量系统通过圆柱安装在传感器底座上，底座因环境因素变形或安装表面不平整等因素引起底座的变形都将导致传感器的电荷输出。构造简单，性能稳定，有较高的灵