工作台振动测量仪设计

摘要

振动测试仪是一种能测量机械、物体等振动的测量仪器。比如测振仪、动平衡仪、振动测试与模态分析仪都算是振动测试仪。振动是自然界、工程技术和日常生活中普遍存在的物理现象。各种机器、仪器和设备运行时，不可避免地存在着诸如回转件的不平衡、负载的不均匀、结构刚度的各向异性、润滑状况的不良及间隙等原因而引起受力的变动、碰撞和冲击，以及由于使用、运输和外界环境下能量传递、存储和释放都会诱发或激励机械振动。所以说，任何一台运行着的机器、仪器和设备都存在着振动现象。在大多数情况下，机械振动是有害的。振动往往会破坏机器的正常工作和原有性能，振动的动载荷使机器加速失效、缩短使用寿命甚至导致损坏造成事故。机械振动还直接或间接地产生噪声，恶化环境和劳动条件，危害人类的健康。因此，要采取适当的措施使机器振动在限定范围之内，以避免危害人类和其他结构。

关键词：振动测量仪、动载荷、机械振动

Abstract

Vibration test instrument is a method which can measure the mechanical and object vibration measuring instrument. Such as Ce Zhenyi, dynamic balance, vibration testing and modal analysis is a vibration tester. Vibration is a common physical phenomenon exist in nature, engineering technology and in daily life. Operation of the machine, instrument and equipment of various, inevitably exist such as rotating parts unbalance, the load is uniform and the structure stiffness anisotropy, the lubrication condition bad and the gap caused by the reasons such as the stress changes, collision and impact, and due to the use of energy transport, transport and transfer, external environment storage and release will induce or incentive of mechanical vibration. So, machinery, instruments and equipment on any computer running there are vibration phenomenon. In most cases, the mechanical vibration is harmful. Vibration often destroy the machine normal work and the original performance, the dynamic load of the machine vibration accelerated failure, shorten the service life and even lead to the damage caused by the accident. Mechanical vibration is also directly or indirectly generate noise, deterioration of the environment and working conditions, harm to human health. Therefore, to take appropriate measures to make the vibration of the machine in a limited range, in order to avoid harm to human and other structures.

Key words: Vibration test、the dynamic load 、Mechanical vibration

目录

第1章微振动测试仪的设计 (1)

1.2 压电材料的分类及特性 (5)

1.2.1 压电陶瓷 (5)

1.3 压电陶瓷传感器的等效电路 (6)

第2章电荷放大电路 (9)

2.1 电荷放大电路 (9)

2.2 测量电路 (10)

第3章振动测量 (12)

3.1 振动测量的概念 (12)

3.2 振动测量的分类 (12)

3.3压电式传感器的结构原理 (13)

总结 (15)

参考资料 (16)

致谢 (17)

第1章微振动测试仪的设计

微振动测试仪的设计主要组成部分压电式传感器，用于信息的采集；在本设计方案里选择压电陶瓷传感器做为压电式传感器。通过电路连接把所采集的信息传递给电荷放大器，对微弱的电荷信号进行放大，信号的放大通常有两种：电压放大和电荷放大。这里考虑避免接入电容的影响，所以采用电荷放大。除了电荷放大，还要再一次对信号进行放大，这里采用运算放大器和一定的电路组成。把最终信号传输给显示器就可以得到微振动的多组数据结果，就可以得到被测物体的每刻状态。系统硬件原理图如图1-1：

1.1 压电效应

某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时部会产生极化现象，同时么其表面上产生电荷，当外力去掉后，又重新回到不带电的状态．这种现象称为压电效应。反之，在电介质的极化方向上施加交变电场或电压、它会产生机械变形；当去掉外加电场时，电介质变形随之消失，这种现象称为逆压电效应(电致伸缩效应)例如音乐贺卡中的压电片就是利用逆压电效应而发声的。具有压电效应的物质很多，如天然形成的石英晶体、人工制造的压电陶瓷等。在晶体的弹性限度内，压电材料受力后，其表面产生的电荷Q与所施加

的力F成正比即 Q=dF

式中d—压电常数。

自然界中与压电效应有关的现象很多例如在敦煌的鸣沙丘．当许多游客在沙丘上蹦跳或从鸣沙厅上柠下滑时，可以听到雷鸣般的隆隆声；产生这个现象的原因是无数干燥的沙子(siO2晶体)在重压下表面产个电荷。在某——时刻，形成电压串联，产生很高的电压。并通过空气放电而发出声音。

1.2 压电材料的分类及特性

压电式传感器中的压电元件材料一般有三类：一类是压电晶体(单晶体)；第二类是经过极化处理的压电陶瓷(多晶体)；第三类是高分子压电材料。这里我们主要介绍第二类。

1.2.1 压电陶瓷

压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料．它由无数细微的电畴组成。这些电畴实际上是分子自发极化的小区域，在无外电场作用时，各个电畴在晶体中杂乱分布。它们的极化效应被相互抵消了，因此原始的在电陶瓷呈中性，不具有压电性质。为了使压电陶瓷具有压电效应，必须在一定温度下做极化处理。极化处理之后，陶瓷材料内部存在有很强的剩余极化强度．当压电陶瓷受外力作用时，其表面也能产生电荷，所以压电陶瓷也具有压电效应。

压电陶瓷制造工艺成熟，通过改变配方或掺杂微量元素可使材料的技术件能有较大改变，以适应各种要求它还具有良好的工艺性．可以方便地加工成各种需要的形状，在通常情况下，它比石英品体的比电系数高得多，而制造成本较低，因此日前冈内外压电元件绝大多数都采用压电陶瓷。常用的压电陶资材料主要有以下几种：(1)锆钛酸铅系列压电陶瓷(PZT)锆钛酸铅压电陶瓷是由钛酸铅和铁酸铅组成的固熔休。它有较高的压电常数[d—(200—500)*10-12c/n]和居里点(500c左右)，是目前经常采用的一种压电材料。在上述材料小加入微量的镧(La)、铌(Nb)或睇(Sb)等，可以得到不同性能的PZT材料。PzT足工业中应用较多的压电陶瓷。

(2)铌镁酸铅压电陶瓷(PMN)

铌镁酸铅压电陶瓷具有较高的压电常数{dll＝(800一900)x10-12C／n}和居里点(260C’)，它能在压力大至70MPa时正常工作。因此可作为高压下的力传感器。目前还有一些铌酸盐(如铌酸锂)具有很高的居里点，可作为高温压电传感器。

（3）使用Pv—96型压电加速度传感器进行测量，它的灵敏度为100OPC／g，也就是说在1g(g＝9．8M／s*s)加速度的作用下，传感器能产生一万微库的电荷o Pv—96型压电传感器的性能如表1-2

图1-2 Pv—96型压电传感器特性

1.3 压电陶瓷传感器的等效电路

压电式传感器对被测量的变化是通过其压电元件产生电荷量的大小来反映的，因此它相当于一个电荷源。而压电元件电极表面聚集电荷时，它又相当于一个以压电材料为电介质的电容器。

式中:

S——极板面积；

Cn——压电材料相对介电常数；

Co——真空介电常数；

3——压电元件厚度。

当压电刀件受外力作用时，两表面产生等量的正，负电荷Q，压电元件的

开路电压（认为其负载电阻为无穷大）u

这样，可以把压电元件等效为一个电荷源Q和一个电容器nC的等效电路。因此可以把压电式传感器等效成一个与电容相并联的电荷源如下图，也可以等效为—个电压源如下图

压电传感器的等效电路

感器与测量仪表联接时，还必须考虑电缆电容CC，放大器的输入电阻Ri

和输入电容Ci以及传感器的泄漏电阻Ra。图2-2画出了压电传感器完整的等效电路。

压电传感器实际的等效电路

第2章电荷放大电路

2.1 电荷放大电路

由于电压放大器使所配接的压电式传感器的电压灵敏度将随电缆分市电容

及传感器自身电容的变化而变化，而且电缆的更换得引起重新标定的麻烦，为

此义发展了便于远距离测量的电荷放大器、目前它已被公认是一种较好的冲击

测量放大器。这种放大器实际上是一种具有深度电容负反馈的高增益运算放大

器，其等效电路如图所示。图中已把R。、Rl看作是无限大，而加以忽视，这样当容抗远小于电阻Rf折到输入端的等效阻抗。式中Cf——反馈电容。

电荷放大器的高频上限主要取决于压电器件的Ca和电缆的Cc与Rc：由于Ca、Cc、Rc 通常都很小，因此高频上限fH可高达180kHz。

大器的低频下限，由于A相当大，通常（1＋A）Cf>>C，Rf/（1＋A）<

它与电缆电容无关。由于运算放大器的时间常数RfCf可做得很大，因此电荷放大器的低，下限fL可低达10-1～10-4Hz（准静态）。

压电传感器与电荷放大器连接的等效电路

电荷放大器原理框图，它主要由六部分组成，其中主电荷放大级是整个仪器的核心，

它又包括高阻输入级、运算放大级、互补功放输出级三部分。互补功放输出级使电路提供给Cf以必要的反馈电流。适调放大级的作用是当被测量（加速度或压力）一定时，用不同灵敏度的压电元件测量而有相同的输出，实现综合灵敏度的归一化，便于记录和数据处理。滤波器备有不同截止频率的分档，依据实际情况选择。

需要指出，电荷放大器虽然允许使用很长的电缆，并且电容Cf变化不影响灵敏度，但它比电压放大器的价格高，电路较复杂，调整也比较困难。

2.2 测量电路

测量电路如图2-5所示。图中的模拟测量电路由两级放大器组成。

微振动测试仪电路图

AD544L组成一个电荷放大器，它的输入为电荷，输出为电压，也是一个Q/V转换器，它的输出,传感器受到1g加速度的作用，它产生的电压，理论值为（实际上，1g 的加速度使运放的输出为饱和值Vs），即放大器AD544L的灵敏度

电荷放大器的频率响应由反馈电容C1和反馈电阻R1确定。其截止频率在0.1Hz 时，输出约下降1dB。RB为运放AD544L的输入保护电阻，避免AD544L的输入过高而损坏。

A776是一个反相放大器，其闭环增益调整电位器RP1可使AF2=1.48，因此，A776的输出灵敏度

近似为48.8V/g。也就是说，当振动加速度为1/980g时，电路能输出50mV的电压。本电路输出电压最大约为6V，因此其最大测量值约为48.8/60.1g。

A776是低功耗可编程运算放大器，为了降低噪声，可在8脚输入适当的电流I oet15A。在低频测量时，随着频率的降低会增大闪烁噪声，由于采用的运放A776的电压噪声在1A以下，噪声主要由电荷放大器产生。所以在降低噪声设计中不仅要选择电压噪声小的集成电路而且应有低的输入电压、低的偏压及失调漂移等特性。在电路设计中，反馈电容尽可能小，因为即使很小的漏电流进入放大器也会产生误差，故输入部分要用聚四氟乙烯绝缘纸进行绝缘。

若要求测量电路的输出灵敏度更高，应提高A776的反馈电阻。例如，输出灵敏度为100mV/gal时，A776的闭环增益约为3，可适当增大（R4+RP1）的值。

第3章振动测量

3.1 振动测量的概念

物体围绕平衡位置作往复运动称为振功。从扼功对象来分，有机械振动(例如机床电机、泵风机等远行时的振动)；上木结构振动(房屋、桥梁等的振动)；运输工具振动汽车、飞机等的振动)以及武器、爆炸引起的冲击振动等。

从振动的频率范围来分．合高频振动、低频振动和超低频振动等；从振动信号的统计特征来看，可将振动分为周期振动、非周期振动以及随机振动等。期振功是指经过相同的时间间隔，其振动特征量重复出现的振动。它包括简谐振动和复杂周期振动。复杂周期振动是由一些不同频率的简谐分量合成的振动。非周期振动的时域函数是一个衰减曲数，冲击振动是最常见的非周期振功。随机振动是一种非确定性振动，事先允法确定共振幅、频率从相位的瞬时值，但有一定的统计规律性。振动测量主要是研究上述各种振动的持征、变化规律以及分析产生振动的原因，从而找到解决问题的方法。

物体标动一次所需的时间称为周期，用丁表示，单位是s。每秒振动的次数称频率，用f表小，单位为Hz、频率是分析振动的最重要内容之一。振动物体偏离平衡位置的最大距离称为振幅，用x表示，单位为mm。振动的速度用v表示，单位为m／s；加速度用a表水，单位m/s*s。

3.2 振动测量的分类

测振用的传感器义称拾掘器。亡有接触式和非接触式之分；接触式中又行磁电式、电感式、压电式等。非接触式小义有电涡流式、电容式，霍尔式，光电式等当测振系统自身的固有振动频率f0》5f时，质量块与振动体A一起振动，质量块与振动体A 所感受到的振动加速度基本一致，这样的测量传感器称为加速度计。

3.3压电式传感器的结构原理

压电式加速度传感器结构如上图所示：当传感器与被测振动加速度的机件紧

固在一起后，传感器受机械运动的振动加速度作用，压电晶片受到质量块惯件

引起的压力。其方向与振动加速度方向相反，大小奏F＝ma决定。惯性引起的

压力作用在压电晶片上产生电荷。电荷由引出电极输出．由此将振动加速度转

换成电参量。弹簧是给压电晶片施加预紧力的。预紧力的大小基本不影响输出

电荷的大小，若预紧力不够，而加速度又较大时．质量块将宅压电晶片敲碰，

预紧力也不能太大，否则又会引起压电晶片的非线性误差、常用的压电式加速

度传感器的结构多种多样．这种结构有较高的固有振动频率，可用于较高频率

的测量(几千赫兹至几十千赫兹)，它是目前应用较多的一种形式。

（4）压电传感器的性能指标

(a)灵敏度K压电式加速度传感器属于自发电型传感器，它的输出为电荷量，以Pc(皮库仑)为单位，1Pc＝10/-12c；而输入量为加速度，单位为m／s*s，所以灵敏度以pc／(m。s)为单位，但是在振动测量中，往往用标准重力加速度g(1g=9．8m/s*s) 作为加速度的单位，这是检测行业的一种习惯用法。几乎所有测量振动的仪器都用g 作为加速度单位，并在仪器的面板上以及说明书中标出，灵敏度的范围约为lo一100pc／g。

目前许多压电加速度传感器已将电荷放大器做在同一个壳体中，它的输出是电压，所以许多压电加速度传感器的灵敏度单位为mv／g，通常为l0—I000mV/g灵敏度并不是越高越好，灵敏度低的传感器可用于动态范同很宽的扳动测量，例如打桩机

的冲击振动、汽车的撞击试验、炸弹的贯穿延时引爆等而高灵敏度的压电传感器可用于测量微弱的振动。例如用于寻找地下行道的泄漏点(水管漏水处可发出几千赫兹的特殊振动)；或测量桥梁、楼房、桩基的受激振动以反分析精密机床床身的振动以提高加工精度等。

(b)频率范围大多数压电加速度度传感器的频率范围为0.1HZ-10KHZ。、

(c)动态范围常用的测量范围为0.1—100g，测量冲击振动时应选用100—]0000g；而测量桥梁、地基等微弱振动往往要选择0．00l—10g的高灵敏度的低频加速度传感器。

总结

在设计过程中，关键部分当属总体工作电路原理图的设计，怎么样更合理，更效益设计该电路？成为该设计的最关键的一步，对元气件的选择决定电路图的设计，每选择一种元气件就有可能改变整体电路的走向。根据说明书要求的灵敏度，也是很难把握的一步，在该设计中已经基本能实现所要求的灵敏度。

本次课程设计让我学到了很多知识，实践出真知，只有自己去发现，去分析问题，才能有所收获，才有所长进！能力才能有所提高，所以对老师的课程设计安排很是赞同，那就是先浏览文章，再写评论，等到打印时再去对那些不成熟的看法进行修改和补充，最终完善！并且整个课程设计的过程本身就是一个再学习的过程，很是符合我们大脑的开发和逻辑思索及判断！对于自己解决实际问题的能力也有了很大的提高！并且老师让我担任组长，让我学会了很多：一方面要从大局出发，结合实际，总体把握，另一方面，要从小处着眼，将工作落到实处！

由于临近期末结考，时间太过仓促，不能每时每刻都放下手中的复习任务而专心于课程设计，对这一点我感到很抱歉。经过一个多星期的时间，课程设计结束了，我感觉我学到了很多知识，以前不懂得课程也通过这次课程设计弄明白了，那可是建立在大量查找资料的基础上的，而且设计过程中我明白了一个道理，只有自己去发现，去分析问题，才能有所收获，才有所长进，能力才能有所提高。

参考资料

[1]何道清，张禾，谌海云传感器与传感器技术.科学出版社.2008

[2]丁镇生.传感器及传感器技术应用.电子工业出版社.1998

[3]卿太全，梁渊，郭明琼.传感器应用电路集萃.中国电力出版社.2008

[4]梁森，王侃夫，黄杭美.自动检测技术.机械工业出版社.2002

[5]陈杰，黄鸿.传感器与检测技术.高等教育出版社.2002

致谢

毕业论文的完成就意味着毕业了，在这里我首先要感谢我的父母，是他们给我提供了良好的学习环境，让我有机会进入大学。其次要感谢母校对我的辛勤培育之恩，我在学习过程中，学到了许多新知识。并在老师指导和帮助下解决了许多工作、学习中遇到的实际问题。。我将在以后工作中，继续努力学习、不断进取，为母校争光。

本次毕业设计是在老师耐心严格的指导下完成的。老师在设计期间对毕业设计中每个细节都很重视、定期对我们所做毕业设计的检查。此外还要感谢与我一起做毕业设计的同学，他们给了我很大的支持和鼓励。在这里我要对你们说声“谢谢”，我的生活因为有你们而变的精彩。