振动传感器原理总结

振动传感器原理总结

一，振动传感器的力学原理

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。这种传感器被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结于地球上的惯性参考系坐标为参考坐标，因此，它是一种绝对式拾振仪器。

下图是这类传感器的结构原理图。在一个刚性的外壳里面，安装一个单自由度的有阻尼的弹簧质量系统。根据质量块相对于外壳的运动来判断被测振动体的振动。

设振动体的位移是y=y(t),并假定由它引起仪器质量块相对于仪器外壳的位移为x(t)(以其静平衡位置为0点)，则质量块绝对位移 z=x+y.进行受力分析可得

设振动体作简谐振动 y=Ym*sinwt

代入得到两部分的解。一部分是齐次方程的解，代表拾振器系统的自由振动。由于阻尼，慢慢衰减掉了。第二部分为特解，代表强迫振动。

可以表示为

其中

代表了仪器外壳的振幅Xm 与振动体的振幅Ym 之间的关系。

代表了信号x 与信号y 之间的相位差。

由

横坐标，以

m Y X ωωm

为纵坐标，可

以()Ωω为

以画出关系图，即为仪器的位移幅频特性曲线。

也可以将关系画图表示，得到传感器的位移相频特性曲线。

y m kx x c x m -=++()αω-X =t sin m x ()()2

12arctan

Ω

-Ω=ωω

ζα()()()2

2

22

m 21Ω+??

????Ω-ΩY =

X ωζωω

m ()()(

)

2

222

m 21Ω+??

????Ω-Ω=

Y X ωζωωωωm

()()2

12arctan

Ω

-Ω=ωω

ζα()

()()2

2

22

m 21Ω+??

????Ω-ΩY =

X ωζωω

m

二，常用振动传感器运动量与电量的转换原理及换算关系

1，动圈型磁电式速度拾振器

对于中频小位移的情况，广泛采用速度拾振器。它的工作原理是：将它和被测振动体股接在一起，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。根据电磁学原理，这一电动势的大小为e=Blv ?10-4(V),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x

，则e=Bl x ?10-4(V). 由于其在位移计条件下应用，其质量部件相对于外壳的位移应为x=Ymsin(wt-α)

得e=Bl ?10-4wYmcos(wt-α) 这时假定振动体的振动为

可见，仪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。

2，压电式加速度计

受压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，主要由预压弹簧及晶体片本身的刚度仪器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。

压电晶片通常用钛酸钡，锆钛酸铅等材料制成，此类晶片受有压力F=σA (σ为单位表面积上的压力，A 为受压面积)作用时，晶体片的两表面上就会产生电荷qa,电荷量和压力成正比，即 式中R 为为与晶体切割方向和变形状态有关的常数，称为压电常数，

单位为库仑/牛顿

压电晶体也可以看成是一种电容器。若晶体片两表面之间的电容为Ca,晶体厚度（电极面之间的间隔）为δ，介电常数为ε，电极面面积为S ，则

,则两表面之

间的电压将为（开路电压）

在受压型结构中，由于晶体片的刚度为k1,因此，当质量块产生的位移为x 时，晶体片所受到的压力将是 F=k1x,代入得到qa=Rk1x,ua=Rk1x/Ca

再将x 的表达式代入，得

RF =a

q δ

εS C =0F

C R C q u a a a a ==)t sin(Q )

t sin()(S )t sin()(1

m m 2q m 221εωεωωεωω-=-Y =-Y Ω=a a Rk q )

t sin()

t sin()(S )t sin()(1

m 2m 221εωεωωεωω-=-Y =-Y Ω=am u a a U C Rk u ??

?

Y =Y =t cos t sin m m ωωωy y

3，伺服式加速度传感器

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。

当惯性元件（质量块）偏离静平衡位置（零位）时，由高增益放大器测出这一偏移，给出信号，该偏移信号通过伺服放大器提供驱动电流，由驱动电流产生与偏移

方向相反的电磁力，迫使质量元件返回零位。

（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

（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

（3）经伺服放大器（放大倍数为A ）放大得 由于输出的电阻R1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

（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A2 （5）将磁场作用力加入到质量块的平衡方程中

最后得到

y

m kx x c x m -=++x

A u 1

0=x

AA Au u i 10

==1

110R x

AA R u i ==

1

212R

x A AA i A F e ==y m x R

A AA k x c x m -=+++)(2

1)

t j(2

020*********e )(4])(1[)(41παωωωζωωωωζ+-+++-=A mR u 2020203

00)(4)(1)(2tan ωωζωωωωζα+-=βωβωβζ00021221===mK K m K mR A AA m K 2120==ω

三，常用振动传感器的主要技术指标

压电式加速度计 （1）灵敏度与频响特性：分为电荷灵敏度 和电压灵敏度

标定曲线共振频率的1/3可视为该加速度计的频率使用上限。此时的误差不会超过+12%(约1dB)。

（2）横向灵敏度与方向特性：由于压电材料的不均匀性，不规则性以及压电片与金属零件间的不理想配合等原因，使压电加速度计存在所谓的横向灵敏度。

（3）质量影响与动态范围：在一般大构件的振动测量中，可以不考虑加速度计附加质量对被测振动量的影响。对质量较小的结构进行测试时，在满足灵敏度等技术参数的条件下，尽量选用质量小的传感器，以减小传感器附加质量对被测振动量值和被测结构固有频率的 影响。在用于较轻结构物的振动测量而不能忽略传感器附加质量的影响时，可估计加速度计的附加质量对被测加速度和被测结构的共振频率的影响。

四，常用振动传感器的特点及使用时应注意的事项。

压电式加速度计

压电式加速度计具有体积小、重量轻（一般重几十克，最轻的甚至只有0.4克）、量程大（可达104g ）、工作频带宽（本身固有频率最高的可达105Hz 以上）等优点，是广泛采用的振动传感器器。根据各种测量要求，压电式加速度计有多种型号可供选择。

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。通常几何尺寸较小的加速度计具有较高的固频率，因而具有较高的工作频带；但是几何尺寸较小的加速度计其灵敏度也较低。

2，注意安装固定方法。加速度计的主轴方向应与被侧振动方向一致。对于体积较小的加速度计，做到这一点是必须十分仔细的。当存在与主轴方向向垂直的振动时，在保持主轴方向与被侧振动方向严格一致的同时，最好注意使横向最小灵敏度方向与垂直振动方向一致。许多加速度计上用一红点来标明最小灵敏度方向。

3，接线电缆的固定。由于压电式加速度计是高阻抗仪器，要特别注意防止所谓“噪声干扰”。接线电缆受到动力弯曲、压缩、拉伸等作用时会引起导体和屏蔽之间的局部电容和电荷的变化，从而形成“噪声干扰”。因此，接线电缆要尽可能固定好，以避免相对运动。

4，避免接地回路。加速度计的安装以及与前置放大器、分析仪等仪表的连接，若形成接地回路，则通过地回路压降将影响测量效果，测量信号会混入“交流声”。避免形成接地回路的方法是保证整个测量系统只在一点接地。

5，背景噪声水平的监测。为了保证测量结果的精确性，最好能经常检测振动量测系统的背景噪声水平。方法是将加速度计安装在现场的“无振动”物体上，测量此时的“视在振动”水平。要想在实际振动测量中获得合理的精确度，“视在振动水平”应小于被测振动量的1/3。换句话说，背景噪声的电平至少要比被测振动电平低10dB 。

m 2

m

Q Y =ωa q S a

am u S U S C q m

2=

Y =ω