振动检测仪表原理、结构和应用

3振动检测仪表原理、结构和应用3.1振动检测仪表原理、结构3.1.1振动检测概述振动传感器是将机械振动量转换为成比例的模拟电气量的机电转换装置。

传感器至少有机械量的接收和机电量的转换二个单元构成。

机械接收单元感受机械振动，但只接收位移、速度、加速度中的一个量；机电转换单元将接收到的机械量转换成模拟电气量，如电荷、电动势、电阻、电感、电容等；另外，还配有检测放大电路或放大器，将模拟电气量转换、放大为后续分析仪器所需要的电压信号，振动监测中的所有振动信息均来自于此电压信号。

（1）振动传感器种类振动传感器的种类很多，且有不同的分类方法。

按工作原理的不同，可分为电涡流式、磁电式（电动式）、压电式；按参考坐标的不同，可分为相对式与绝对式（惯性式）；按是否与被测物体接触，可分为接触式与非接触式；按测量的振动参数的不同，可分为位移、速度、加速度传感器；以及由电涡流式传感器和惯性式传感器组合而成的复合式传感器，等等。

在现场实际振动检测中，常用的传感器有磁电式速度传感器（其中又以绝对式应用较多）、压电式加速度传感器和电涡流式位移传感器。

其中，加速度传感器应用最广，而大型旋转机械转子振动的测量几乎都是涡流式传感器。

振动传感器设计时采用的机电变换原理不同，在输出电量时也就会有所区别。

振动传感器接收机械量变化信息，转化为电动势变化、电荷变化、电阻变化等电参量变化。

振动传感器的测量线路会接收这些电信号，并放大和转换为分析、显示仪表所能接受的电压信号。

振动传感器在工作原理和工作过程上的这些差别，如振动传感器的不同机械接收原理、不同测量机械量、不同机电变换原理，为振动传感器的种类划分提供了基本依据，是目前振动传感器最主要的三种分类方式。

①振动传感器的机械接收原理有两种，分别是相对式机械接收原理和惯性式机械接收原理，振动传感器按此分类也就是相对式振动传感器和惯性式振动传感器。

相对式机械接收原理：由于机械运动是物质运动的最简单的形式，因此人们最先想到的是用机械方法测量振动，从而制造出了机械式测振仪（如盖格尔测振仪等）。

传感器的机械接收原理就是建立在此基础上的。

相对式测振仪的工作接收原理是在测量时，把仪器固定在不动的支架上，使触杆与被测物体的振动方向一致，并借弹簧的弹性力与被测物体表面相接触，当物体振动时，触杆就跟随它一起运动，并推动记录笔杆在移动的纸带上描绘出振动物体的位移随时间的变化曲线，根据这个记录曲线可以计算出位移的大小及频率等参数。

相对式机械接收部分所测得的结果是被测物体相对于参考体的相对振动，只有当参考体绝对不动时，才能测得被测物体的绝对振动。

这样，就发生一个问题，当需要测的是绝对振动，但又找不到不动的参考点时，这类仪器就无用武之地。

例如：在行驶的内燃机车上测试内燃机车的振动，在地震时测量地面及楼房的振动……，都不存在一个不动的参考点。

在这种情况下，我们必须用另一种测量方式的测振仪进行测量，即利用惯性式测振仪。

惯性式机械接收原理：惯性式机械测振仪测振时，是将测振仪直接固定在被测振动物体的测点上，当传感器外壳随被测振动物体运动时，由弹性支承的惯性质量块将与外壳发生相对运动，则装在质量块上的记录笔就可记录下质量元件与外壳的相对振动位移幅值，然后利用惯性质量块与外壳的相对振动位移的关系式，即可求出被测物体的绝对振动位移波形。

②振动传感器按测量的机械量不同，能分为振动位移传感器、振动速度传感器、振动加速度传感器、振动力传感器、振动应变传感器、扭振传感器和扭矩传感器等。

③振动传感器的机电变换原理比较多，分类也比较复杂，常见的有电压式振动传感器、压电式振动传感器、电涡流式振动传感器、电感式振动传感器、电容式振动传感器、电阻式振动传感器、光电式振动传感器等。

振动传感器的机电变换原理：于传感器内部机电变换原理的不同，输出的电量也各不相同。

有的是将机械量的变化变换为电动势、电荷的变化，有的是将机械振动量的变化变换为电阻、电感等电参量的变化。

一般说来，这些电量并不能直接被后续的显示、记录、分析仪器所接受。

因此针对不同机电变换原理的传感器，必须附以专配的测量线路。

测量线路的作用是将传感器的输出电量最后变为后续显示、分析仪器所能接受的一般电压信号。

因此，振动传感器按其功能可有以下几种分类方法：按机械接收原理分：相对式、惯性式；按机电变换原理分：电动式、压电式、电涡流式、电感式、电容式、电阻式、光电式；按所测机械量分：位移传感器、速度传感器、加速度传感器、力传感器、应变传感器、扭振传感器、扭矩传感器。

以上三种分类法中的传感器是相容的。

①相对式电动传感器电动式传感器基于电磁感应原理，即当运动的导体在固定的磁场里切割磁力线时，导体两端就感生出电动势，因此利用这一原理而生产的传感器称为电动式传感器。

相对式电动传感器从机械接收原理来说，是一个位移传感器，由于在机电变换原理中应用的是电磁感应电律，其产生的电动势同被测振动速度成正比，所以它实际上是一个速度传感器。

②电涡流式传感器：电涡流式振动传感器是涡流效应为工作原理的振动式传感器，电涡流传感器是一种相对式非接触式传感器，它是通过传感器端部与被测物体之间的距离变化来测量物体的振动位移或幅值的。

电涡流传感器具有频率范围宽（0～10 kHZ），线性工作范围大、灵敏度高以及非接触式测量等优点，主要应用于静位移的测量、振动位移的测量、旋转机械中监测转轴的振动测量。

③电感式振动传感器：电感式振动传感器是依据电磁感应原理设计的一种振动传感器。

电感式振动传感器设置有磁铁和导磁体，对物体进行振动测量时，能将机械振动参数转化为电参量信号。

电感式振动传感器能应用于振动速度、加速度等参数的测量。

④电容式振动传感器电容式振动传感器是通过间隙或公共面积的改变来获得可变电容，再对电容量进行测定而后得到机械振动参数的。

电容式振动传感器可以分为可变间隙式和可变公共面积式两种，前者可以用来测量直线振动位移，后者可用于扭转振动的角位移测定。

⑤惯性式电动传感器：惯性式电动传感器由固定部分、可动部分以及支承弹簧部分所组成。

为了使传感器工作在位移传感器状态，其可动部分的质量应该足够的大，而支承弹簧的刚度应该足够的小，也就是让传感器具有足够低的固有频率。

根据电磁感应定律，感应电动势为：u=Blx&r，式中B为磁通密度，l为线圈在磁场内的有效长度，r x&为线圈在磁场中的相对速度。

从传感器的结构上来说，惯性式电动传感器是一个位移传感器。

然而由于其输出的电信号是由电磁感应产生，根据电磁感应电律，当线圈在磁场中作相对运动时，所感生的电动势与线圈切割磁力线的速度成正比。

因此就传感器的输出信号来说，感应电动势是同被测振动速度成正比的，所以它实际上是一个速度传感器。

⑥压电式加速度传感器：压电式加速度传感器的机械接收部分是惯性式加速度机械接收原理，机电部分利用的是压电晶体的正压电效应。

其原理是某些晶体（如人工极化陶瓷、压电石英晶体等，不同的压电材料具有不同的压电系数，一般都可以在压电材料性能表中查到。

）在一定方向的外力作用下或承受变形时，它的晶体面或极化面上将有电荷产生，这种从机械能（力，变形）到电能（电荷，电场）的变换称为正压电效应。

而从电能（电场，电压）到机械能（变形，力）的变换称为逆压电效应。

因此利用晶体的压电效应，可以制成测力传感器，在振动测量中，由于压电晶体所受的力是惯性质量块的牵连惯性力，所产生的电荷数与加速度大小成正比，所以压电式传感器是加速度传感器。

⑦压电式力传感器：在振动试验中，除了测量振动，还经常需要测量对试件施加的动态激振力。

压电式力传感器具有频率范围宽、动态范围大、体积小和重量轻等优点，因而获得广泛应用。

压电式力传感器的工作原理是利用压电晶体的压电效应，即压电式力传感器的输出电荷信号与外力成正比。

⑧阻抗头：阻抗头是一种综合性传感器。

它集压电式力传感器和压电式加速度传感器于一体，其作用是在力传递点测量激振力的同时测量该点的运动响应。

因此阻抗头由两部分组成，一部分是力传感器，另一部分是加速度传感器，它的优点是，保证测量点的响应就是激振点的响应。

使用时将小头（测力端）连向结构，大头（测量加速度）与激振器的施力杆相连。

从“力信号输出端”测量激振力的信号，从“加速度信号输出端”测量加速度的响应信号。

注意，阻抗头一般只能承受轻载荷，因而只可以用于轻型的结构、机械部件以及材料试样的测量。

无论是力传感器还是阻抗头，其信号转换元件都是压电晶体，因而其测量线路均应是电压放大器或电荷放大器。

⑨电阻应变式传感器：电阻式应变式传感器是将被测的机械振动量转换成传感元件电阻的变化量。

实现这种机电转换的传感元件有多种形式，其中最常见的是电阻应变式的传感器。

电阻应变片的工作原理为：应变片粘贴在某试件上时，试件受力变形，应变片原长变化，从而应变片阻值变化，实验证明，在试件的弹性变化范围内，应变片电阻的相对变化和其长度的相对变化成正比。

3.1.2常用位移检测仪表的工作原理及其结构（1）测量系统结构振动传感器是用来测量工业振动的速度、加速度和其他振动参量的重要工具。

振动传感器的种类较多，彼此之间的工作原理和物理性质各有不同，但各种振动传感器的测量系统结构基本相似，都包括了拾振、测量放大线路和显示记录三个环节。

①振动传感器的拾振环节振动传感器的拾振环节主要是指传感器探头及配套的感应装置。

振动传感器的拾振环节，是振动传感器的感知部分，它能探测到机械振动的各个参量，并将机械振动参量转化为机械信号、光学信号或电信号，传导给测量线路。

②振动传感器的测量线路振动传感器的测量线路有很多分类，各个种类的测量线路都有自己针对的传感器变换原理。

振动传感器的测量线路的作用是对拾振环节传导来的信号进行放大及其他处理。

振动传感器的测量线路包括放大器、积分线路、微分线路、滤波线路、归一化装置等。

③振动传感器的信号分析及显示、记录环节振动传感器的信号分析环节是根据振动传感器拾振环节工作原理而设计的，它的作用是在接收到测量线路的机械信号、光学信号或电信号后，按照设定的公式对信号进行分析和计算，得到测量的振动参量终。

振动传感器的显示和记录环节，按照传感器设计的原理不同，可分别从测量线路和信号分析环节接收参量信号，并将信号反应到显示设备或记录设备上，如示波器、相位计、磁带记录仪等。

振动传感器的种类丰富，按照工作原理的不同，能分为电涡流式振动传感器、电感式振动传感器、电容式振动传感器、压电式振动传感器和电阻应变式振动传感器等。

（2）磁电式速度传感器检测仪表磁电式速度传感器的工作原理是，传感器固定在被测物体上，物体振动时，固定在壳体上的磁钢随壳体与物体一起振动，而由弹簧片和线圈组成的弹簧—质量元件，与磁钢的振动并不同步，而是发生相对运动，线圈切割磁钢的磁力线而产生电动势，在磁通量及线圈参数均为常数的情况下，电动势的大小与线圈切割磁力线的相对速度成正比。