二、振动测量传感器

电动式速度传感器--相对式速度传感器

使用应注意的问题
电动式速度传感器—惯性式速度传感器

结构：
a 单磁隙结构
b双磁隙结构
c动磁钢结构
电动式速度传感器—惯性式速度传感器

支撑弹簧
弹簧片除了提供弹性恢复力外，还对可动部件起导向作用。良好的 弹簧片其刚度非线性应很小，弹簧片本身作为弹性体振动的频率要 足够高，并且还应具有较强的抗侧向失稳能力。
r n
3、输入与输出关系式
q 2d33kxr
xe
1
e q 2d33mx
压电式加速度传感器
4、特性参数
① 灵敏度 电荷灵敏度 电压灵敏度
q Sq 2d33m xe e 4d33mt Se xe D 2
（开路电压） （极间电容）
( pc / ms 2 pc / g ) (v / ms 2
1

2 0
y1m
作为加速度计 的条件
惯性式传感器

阻尼对惯性位移计幅频特性的影响
ym 6 y1m
5 4 3 2 1 0 0
0.1
0.2 0.5 0.7 1.0 2.0
1
2
3
4
5
0
惯性式传感器

阻尼对惯性加速度传感器幅频特性的影响
0.1 0.2
2 ym0 y1m 2
0.5 10
0
0.7 1 2
2 2 2
arctg
k m
2 0
2 0 1 ( 0 )2
则
ym 2 2 2 y1m [1 ( 0 ) ] (2 0 )

c 2m0
惯性式传感器

ym 对 y1m 的讨论
当
ym ( 0 )2 2 2 y1m [1 ( 0 )2 ] (2 0 )
10
-3
10
-2
10
-1
10
0
10
1
0
惯性式传感器
阻尼对惯性传感器相频特性的影响

3.5
0.1
3
0.2
2.5 2
1.50
1.0 2.0 0.7 0.5
1 0.5 0 0 1 2 3 4 5
电磁感应式速度传感器

分类
电动式速 度传感器
e Bl
运动导体切割磁力线产 生感应电动式
④ 横向灵敏度 ⑤ 环境特性
小于5% 温度，湿度，磁场等
当S 时, m , f n , D 当S 时, m , f n , D
固有频率、灵敏度和动态范围相互制约
压电式加速度传感器
5、 加速度计的固定方法
其中图a采用钢螺栓固定， 是共振频率能达到出厂共振 频率的最好方法。螺栓不得 全部拧入基座螺孔，以免引 起基座 变形，影响加速度 计的输出。在安装面上涂一 层硅脂可增加不平整安装表 面的连接可靠性。 需要绝缘时可用绝缘螺栓和云母垫片来固定加速度计（图b），但垫圈应尽 量簿。用一层簿蜡把加速度计粘在试件平整表面上（图c），也可用于温度 低于40℃以下的场合。手持探针测振方法（图d）在多点测试时使用特别方 便，但测量误差较大，重复性差，使用上限频率一般不高于 1000Hz。用专 用永久磁铁固定加速度计（图e），使用方便，多在低频测量中使用。此法 也可使加速度计与试件绝缘。用硬性粘接螺栓（图f）或粘接剂（图g）的固 定方法也长使用。某种典型的加速度计采用上述各种固定方法的共振频率分 别约为：钢螺栓固定法31kHz，云母垫片28kHz，涂簿蜡层29kHz，手持法 2kHz，永久磁铁固定法7kHz。
压 电 效 应
逆压电效应
在压电元件表面通一电压，由 于电场的作用，压电元件将产 生几何变形。
压电式加速度传感器
石英晶体的压电效应
理想形状：中间为六棱柱，两端为对 称的棱锥，共30个晶面。 光轴 电轴 机械轴
光轴：z 轴，与晶体纵轴方向一致。 光线沿z 轴方向通过晶体不发生双折 射。沿光轴的作用力不产生压电效应， 故又称为中性轴。
电动式速度传感器
惯性式速度传感器的特点
1、测量的是绝对速度振动量；
2、频率下限受固有频率限制，不能到零。频率 上限受安装共振频率及线圈阻抗特性限制； 3、全部质量都附加给被测物体； 4、灵敏度高、信噪比强； 5、输出阻抗小，且输出直接是电压量，可直接 测量； 6、横向灵敏度较小，频率范围较宽
磁电式速度传感器
电动式速度传感器- -惯性式速度传感器

双磁隙结构与工作原理
在测振时，传感器固定于被测系统，磁钢4与壳体2一起随被测系统 的振动而振动，惯性质量由装在芯轴6上的线圈5和阻尼环3组成，并 在磁场中运动。弹簧片1径向刚度很大、轴向刚度很小，使惯性系统 既得到可靠的径向支承，又保证有很低的轴向固有频率。阻尼环一 方面可增加惯性系统质量，降低固有频率，另一方面在磁场中运动 产生的阻尼力使振动系统具有合理的阻尼.
1—弹簧 2—壳体 3—阻尼 环 4—磁钢 5—线圈 6— 芯轴
电动式速度传感器—惯性式速度传感器

力学模型与运动方程
机械接收部分
r cx r kxr mx e Bli mx
机电变换部分
Lt di r ( R0 Rt )i Blx dt
当
r cx r kxr mx e mx
v / g)
其中
e
cE
et q 4d33mx cE D2 D 2
2t
② 动态范围 最小可测振级主要受测量仪器的噪声电平限制 最大可测振级主要受传感器的强度及非线性因素限制
压电式加速度传感器
③ 频率特性
S
f下
f上
fn
加速度计的使用上限频率取决于幅频曲线中的共振频率。一般阻尼 比小于0.1的加速度计，上限频率若取为共振频率的 1/3，便可保证 幅值误差低于1dB（即12%）；若取为共振频率的1/5，则可保证幅值 误差小于0.5dB（即6%），相移小于3度。但共振频率与加速度计的 安装有关，加速度计出厂时给出的幅频曲线是在刚性连接的固定情 况下得到的。实际使用的固定方法往往难于达到刚性连接，因而共 振频率和使用上限频率都会有所下降。
结构 变换过程
eபைடு நூலகம்
N
振 动 物 体
物体与 传感器 的相对 运动
空气 间隙 变化
穿过线 圈的磁 通量变 化
产生 感应 电动 式
S
输入与输 出关系式
d d e n n x dt dx
磁电式速度传感器
磁电式速度传感器的特点
1、非接触型，对被测体无附加质量和刚度； 2、灵敏度不等于常数，与间隙、振动物体的 大小、材料形状等有关，受测量物体表面 电涡流影响； 3、动态幅值不是线性，只有当被测物体位移
1
时 ，即被测频率远高于传感器固有频率时 表明质块和壳体的相对运动（输 出）和基础的 振动（输入）近乎相等，即表明质块在惯性座标 中几乎处于静止状态 作为位移计的条件（应用于动圈式速度传感器的设计）
ym 1 y1m
2
当
时 ，即被测频率远低于传感器固有频率时
ym 2 ( ) y1m 0
ym
压电元件的开路电压： U a q / Ca
压电式加速度传感器
压电式传感器及其等效电路
若考虑负载（测量电路），等效电路如下：
假设一恒定力F作用于压电器件，产生电量q，则输出电压：
其中，Cc、Ci分别为电缆寄生电容及后续测量电路的输入电容。
压电式加速度传感器
压电元件的串接
压电式传感器有电荷及电压两种输出方式。为了增大输出 值，压电传感器往往用两个（较多见）或两个以上的晶体 串接或并接：
压电式加速度传感器

压电式加速度计的敏感元件
天然石英晶体
机械强度高，绝缘性能 好，压电常数在500度 以下不随温度变化，但 压电常数低。
压 电 晶 体
人工极化陶瓷
压电常数大，比石英晶体大几 十倍，但压电常数稳定性差， 受温度影响大，当超过居里温 度时，压电效应就会消失。
正压电效应
压电元件在一定方向的外力作用下 或施加机械变形时，在压电元件的 晶面或极化面上将产生电荷。
压电式加速度传感器
石英晶体的压电效应
电轴：x 轴，通过两个相对的六角棱线并垂直于光轴的 轴线。垂直于此轴的晶面上有最强的压电效应。 机械轴：y轴，垂直于x轴和z轴所在平面的轴线。在电场 作用下，y轴具有最明显的机械变形。
石英晶体z轴仅一个，x轴和y轴各有3个。
压电式加速度传感器
压电效应模型
■ ■ ■
惯性式传感器

运动方程
01 ky01 0 m( y01 y1 ) cy
2 01 0 y01 20 y y01 y1
强迫振动解为 其中 y m
y01 ym sin(t )
( 0 )2 y1m [1 ( 0 ) ] (2 0 ) ( 0 )2
惯性式传感器

工作原理
力学模型如图所示。图中y1、y0、 y01分别表示壳体绝对位移、质块的 绝对位移和壳体与 质块的相对位移。 测试时，壳体和被测物体联接（用 胶接或机械方法），当传感器外壳 跟随振动物体振动时，其内部质量 与外壳之间产生相对运动。适当选 取传感器的结构参数，所测结果将 分别反映振动问题的位移、速度和 加速度
远小于空气间隙时，它的幅值才基本上维
持线性
压电式加速度传感器

压电式加速度计的结构
(a)中心安装压缩型 (b)环形剪切型 (c) 三角剪切型
压电式加速度传感器
各种结构特点
在图中，S是弹簧，M是质块，B是基座，P是压电元件，R是夹持 环。图a是中央安装压缩型，压电元件—质量块—弹簧系统装在 圆形中心支柱上，支柱与基座连接。这种结构有高的共振频率。 然而基座B与测试对象连接时，如果基座B有变形则将直接影响拾 振器输出。此外，测试对象和环境温度变化将影响压电元件，并 使预紧力发生变化， 易引起温度漂移。图b为环形剪切型，结构 简单，能做成极小型、高共振频率的加速度计，环形质量块粘到 装在中心支柱上的环形压电元件上。由于粘结剂会随温度增高而 变软，因此最高工作温度受到限制。图c为三角剪切形，压电元 件由夹持环将其夹牢在三角形中心柱上。加速度计感受轴向振动 时，压电元件承 受切应力。这种结构对底座变形和温度变化有 极好的隔离作用，有较高的共振频率和良好的线性。
振动理论
第二部分 振动测量传感器
振动传感器的分类

按物理过程
发电式
电动式 磁电式 压电式 电阻式 电感式 电容式 压阻式 电磁感应原理
电参数
振动传感器的分类

按力学过程
惯性式 接触式 非接触式 （质量-弹簧）无参照系 （跟随）有参照系 （电涡流、激光、光电）
振动传感器的分类

按被测参数
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
纵向压电效应：沿x轴加力，电荷出现在垂直于x轴的表面。 横向压电效应：沿y 轴加力，电荷仍出现在垂直于x 轴的表面。 切向压电效应：沿x轴或y轴施加垂直于z轴的剪切力，在垂直于x轴的 晶体表面产生电荷。
压电式加速度传感器
压电式传感器及其等效电路
在压电晶片的两个工作面上进行金属蒸镀，形 成金属膜，构成两个电极。当压电晶片受到压 力F的作用时，分别在两个极板上积聚数量相等 而极性相反的电荷，形成电场。压电元件的开 路电压：
磁电式速 度传感器
d e n dx
导体不动，穿过导体的 磁力线数发生变化，导 体两端产生感应电动式
电动式速度传感器--相对式速度传感器
用来测量振动系统中两部件之间的相对振动速度，壳体固定于一部 件上，而顶杆与另一部件相连接。从而使传感器内部的 线圈与磁钢 产生相对运动，产生相应的电动势来。
n 个晶体串接时，输出电荷量与单片晶体 电荷相同，总电容为单片晶体电容的1/n， 输出电压为单片晶体电压的n倍。
串接时，输出电压大、电容小、时间常数 小，适宜测量迅变信号和以电压输出的场 合。
F
F
a)串联
压电式加速度传感器
压电元件的并接
n个晶体并接时，输出电荷量为单片晶 体电荷n 倍，总电容为单片晶体电容n
1—顶杆 2—弹簧片 3—磁钢 4—线圈 5—引出线 6—壳体
电动式速度传感器--相对式速度传感器
特点：
1、可测量频率从零赫兹开始的相对振动量； 2、使用频率上限由接触杆与被测物体表面的接触共
振频率决定，或者由连杆和线圈骨架组成的轴向
固有频率决定； 3、输入与输出之间的相移基本为零； 4、附加质量不大； 5、对被测物体有附加刚度。
倍，输出电压等于单片晶体电压。
F
并接时，输出电荷量大、电容大、时间 常数大，适宜测量缓变信号和以电荷输 出的场合。
F
b)并联
压电式加速度传感器

压电式加速度计的特性分析
1、力学模型—中心压缩型 2、机电转换过程
m
xr
k
q
q
p
e x
惯性 接收
p
mb
物理量 转换
e x
压电 变换
u
振动物体
当传感器跟随物体运动时，惯性接收部分将被测的加速度 e x 接收为 m 相对于底座的相对振动位移 xr ，于是压电晶 体片受到 p kxr 的动态力，然后由压电正效应变换为作 用在晶体面上的电荷 q 。 x 2
时
r u0 Blx
B 2i 2 c c R0
灵敏度 S Bl
电动式速度传感器—惯性式速度传感器

阻尼的实现
1、油阻尼 2、电涡流阻尼 3、电磁阻尼
阻尼的作用
1、扩展速度拾振器的工作频率下限，一般采用ξ=0.5-0.7的 阻尼 1.7 比，在幅值误差不超过5%的情况下，工作下限可扩展到 n 2、有助于迅速衰减意外瞬态扰动所引起的瞬态振动。 3、使传感器的相频特性在工作频率范围内基本保持比例相移