传感器与检测技术项目教程模块七、振动检测(下)
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检测技术第七章课件
2)测定结构或部件的动态特性以便改进结构设计，提高抗振 能力。
这是对设备或结构施加某种的激振力，使其产生振动，同 时测出输入(激振力)和输出(被测件)的振动信号，从而确 定被测部件的频率响应，然后进行模态(Mode)分析，谱 分析、相关分析等，求得各阶模态的振动参数，进而确定 被测对象的固有频率、阻尼比、刚度、振型等振动参数， 这类试验称为机械模态试验、激振试验，或称频率响应试 验。
二、电容传感器
电容传感器中，非接触式的电容传感器常用于位移测量中， 其测量内容与涡流位移传感器相近(参阅本书第三章电容 传感器内容)。
接触式的电容传感器常用于振动测量，其结构外观如图7-6所 示。该类型的电容传感器 的信号转换放大电路，主要采用 频率调制型，目的在于增加电路的灵敏度和可靠性。这种 电容传感器的工作频率范围，低频可以从0Hz开始，上限可
单自由度系统是一种最简单的力学模型。该系统的全部质 量m(kg)集中在一点，并由一个刚度为K(N／m)的弹簧和 一个粘性阻尼系数为c(N／ms-1)的阻尼器支持着，在讨论 中假设参数m、k和c不随时间而变，系统呈线性。该系统 可以用二阶常系数微分方程来表述。单自由度系统振动研 究是多自由度系统的基础，而且一些实际的工程结构可以 简化为一个单自由度系统。下面以单自由度振动系统模型 来介绍惯性式传感器的特性。
击和瞬态过程较为重要，但不适当地选择阻尼会使相频 特性恶化，引起波形失真。当ξ=0．6—0．7时，相频曲线 ω/ωn =1 附近接近直线，称为最佳阻尼。
3)该种传感器测量上限频率在理论上是无限的，但在实际 应用中则要受到具体仪器结构和元器件的限制，因此上限 不能太高，下限频率则受弹性元件的强度和惯性块尺寸、 质量的限制，使ωn不能过小。因此该种传感器的频率范 围是有限的。
《传感器与智能检测技术》 第7章习题答案
第7章思考题与习题一、填空题1.霍尔传感器是一种—磁敏—传感器，它是把—磁学—物理量转换成电信号的装置，广泛应用于自动控制、信息传递、电磁测量、生物医学等各个领域。
它的最大特点是非接触测量2.霍尔电势■与—输入电流/—及—磁感应强度B.—成正比，其灵敏度拓与—霍尔系数吊成正比而与霍尔片厚度d成反比。
所以，为了提高灵敏度，霍尔元件常制成—簿片—形状。
3.霍尔元件的结构很简单，它通常由—霍尔片、—引线—和—壳体—组成。
4.______________________ 半导体材料的电阻率随磁场强度的增强而变大，这种现象称为磁阻效应，利用磁阻效应制成的元件称为______ 磁敏电阻 ______ 。
二、简答题1.简述你理解中的霍尔效应。
1879年，美国物理学家霍尔（E. II. Hall）经过大量的实验发现：如果让一恒定电流通过一金属或半导体薄片，并将薄片置于强磁场中，在金属薄片的另外两侧将产生与磁场强度成正比的电动势，这个现象后来被人们称为霍尔效应。
假设霍尔元件为N型半导体薄片，薄片厚度为d,磁感应强度为夕的磁场方向垂直于薄片。
在薄片前后两端通以控制电流/,那么半导体中的载流子（电子）将沿着与电流/相反的方向运动。
由于外磁场8的作用，使电子受到洛仑兹力A而发生偏转，结果在半导体的右端面上电子积累带负电，而左端面缺少电子带正电，在半导体的左右端面间形成电场。
该电场产生的电场力凡阻止电子继续偏转。
当A和片相等时，电子积累到达动态平衡。
这时在半导体左右两端面之间（即垂直于电流和磁场方向）建立电场，称为霍尔电场毋，相应的电势。
称为霍尔电势。
2.制成霍尔元件常用的材料有哪些？1948年以后，由于半导体技术迅速开展，人们找到了霍尔效应比拟明显的半导体材料, 并制成了镣化锢、碑化镣、神化钢、硅、信等材料的霍尔元件.目前常用的霍尔元件材料是N型硅，它的灵敏度、温度特性、线性度均较好。
3.简述集成霍尔传感器的分类、特点及应用场合。
《振动测量传感器》课件
维护
国际标准：ISO 10816-1:2017 国家标准：GB/T 13823-2017 行业规范：振动测量传感器技术规范 未来展望：智能化、微型化、高精度化
市场需求：随着工业自动化和智能化的发展，振动测量传感器的市场需求将不断增加
技术进步：随着技术的不断进步，振动测量传感器的性能将不断提高，满足更多应用 场景的需求
软件问题：检查软件设置是否 正确，重新设置或更新软件
硬件问题：检查硬件是否损 坏，更换损坏的硬件
振动测量传感器的 维护与校准
定期检查传感器的连接线是否松动或损坏 定期检查传感器的电源是否正常 定期检查传感器的输出信号是否正常 定期检查传感器的周围环境是否影响其正常工作
确保测量精度：定期校 准可以确保传感器的测 量精度，避免因误差导 致的测量结果不准确。
环境适应性：选择适应测量环境条件的 传感器
成本：选择性价比高的传感器
环境温度：适 宜的温度范围， 避免过高或过
低
湿度：适宜的 湿度范围，避 免过于潮湿或
干燥
振动频率：选 择适合测量频 率范围的传感
器
振动强度：选 择适合测量振 动强度的传感
器
安装位置：选 择合适的安装 位置，避免干
扰和损坏
使用寿命：选 择使用寿命长 的传感器，减
集成式安装：适用于需要与其他设备集 成的场合
定制式安装：适用于特殊场合或特殊需 求的安装
确定安装位置： 选择振动源附 近，避免干扰
源
安装固定：使 用螺丝或胶水 固定传感器，
确保牢固
连接线缆：使 用屏蔽线缆连 接传感器和采 集设备，避免
干扰
调试参数：设 置采样频率、 量程、滤波器 等参数，确保
测量精度
检查传感器的测量范围是否 满足要求，避免测量范围过 大或过小导致测量不准确
国际标准：ISO 10816-1:2017 国家标准：GB/T 13823-2017 行业规范：振动测量传感器技术规范 未来展望：智能化、微型化、高精度化
市场需求：随着工业自动化和智能化的发展，振动测量传感器的市场需求将不断增加
技术进步：随着技术的不断进步，振动测量传感器的性能将不断提高，满足更多应用 场景的需求
软件问题：检查软件设置是否 正确，重新设置或更新软件
硬件问题：检查硬件是否损 坏，更换损坏的硬件
振动测量传感器的 维护与校准
定期检查传感器的连接线是否松动或损坏 定期检查传感器的电源是否正常 定期检查传感器的输出信号是否正常 定期检查传感器的周围环境是否影响其正常工作
确保测量精度：定期校 准可以确保传感器的测 量精度，避免因误差导 致的测量结果不准确。
环境适应性：选择适应测量环境条件的 传感器
成本：选择性价比高的传感器
环境温度：适 宜的温度范围， 避免过高或过
低
湿度：适宜的 湿度范围，避 免过于潮湿或
干燥
振动频率：选 择适合测量频 率范围的传感
器
振动强度：选 择适合测量振 动强度的传感
器
安装位置：选 择合适的安装 位置，避免干
扰和损坏
使用寿命：选 择使用寿命长 的传感器，减
集成式安装：适用于需要与其他设备集 成的场合
定制式安装：适用于特殊场合或特殊需 求的安装
确定安装位置： 选择振动源附 近，避免干扰
源
安装固定：使 用螺丝或胶水 固定传感器，
确保牢固
连接线缆：使 用屏蔽线缆连 接传感器和采 集设备，避免
干扰
调试参数：设 置采样频率、 量程、滤波器 等参数，确保
测量精度
检查传感器的测量范围是否 满足要求，避免测量范围过 大或过小导致测量不准确
《传感器与自动检测技术(第4版)》教学教案(模块7)
【列表】几种智能材料的功能特征和应用
【图示】记忆合金曲别针；自适应巡航
概念讲演法
概念讲演法
图示展演法
概念讲演法
图示展演法
概念讲演法
列表归纳法
图示展演法
案例分析
【应用案例】二维自适应图像智能传感器
由上述内容可知，智能传感器是“电五官”与“微电脑”的有机结合，对外界信息具有检测、判断、自诊断、数据处理和自适应能力的集成一体化的多功能传感器。
2．微结构(智能结构)是今后智能传感器重要发展方向之一。
3．利用生物工艺和纳米技术研制传感器功能材料，以此技术为基础研制分子和原子生物传感器是一门新兴学科，是21世纪的超前技术。
4．完善智能器件原理和智能材料的设计方法，也将是今后几十年极其重要的课题。
【图示】ABS的防侧翻稳定控制系统（RSC）；西门子智能视觉传感器。
【图示】二维自适应图像智能传感器；三维多功能单片智能传感器。
【图示】精密智能压力变送器；A2彩色平板环保扫描仪；智能血糖仪；汽车电池监控智能传感器；奥地利medel公司中耳植入振动声桥
案例教学法
图示展演法
图示讲演法
图示展演法
概念分析
三、智能传感器的发展前景
1．利用微电子学，使传感器和微处理器结合在一起实现各种功能的单片智能传感器，仍然是智能传感器的主要发展方向之一。
【图示】智能手机电子指南针
【图示】LSM303DLH传感器模块结构示意图
电子指南针集成了三轴磁力传感器和三轴加速度传感器，分别用于检测磁场数据和航向倾角，如LSM303DLH传感器模块。
案例教学法
图示展演法
图示讲演法
作业
教材认知训练7－1、7－2
练习巩固法
本课教育评注（课堂设计理念，实际教学效果及改进设想）
【图示】记忆合金曲别针；自适应巡航
概念讲演法
概念讲演法
图示展演法
概念讲演法
图示展演法
概念讲演法
列表归纳法
图示展演法
案例分析
【应用案例】二维自适应图像智能传感器
由上述内容可知，智能传感器是“电五官”与“微电脑”的有机结合，对外界信息具有检测、判断、自诊断、数据处理和自适应能力的集成一体化的多功能传感器。
2．微结构(智能结构)是今后智能传感器重要发展方向之一。
3．利用生物工艺和纳米技术研制传感器功能材料，以此技术为基础研制分子和原子生物传感器是一门新兴学科，是21世纪的超前技术。
4．完善智能器件原理和智能材料的设计方法，也将是今后几十年极其重要的课题。
【图示】ABS的防侧翻稳定控制系统（RSC）；西门子智能视觉传感器。
【图示】二维自适应图像智能传感器；三维多功能单片智能传感器。
【图示】精密智能压力变送器；A2彩色平板环保扫描仪；智能血糖仪；汽车电池监控智能传感器；奥地利medel公司中耳植入振动声桥
案例教学法
图示展演法
图示讲演法
图示展演法
概念分析
三、智能传感器的发展前景
1．利用微电子学，使传感器和微处理器结合在一起实现各种功能的单片智能传感器，仍然是智能传感器的主要发展方向之一。
【图示】智能手机电子指南针
【图示】LSM303DLH传感器模块结构示意图
电子指南针集成了三轴磁力传感器和三轴加速度传感器，分别用于检测磁场数据和航向倾角，如LSM303DLH传感器模块。
案例教学法
图示展演法
图示讲演法
作业
教材认知训练7－1、7－2
练习巩固法
本课教育评注（课堂设计理念，实际教学效果及改进设想）
振动测量传感器
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
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
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
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.
内科大安全环境监测技术课件第7章 振动检测
• 当激振频率远高于固有频率时， A(w)接近于1。这表明质量块和基 础之间的相对运动和基础的振动近 似相等，说明质量块在惯性坐标中 几乎处于静止状态。
y01(t)=y0(t)-y1(t)
21
7.1 振动和振动测量系统
❖7.1.3 振动测量系统 ❖ 1）振动测量方法分类
振动测量方法按振动信号转换的方式可分为： 电测法：将被测对象的振动量转换成电量，然后用电量 测试仪器进行测量； 机械法：利用杠杆原理将振动量放大后直接记录下来； 光学法：利用光杠杆原理，读数显微镜、光波干涉原理 以及激光多普勒效应进行测量；
这是一个典型的二阶系统，当f(t)为正弦激励力，f(t)=F0sinwt。 其系统频率响应函数H(w)和幅频特性函数以及相频特性函数j(w) 分别为：
式中： z ——系统的阻尼比
wn ——系统的固有频率
13
7.1 振动和振动测量系统
幅频和相频曲线如图所示。根据振动理论定义，振动幅 频特性曲线上幅值极大的频率称为共振频率。对幅频特性函
当系统有一定的阻尼后，幅 频曲线变得较为平坦，这时从幅 频曲线上不易测准幅值最高点。 从相频曲线看，在固有频率处相 位过90°，而且这段曲线比较陡 峭，容易测定系统的固有频率。
16
7.1 振动和振动测量系统
❖ 在激振力频率远小于固有频率时，输出位移随激振频率的变化十分小，这 时系统响应特性类似于低通滤波器；
22
7.1 振动和振动测量系统
❖机械法：利用杠杆原理将振动量放大后直接记录下 来；下图给出机械式测振仪的工作原理：
测振物体的振动由 探测杆接收并直接 或经杠杆放大后用 记录笔在移动胶片 上刻出信号。
23
7.1 振动和振动测量系统
光学法：利用光杠杆原理，读数显微镜、光波干涉 原理以及激光多普勒效应进行测量；
y01(t)=y0(t)-y1(t)
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7.1 振动和振动测量系统
❖7.1.3 振动测量系统 ❖ 1）振动测量方法分类
振动测量方法按振动信号转换的方式可分为： 电测法：将被测对象的振动量转换成电量，然后用电量 测试仪器进行测量； 机械法：利用杠杆原理将振动量放大后直接记录下来； 光学法：利用光杠杆原理，读数显微镜、光波干涉原理 以及激光多普勒效应进行测量；
这是一个典型的二阶系统，当f(t)为正弦激励力，f(t)=F0sinwt。 其系统频率响应函数H(w)和幅频特性函数以及相频特性函数j(w) 分别为：
式中： z ——系统的阻尼比
wn ——系统的固有频率
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7.1 振动和振动测量系统
幅频和相频曲线如图所示。根据振动理论定义，振动幅 频特性曲线上幅值极大的频率称为共振频率。对幅频特性函
当系统有一定的阻尼后，幅 频曲线变得较为平坦，这时从幅 频曲线上不易测准幅值最高点。 从相频曲线看，在固有频率处相 位过90°，而且这段曲线比较陡 峭，容易测定系统的固有频率。
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7.1 振动和振动测量系统
❖ 在激振力频率远小于固有频率时，输出位移随激振频率的变化十分小，这 时系统响应特性类似于低通滤波器；
22
7.1 振动和振动测量系统
❖机械法：利用杠杆原理将振动量放大后直接记录下 来；下图给出机械式测振仪的工作原理：
测振物体的振动由 探测杆接收并直接 或经杠杆放大后用 记录笔在移动胶片 上刻出信号。
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7.1 振动和振动测量系统
光学法：利用光杠杆原理，读数显微镜、光波干涉 原理以及激光多普勒效应进行测量；
《传感器与检测技术项目教程》 教学课件 模块七
学习单元一 气敏传感器
（2）对被测气体以外的共存气体或物质不敏感。 （3）长期稳定性好、重复性好、动态特性好、响应 迅速。 （4）使用、维护方便，价格便宜等。 由于半导体气敏传感器具有灵敏度高、响应快、使 用寿命长和成本低等优点，应用很广，因此本学习单元 将着重介绍半导体气敏传感器。
学习单元一 气敏传感器
学习单元一 气敏传感器
图7-1 甲醛检测仪
图7-2 甲烷传感器
学习单元一 气敏传感器
成 分分析包括两部分内 容：一是定性分析，确定物质 的化学组成，都是利用物质所 含组成成分在物理或化学性质 上的差异来进行的，如电学、 光学、磁学、力学、声学等方 面的差异，从而实现对其组成 成分含量的准确测量。图7-3 所示为汽车尾气分析仪。
学习单元一 气敏传感器
（2）按照半导体变化的物理特性，半导体气 敏元件可分为电阻型和非电阻型两种。电阻型半导 体气敏元件利用敏感材料接触气体时的阻值变化来 检测气体的成分或浓度；非电阻型半导体气敏元件 利用其他参数，如二极管整流特性和晶体管特性变 化来检测被测气体。
学习单元一 气敏传感器
学习单元一 气敏传感器
图7-11 光电式烟雾传感器
学习单元一 气敏传感器
（3）气敏式烟雾传感器（见图7-12）是一种检测特定气体的 传感器。它主要包括半导体气敏传感器、接触燃烧式气敏传感器和 电化学气敏传感器等，其中用得最多的是半导体气敏传感器。它的 应用主要有一氧化碳气体的检测、瓦斯气体的检测、煤气的检测、 氟利昂（R11、R12）的检测、呼气中乙醇的检测等。
学习单元一 气敏传感器
图7-8 国产QM-N5型气敏传感器
图7-9 日本费加罗TGS812型气敏传感器
学习单元一 气敏传感器
内科大安全环境监测技术教案第7章 振动检测
授课教案课程名称：安全环境监测技术授课教案课程名称：安全环境监测技术授课教案课程名称：安全环境监测技术7.6测振仪的校准与标定1）标定内容X (1)拾振器灵敏度标定在振动台上进行，f ≤200Hz ，a ≤10g 灵敏度 Sv=U/X a=4π2f 2AA 为振幅读书；U 为输出电压；f 为频率 (2)实验室条件下的二次标定 2）频率特性的标定(1)频率响应：测频带（带宽） (2)谐振频率7.7振动允许标准1）人体允许振动标准（246页）人体可以通过各种感受器接收振动的信息，并通过大脑对振动作出相应的反应和判断。
根据振动对人影响的程度，可以建立振动的评价标准。
主要取决于振动的强度。
振动的强度一般是用加速度有效值来计量的。
除了强度以外，还有两个十分重要的因素。
一个是振动频率，一个是人体承受振动的持续时间（暴露时间）。
实验证明，人对频率为4赫到8赫的振动感觉最敏感，频率高于8赫,或低于4赫,敏感性就逐渐减弱。
对于同样强度、同样频率的振动来说，振动的影响还同振动的暴露时间有关。
短暂时间内可以容忍的振动，时间一长就很可能变成不能容忍的了。
对于由于使用手持工具而引起的手传振动，在GB/T14790-93《人体手传振动的测量和评价方法》（该标准等效采用ISO5439-1986《机械振动——人体接触手传振动的测量与评价指南》）中规定，以4小时等能量计权加速度作为评价量。
若一个工作日内振动总接触时间不是4小时，则4学时等能量计权加速度应以计权加速度的平方在全天总接触时间上的积分来确定，即：其中：Lh 为加速度计，m/s 2，a 0 为参考加速度,10－6m/s 2。
lg20a aL h。
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内容简介
本模块介绍“振动” 的基本概念、各种测
振传感器、激振的方法、各种激振器，简要介
绍频谱图、振动的频谱分析，还介绍了MEMS加
速度传感器。
今天是：2018年1月13日星期六
模块七、振动检测（下） 目录
知识链接 振动的基本概念 项目一、测振传感器
进入 进入
项目二、振动的频谱分析与故障诊断
拓展阅读 MEMS加速度传感器 現在時間是：10:47
圆形导线中的电缆电流趋肤效应示意图
高压电力 a）直流电流时的 传输线的 均匀分布 8分裂导线 b）中频电流时中心部位 减小 电密度减小 趋肤效应 c）高频电流时，电流 趋向表面分布
电磁炉内部的多股漆包线绕制的涡流线圈
多股漆包线的 原材料
2．涡流线圈的等效阻抗
涡流线圈受被测金属工件影响后一次侧线圈的阻抗Z 与激励频率f、磁导率μ、电导率σ、金属导体的形状和 表面因素（粗糙度、沟痕、裂纹等）r以及涡流线圈到 金属导体的距离δ有关。涡流线圈的等效阻抗Z可用以 下函数 f 的表达式来表示： Z=f（f、μ、σ、r、δ） （7-10） 如果控制f、μ、σ、r不变，涡流线圈的阻抗Z就成为 δ的单值函数，可以作为非接触式位移检测传感器；如 果控制δ、f 不变，就可以用来检测与表面因素r有关的 表面电导率σ、表面温度、表面裂纹等参数，或用来检 测与材料磁导率μ有关的材料型号、表面硬度等参数。 涡流线圈的阻抗与f、μ、σ、r、δ之间的关系均呈非 线性关系，必须由计算机进行线性化处理或曲线拟合。
六、涡流式传感器用于振动位移的检测
图7-22 非接触振幅 测量方法 a）径向振动测量 b）长轴振型测量 c）叶片振动测量 1－涡流式传感器 2－被测物
例7-4 用涡流式测振仪检测轴向窜动如图7-23a所示。
已知传感器的灵敏度K=2.5V/mm，最大线性范围（优 于5%）xmax=8mm。现将传感器安装在主轴的右侧， 使用计算机记录下的振动波形如图7-23b所示。求： 1）主轴振动的基频 f 是多少赫兹？
石英晶体振荡器通过耦合电阻 R, 向由探头线圈和一个微调电容 C0组成的并联谐振回路提供一个 稳频、稳幅的高频激励信号，相当于一个恒流源。当被 测振动体为非磁性金属时，探头线圈的等效电感 Lx 减小， 并引起Q值下降，输出电压uLx 及Uo就大大降低
图7-20
定频、调幅式的谐振曲线
0－探头与被测 物间距很远时 1－非磁性金属、 间距较小时 2－非磁性金属、 间距与探头线圈直 径相等时 3－磁性金属、 间距较小时
2．调频式电路
FM 电路：是将涡流线圈的电感量 L 与微调电容 C0 构 成LC振荡器，以振荡频率f 作为输出量。 此频率可以通过F/V转换器（又称为鉴频器）转换成 电压。也可以直接将频率信号（TTL电平）送到计算机 的计数、定时器接口，计算出频率的变化。 测量转换原理如图 7-21a 所示。并联谐振回路的谐振 频率为 （7-11） 1
二、涡流式传感器探头结构
图7-18 涡流探头结构 1－扁平涡流线圈 2－探头壳体 3－壳体上的位置调节螺纹 4－印制电路板 5－夹持锁紧螺母 6－电源指示灯 7－阈值指示灯 8－输出屏蔽电缆 9－电缆插头
三、涡流探头信号转换电路（图7-19）
1．定频调幅式信号转换电路 AM电路：以输出高频信号的幅度来反映涡流探头与 被测金属导体之间的关系。
进入
任务二
1．涡流效应
涡流式位移传感器测量振动
一、认识涡流效应与涡流线圈的阻抗 根据法拉第电磁感应定律，金属导体置于变化的 磁场中时，导体表面以及近表面就会产生感应电流。 电流在金属体内自行闭合，这种由电磁感应原理产生 的旋涡状感应电涡流（以下简称涡流）的现象称为涡 流效应。
图7-17
涡流效应
1－涡流线圈 2－导电工件 3－涡流
f
2π LC0
AM FM
图7-21
调频式测量转换电路原理框图及鉴频器特性
a）测量转换原理 b）鉴频器特性
当涡流线圈与被测振动体的距离x变小时，涡流线圈 的电感量L也随之变小，引起LC振荡器的输出频率变大， 此频率差可直接用计算机测量。如果要用模拟仪表进行 显示或记录时,必须使用鉴频器,将Δf转换为电压ΔUo。 如果被测金属板处于振动状态，与涡流探头的距离δ周 期变化，鉴频器的输出信号为同频率的交流电压。
四、涡流式测振传感器的特性
YD9800系列电涡流位移传感器特性
线圈 直径 φ/mm 5 11
25
壳体 螺纹 /mm
M8×1
线性 范围 /mm 1 4
8
最佳安装 距离 /mm 0.5 2
4
最小 被测面 /mm
分辨力 /μm
15 35
70
1 4
8
M14×1.5
M16×1.5
50
M30×2
25
12
100
2）轴向振动的振幅峰峰值xpp为多少微米？
3）为了得到较好的线性度与最大的测量范围，传感 器与被测金属的安装距离δ0应为多少毫米？ 4）振动波形不是正弦波的原因有哪些？
解 1）主轴振动的基频 f=1/T=1÷(40ms/2)=50Hz。 2）轴向振动的振幅峰峰值xpp=Upp/K=5÷(2.5V/mm)=2mm。 3）为了在动态下获得较好的线性度，间隙应为量程的一半，所 以传感器与被测金属的安装距离δ0=0.5xmax=0.5×8mm=4mm。 4）振动波形不是正弦波的原因有：①轴向振动本身就不是简谐 振动，含有大量的高次谐波；②被测面不平整；③涡流式传感器 的支架与基座直径存在微小的共振等。
10
探头的直径与测量范围及分辨力之间有何关系？
五、被测振动体材料,形状,大小对灵敏度的影响
1）对于非磁性材料，被测振动体的电导率越高，灵 敏度就越高。但被测振动体是导磁材料时，其磁导率将 影响涡流线圈的感抗，其磁滞损耗也将较大地影响涡流 线圈的Q值，所以其灵敏度变高。 2）当被测振动体为圆盘状物体的平面时，物体的直 径应大于线圈直径的2倍；被测振动体为轴状圆柱体的 圆弧表面时，它的直径应为线圈直径的4倍以上。 3）被测振动体的厚度应在0.2mm以上。 4）在测量时，涡流式传感器探头周围除被测导体外， 应尽量避开其他导体，以免干扰高频磁场，引起线圈的 附加损失。
涡流传感器工作原理
涡流效应演示
当涡流线圈 与金属板的距离 x 减小时，电涡 流线圈的等效电 感L 减小，等效 电阻R 增大，Q 值降低，流过电 涡流线圈的电流 i1 增大。
趋肤效应
工件表面产生的涡流在金属导体的纵深方向不是均 匀分布的，主要集中在金属导体的表面，称为趋肤效应， 也称集肤效应。
高频电流向 导线外表面聚集
本模块介绍“振动” 的基本概念、各种测
振传感器、激振的方法、各种激振器，简要介
绍频谱图、振动的频谱分析，还介绍了MEMS加
速度传感器。
今天是：2018年1月13日星期六
模块七、振动检测（下） 目录
知识链接 振动的基本概念 项目一、测振传感器
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项目二、振动的频谱分析与故障诊断
拓展阅读 MEMS加速度传感器 現在時間是：10:47
圆形导线中的电缆电流趋肤效应示意图
高压电力 a）直流电流时的 传输线的 均匀分布 8分裂导线 b）中频电流时中心部位 减小 电密度减小 趋肤效应 c）高频电流时，电流 趋向表面分布
电磁炉内部的多股漆包线绕制的涡流线圈
多股漆包线的 原材料
2．涡流线圈的等效阻抗
涡流线圈受被测金属工件影响后一次侧线圈的阻抗Z 与激励频率f、磁导率μ、电导率σ、金属导体的形状和 表面因素（粗糙度、沟痕、裂纹等）r以及涡流线圈到 金属导体的距离δ有关。涡流线圈的等效阻抗Z可用以 下函数 f 的表达式来表示： Z=f（f、μ、σ、r、δ） （7-10） 如果控制f、μ、σ、r不变，涡流线圈的阻抗Z就成为 δ的单值函数，可以作为非接触式位移检测传感器；如 果控制δ、f 不变，就可以用来检测与表面因素r有关的 表面电导率σ、表面温度、表面裂纹等参数，或用来检 测与材料磁导率μ有关的材料型号、表面硬度等参数。 涡流线圈的阻抗与f、μ、σ、r、δ之间的关系均呈非 线性关系，必须由计算机进行线性化处理或曲线拟合。
六、涡流式传感器用于振动位移的检测
图7-22 非接触振幅 测量方法 a）径向振动测量 b）长轴振型测量 c）叶片振动测量 1－涡流式传感器 2－被测物
例7-4 用涡流式测振仪检测轴向窜动如图7-23a所示。
已知传感器的灵敏度K=2.5V/mm，最大线性范围（优 于5%）xmax=8mm。现将传感器安装在主轴的右侧， 使用计算机记录下的振动波形如图7-23b所示。求： 1）主轴振动的基频 f 是多少赫兹？
石英晶体振荡器通过耦合电阻 R, 向由探头线圈和一个微调电容 C0组成的并联谐振回路提供一个 稳频、稳幅的高频激励信号，相当于一个恒流源。当被 测振动体为非磁性金属时，探头线圈的等效电感 Lx 减小， 并引起Q值下降，输出电压uLx 及Uo就大大降低
图7-20
定频、调幅式的谐振曲线
0－探头与被测 物间距很远时 1－非磁性金属、 间距较小时 2－非磁性金属、 间距与探头线圈直 径相等时 3－磁性金属、 间距较小时
2．调频式电路
FM 电路：是将涡流线圈的电感量 L 与微调电容 C0 构 成LC振荡器，以振荡频率f 作为输出量。 此频率可以通过F/V转换器（又称为鉴频器）转换成 电压。也可以直接将频率信号（TTL电平）送到计算机 的计数、定时器接口，计算出频率的变化。 测量转换原理如图 7-21a 所示。并联谐振回路的谐振 频率为 （7-11） 1
二、涡流式传感器探头结构
图7-18 涡流探头结构 1－扁平涡流线圈 2－探头壳体 3－壳体上的位置调节螺纹 4－印制电路板 5－夹持锁紧螺母 6－电源指示灯 7－阈值指示灯 8－输出屏蔽电缆 9－电缆插头
三、涡流探头信号转换电路（图7-19）
1．定频调幅式信号转换电路 AM电路：以输出高频信号的幅度来反映涡流探头与 被测金属导体之间的关系。
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任务二
1．涡流效应
涡流式位移传感器测量振动
一、认识涡流效应与涡流线圈的阻抗 根据法拉第电磁感应定律，金属导体置于变化的 磁场中时，导体表面以及近表面就会产生感应电流。 电流在金属体内自行闭合，这种由电磁感应原理产生 的旋涡状感应电涡流（以下简称涡流）的现象称为涡 流效应。
图7-17
涡流效应
1－涡流线圈 2－导电工件 3－涡流
f
2π LC0
AM FM
图7-21
调频式测量转换电路原理框图及鉴频器特性
a）测量转换原理 b）鉴频器特性
当涡流线圈与被测振动体的距离x变小时，涡流线圈 的电感量L也随之变小，引起LC振荡器的输出频率变大， 此频率差可直接用计算机测量。如果要用模拟仪表进行 显示或记录时,必须使用鉴频器,将Δf转换为电压ΔUo。 如果被测金属板处于振动状态，与涡流探头的距离δ周 期变化，鉴频器的输出信号为同频率的交流电压。
四、涡流式测振传感器的特性
YD9800系列电涡流位移传感器特性
线圈 直径 φ/mm 5 11
25
壳体 螺纹 /mm
M8×1
线性 范围 /mm 1 4
8
最佳安装 距离 /mm 0.5 2
4
最小 被测面 /mm
分辨力 /μm
15 35
70
1 4
8
M14×1.5
M16×1.5
50
M30×2
25
12
100
2）轴向振动的振幅峰峰值xpp为多少微米？
3）为了得到较好的线性度与最大的测量范围，传感 器与被测金属的安装距离δ0应为多少毫米？ 4）振动波形不是正弦波的原因有哪些？
解 1）主轴振动的基频 f=1/T=1÷(40ms/2)=50Hz。 2）轴向振动的振幅峰峰值xpp=Upp/K=5÷(2.5V/mm)=2mm。 3）为了在动态下获得较好的线性度，间隙应为量程的一半，所 以传感器与被测金属的安装距离δ0=0.5xmax=0.5×8mm=4mm。 4）振动波形不是正弦波的原因有：①轴向振动本身就不是简谐 振动，含有大量的高次谐波；②被测面不平整；③涡流式传感器 的支架与基座直径存在微小的共振等。
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探头的直径与测量范围及分辨力之间有何关系？
五、被测振动体材料,形状,大小对灵敏度的影响
1）对于非磁性材料，被测振动体的电导率越高，灵 敏度就越高。但被测振动体是导磁材料时，其磁导率将 影响涡流线圈的感抗，其磁滞损耗也将较大地影响涡流 线圈的Q值，所以其灵敏度变高。 2）当被测振动体为圆盘状物体的平面时，物体的直 径应大于线圈直径的2倍；被测振动体为轴状圆柱体的 圆弧表面时，它的直径应为线圈直径的4倍以上。 3）被测振动体的厚度应在0.2mm以上。 4）在测量时，涡流式传感器探头周围除被测导体外， 应尽量避开其他导体，以免干扰高频磁场，引起线圈的 附加损失。
涡流传感器工作原理
涡流效应演示
当涡流线圈 与金属板的距离 x 减小时，电涡 流线圈的等效电 感L 减小，等效 电阻R 增大，Q 值降低，流过电 涡流线圈的电流 i1 增大。
趋肤效应
工件表面产生的涡流在金属导体的纵深方向不是均 匀分布的，主要集中在金属导体的表面，称为趋肤效应， 也称集肤效应。
高频电流向 导线外表面聚集