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第第4章章 振动测试系统振动测试系统 本章学习要求：本章学习要求：n1。掌握惯性式传感器的力学模型；掌握惯性式位移、加速度、。掌握惯性式传感器的力学模型；掌握惯性式位移、加速度、速度传感器的正确响应条件。速度传感器的正确响应条件。n 2了解电阻应变式和压阻式加速度传感器的工作原理。了解电阻应变式和压阻式加速度传感器的工作原理。n 3掌握磁电式速度传感器的工作原理掌握磁电式速度传感器的工作原理n 4了解涡流式位移传感器的特点及工作原理了解涡流式位移传感器的特点及工作原理2024/7/11n4.1测振传感器测振传感器2024/7/12压电式加速度传感器工作原理如图所示。2024/7/13n惯性式传感器力学模型惯性式传感器力学模型。图中z1(t)x1(t),z0(t)/x0(t),z01(t)/x01(t)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），使壳体与被测物体之间无相对的振动，则被测物体的振动也即拾振器的输入。拾振器内质块对壳体的相对位移量是图力学模型的输出，经变换元件转换为电信号，即拾振器的输出，用以描述被测物体的绝对振动量。例如以被测物体的加速度作为输入，则质块和壳体的相对位移z01(t)为该惯性系统的输出。显然，这是一个典型的弹簧质块阻尼系统，可用二阶微分方程描述，见前述基础运动产生的受迫振动。质块对基础的相对位移为响应时的幅频和相频特性可用下列方程描述：2024/7/14n质量块在整个运动中的力学表达式为如果考察质量块m相对于壳体的相对运动，则m的相对位移为式可改写成2024/7/15上式可改写为上式是一个二阶常系数线性非齐次微分方程。从系统特性可知，它的解由通解和持解两部分组成。通解即传感器的固有振动，与初始条件和被测振动有关，但在有阻尼的情况下很快衰减消失；特解即强迫振动，全由校测振动决定。在固有振动消失后剩下的便是稳态响应。惯性式位移传感器的幅频特性Ax(x)_和相频特性的（x）表达式为2024/7/162024/7/17n由图可知，当wwn时，A(w)接近于1，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。上述原理是研究振动测试的基础。n对于接触式传感器，测振时拾振器将固定在被测物上，其质量将成为被测振动系统的附加质量，使该系统振动特性产生变化,则拾振器的质量mt造成被测系统加速度和固有频率的变化可用下式来估计：2024/7/18式中：a,a为装上拾振器之前、后被测系统的加速度；w,w为装上拾振器之前、后被测系统的固有频率；m为被测系统原有质量。由上式可见，只有当mtm时，mt的影响才可忽略。2024/7/192024/7/110n惯性式位移传感器的正确响应条件2024/7/1112024/7/112(a)正装中心压缩式如图。结构特点：质量快和弹性元件通过中心螺栓固紧在基座上形成独立的体系，具有灵敏度高、性能稳定，频响好，工作可靠等优点。但基座的机械和热变仍有影响2024/7/1132024/7/114n(b)隔离基座压缩式如图2024/7/115n(c)倒装中心压缩式如图2024/7/116n(d)隔离预载筒压缩式如图：大大提高了传感器的综合刚度和横向抗干扰能力，但工艺较复杂2024/7/117多采用极化压电陶瓷作为压电转换元件。（1）中空圆柱形如图。结构简单、轻巧，灵敏度高。2024/7/118n柱状压电陶瓷有两种极化方式如图:一是轴向极化,呈现图中d24剪切压电效应；另一种是经向极化，呈现图中d15剪切压电效应2024/7/119n（2）扁环形结构如图。结构简单、轻巧，灵敏度高，可当垫圈在有限的空间使用2024/7/120n(3)H形结构如图。左右压电元件通过横螺栓固紧在中心立柱上，具有更好的静态特性，更高的信噪比和宽的高低频特性，装配方便。2024/7/121n(4)三角结构如图。三块压电片和扇形质量块呈三角空间分布，由预紧筒固紧在三角中心柱上，取消胶结，改善了线性和温度特性。2024/7/122泛指那些具有组合结构、差动原理、合一体化或复合材料的压电传感器。(1)多晶片三向压电加速度传感器如图2024/7/123n(2)压电圆管梁差动式加速度传感器如图,圆管外电极被槽1分成上下极,且径向极化方向相反,在惯性力F作用下,使压电圆管弯曲变形,上下极产生的电荷差动相加,提高了灵敏度。2024/7/124（3）组合一体化压电加速度传感器如图，集传感器与电子线路于一身的组合一体化压电电子传感器。2024/7/125电阻应变式加速度传感器和压阻式加速度传感器由于具有低频特性好和较高的性能价格比，因而也广泛应用在振动测量领域内。电阻应变式加速度传感器的原理如图下所示。图中三角形弹性板的端部装有一个质量为m的惯性锤。传感器安装在被测振动物体上，受到一个上下方向的振动。设物体的振幅位移为x、惯性锤上下振动幅度为y，且振动物体的振动频率为f,系统的固有频率为f0，则f0f时，y与d2xdt2(即振动加速度)成正比；当f0=f时，y与x成正比(即振动速度)成正比。因为y是弹性板受振动力作用而产生应变的函数，可以通过应变电桥的输出信号进行测量。所以，针对振动频率f适当设定系统的固有频率f0并分别满足上述关系时，即可知道物体振动的幅度x,振动速度dxdt和振动加速度d2x/dt2。2024/7/1262024/7/127下图为一种板簧式结构电阻应变式加速度传感器。这是一种简单结构的加速度传感器。它是基于悬臂梁在振动力作用下产生应变的原理。应变计可以粘贴在板簧的根部，那里具有最大灵敏度。全部结构被密封在一个充有硅油的外壳内。传感器可以工作在上下或左右振动状态下。2024/7/128n目前，压阻式加速度传感器的机械结构，绝大多数都采用悬臂梁，如下图所示。2024/7/129悬臂梁可用金属材料，也可用单晶硅。前者在其根部的上下两对称面上各粘贴两对半导体应变计。如果用单晶硅作应变梁，就必须在根部扩充4个电阻组成全桥。当悬臂梁自由端的惯性质量受到振动产生加速度时，梁受弯曲而产生应力，使4个电阻阻值发生变化。其应力大小为：2024/7/130惯性式加速度传感器的正确响应条件2024/7/1312024/7/1322024/7/1332024/7/1342024/7/1352024/7/136磁电式速度传感器磁电式速度传感器 1.1.变换原理变换原理:磁电式传感器是把被测量的物理量转换为感应磁电式传感器是把被测量的物理量转换为感应电动势的一种转换器。电动势的一种转换器。感应线圈的感应电动势感应线圈的感应电动势e e为为磁通变化率与磁场强度、磁阻、线圈运动速度有磁通变化率与磁场强度、磁阻、线圈运动速度有关，改变其中一个因素，都会改变感应电动势。关，改变其中一个因素，都会改变感应电动势。2024/7/1372024/7/1382024/7/139n磁电式速度传感器是利用电磁感应原理将传感器的质量块与壳体的相对速度转换成电压输出。上图为磁电式相对速度传感器的结构图，它用于测量两个试件之间的相对速度。壳体6固定在一个试件上，顶杆1顶住另一个试件，磁铁3通过壳体构成磁回路，线圈4置于回路的缝隙中，两试件之间的相对振动速度通过顶杆使线圈在磁场气隙中运动，线圈因切割磁力线而产生感应电动势e，其大小与线圈运动的线速度成正比如果运动符合前述的跟随条件，则线圈的运动速度就是被测物体的相对振动速度，因此输出电压与被测物体的相对振动速度成正比关系；2024/7/1402 2 分类分类 磁磁电电式式动圈式动圈式磁阻式磁阻式线速度型线速度型角速度型角速度型N2024/7/141角速度型角速度型2024/7/142n涡流式位移感器涡流式位移感器2024/7/143n一.高频反射式电涡流位移传感器2024/7/1442024/7/1452024/7/146
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