振动传感器原理与应用Word格式.docx
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二、传感器的机械接收原理
振动传感器在测试技术中是关键部件之一，它的作用主要是将机械量接收下来，并转换为与之成比例的电量。
由于它也是一种机电转换装置。
所以我们有时也称它为换能器、拾振器等。
振动传感器并不是直接将原始要测的机械量转变为电量，而是将原始要测的机械量做为振动传感器的输入量，然后由机械接收部分加以接收，形成另一个适合于变换的机械量，最后由机电变换部分再将变换为电量。
因此一个传感器的工作性能是由机械接收部分和机电变换部分的工作性能来决定的。
1、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。
由此可知，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。
2、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。
三、振动传感器的机电变换原理
一般来说，振动传感器在机械接收原理方面，只有相对式、惯性式两种，但在机电变换方面，由于变换方法和性质不同，其种类繁多，应用范围也极其广泛。
在现代振动测量中所用的传感器，已不是传统概念上独立的机械测量装置，它仅是整个测量系统中的一个环节，且与后续的电子线路紧密相关。
由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：
压电式、压阻式、电容式、电感式（电动式、电涡流式）以及光电式。
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（0～10kHZ），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、电感式传感器
依据传感器的相对式机械接收原理，电感式传感器能把被测的机械振动参数的变化转换成为电参量信号的变化。
因此，电感传感器有二种形式，一是可变间隙，二是可变导磁面积。
4、电容式传感器
电容式传感器一般分为两种类型。
即可变间隙式和可变公共面积式。
可变间隙式可以测量直线振动的位移。
可变面积式可以测量扭转振动的角位移。
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，rx&
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。
速度传感器原理与应用
物体的运动速度分为线速度和角速度（转速），对于不同的测试对象，不同的测量精度等情况，所采用的速度传感器类型及测试原理也各不一样。
因此，在选用各种速度传感器时，需对它们的工作原理，性能和特点有所了解，以便于获得准确的测试结果。
1、微积分电路法
由于速度是位移对时间的微分，对加速度的积分，因此把任何一个位移传感器的输出电信号通过微分电路进行微分，或者把加速度传感器的输出电信号通过积分电路进行积分，就可得到与速度成比例的电信号。
这种方法存在的主要问题是微分会增强信号中低幅高频噪声成分。
另外从交流传感器的输出，经过解调和滤波后所得到的信号中存在有载频纹波，也会带来一定的麻烦。
2、平均速度法
平均速度法适合于测量运动较平稳的物体的速度。
该方法是通过已知的位移Δx和相应的时间间隔Δt来测量平均速度，即
当Δt尽量减小而趋近于零时，平均速度所趋向的极限值可描述该点的瞬时速度，通常用来测量运动物体的初速度或末速度，如果被测对象作匀速运动，取较大的位移Δx和时间间隔Δt可获得较高的测量精度。
如果被测对象作变速运动，则间距Δx应当足够小，使物体在该段距离上的速度没有明显的变化。
这样，所测得的平均速度才能反映这段距离（时间）内的运动状态。
为在已知位移Δx上得到比较精确的时间间隔Δt，可采用适当的区截装置，在位移始末两端产生可控制测时过程的电信号。
产生控制测时过程电信号的装置称为区截装置，简称为靶。
放置在测时间距起点者称为Ⅰ靶，放置在测时间距终点者称为Ⅱ靶。
区截装置的结构常因具体测量对象不同而异。
常用的区截装置有线圈靶、光电靶、天幕靶、声靶等。
下面介绍几种适于测量高速运动体（如弹丸）平均速度的区截装置。
（1）线圈靶
线圈靶是利用电磁感应原理制作的区截装置。
因此，要求待测运动体必须是导磁体，线圈靶分感应式线圈靶和励磁式线圈靶两种。
前者需将待测运动体事先磁化，当运动体穿过线圈靶时，造成穿过线圈的磁通量变化，在线圈内产生感应电势，形成区截信号。
后者有两组线圈，内层为励磁线圈，工作时通入直流激磁电流，产生一个恒定磁场。
外层为感应线圈，被测运动体不需事先磁化，当运动体穿过线圈时，将使穿过感应线圈的磁通量发生变化，产生感应电动势，即区截信号。
在配用线圈靶的测时仪中，使电子门动作的触发电压的大小和极性是一定的（不同型号的测时仪这种规定不一定相同）。
安装线圈靶时，还应注意线圈靶的方向及使弹道和两靶连心线尽量一致，否则，也将引入系统误差。
（2）天幕靶
天幕靶是一种光电靶，其利用太阳光在大气中散射而形成的自然光为光源。
天幕靶对弹丸材料没有特殊要求，对弹丸飞行没有干扰，具有其它区截装置所没有的特殊优点。
如图根据透镜成象原理，发光体ab所成的象为。
如在象前装一个光阑，则只有光阑上狭缝所允许通过的光才能成象于。
如对准安装一个光敏元件，它所接收的只是垂直于纸面方向（与光阑狭缝平行），宽度为cd的一条光幕的光。
当弹丸飞过该光幕时，弹丸的影像将使照射到光敏元件上的光通量发生变化，使光敏元件产生的电信号发生变化，发出区截信号。
因此，天幕靶是以天光形成的光幕为区截面的，故而有此名称。
3、瞬时速度法
工程中许多机械运动部件的速度变化是瞬息万变的——自动武器的心脏，自动机的运动的变化是十分剧烈的，在自由行程阶段，在短短的1~2毫秒内，枪机框的速度就由静止急剧地上升到10米/秒左右，在开锁、带动枪机、后座到位、闭锁、复进到位机构动作过程中，都有撞击存在，引起速度的突变，而枪机框的复进段，运动曲线的变化又比较平缓。
永磁型感应测速传感器的结构原理如图所示。
在两根互相平行的铁芯2和5上分别均匀地密绕一层漆包线3和6，称为速度线圈。
在铁芯5上开有等间距的窄凹槽，相邻两槽的间距为Δs，称为节距，在凹槽内嵌绕着位移线圈7，它的绕法是相邻两个位移槽内绕组的绕向相反。
两根平行的铁芯线圈之间是一块永久磁铁1，使用时和被测件固接，永久磁铁在铁芯中形成的磁路如图中的虚线所示。
在永久磁铁1和铁芯2、5之间的间隙内，将形成一个磁场，其方向垂直向上（下），并设磁感应强度为B。
当运动机构运动时，带动永久磁铁沿铁芯线圈轴线方向运动。
这时，速度线圈将切割磁力线，因此线圈内将产生感应电动势e。
若n为单位长度内速度线圈的匝数，u为永久磁铁的速度，根据电磁感应定律，有。
对于一定的均匀密绕的速度线圈来讲，n是一个常数；
在永久磁铁和铁芯线圈之间的间隙中的磁感应强度B也近似恒定，因此，速度线圈中的感应电动势e和被测运动体的速度u成正比。
传感器有两个速度线圈3和6，这两个速度线圈应串联连接，使它们的感应电动势相加。
该连接方法一方面可提高传感器的灵敏度；
另一方面，也是更重要的，就是当被测运动部件，如除水平运动之外，在垂直方向也有微小跳动，这会改变磁铁和铁芯间的间距，从而使间隙中的磁感应强度B发生变化。
如只有一个速度线圈，B的变化将使感应电动势和速度之间的比例系数发生变化，从而破坏了感应电动势和速度之间的正比关系，引入测量误差。
如果使用两个速度线圈，当永久磁铁和上铁芯线圈之间的间隙减小时，永久磁铁和下铁芯线圈之间的间隙就将增大，上、下间隙之和保持不变，两个速度线圈的电动势是串联相加的，则上下跳动对感应电动势的影响就能相互补偿，使总的输出电动势基本上不受上下跳动的影响，而和运动体速度成正比。
当永久磁铁运动时，在位移线圈中也要产生感应电动势。
由于位移线圈中两个相邻绕组的绕向相反，对外电路来说，相邻绕组中产生的感应电动势的方向是相反的，所以，位移线圈输出的电动势是锯齿形的。
产生锯齿波的峰尖的时刻，正是永久磁铁经过某个位移绕组的时刻；
而相邻的峰尖和峰谷对应的时间间隔相当于永久磁铁通过一个节距所用的时间。
永磁型感应测速传感器的铁芯应采用软磁材料，即它们的剩磁强度和矫顽力应尽可能的小。
如剩磁强度较大，铁芯上的剩磁沿铁芯长度的分布必然是不均匀的，将破坏永久磁铁运动时磁感应强度B随位置改变的条件，而使传感器的感应电动势不仅和磁铁的速度有关，还和磁铁的位置有关，这样就破坏了感应电动势和磁铁速度之间的线性关系。
此外，当磁铁运动时，除了速度线圈和位移线圈中产生感应电动势之外，如果铁芯是用良导体制成，并具备形成回路的条件，那么，铁芯的表面也将产生感应电动势，并形成感应电流，这就是涡电流，涡流也要在传感器线圈中产生感应电动势。
由于涡流的磁场总是力图阻止外磁场的变化，所以，涡流引起的感应电动势将阻止速度线圈中的总感应电动势追随磁铁速度的变化。
当涡流严重时，传感器的灵敏度和动态特性将严重下降。
因此，选择铁芯材料和结构形式时应尽可能地阻止铁芯中产生涡流。
自然，铁芯材料应当是高导磁率的，以提高传感器的灵敏度。
根据以上考虑，坡莫合金，一种经特殊热处理后的铁镍合金是较好的铁芯材料。
传感器的永久磁铁应选用剩磁强度和矫顽力尽可能大的硬磁材料，以提高传感器的灵敏度，并使磁铁具有抗工作过程中的振动和撞击而保持磁性不变的能力。
如铝镍钴粉末永磁合金就是一种较理想的材料。
永久磁铁的宽度应小于位移线圈的节距。
4、转速测量
转速也是工程上经常碰到的一个参数。
所谓转速就是转轴旋转的速度，用旋转体每分钟内的转速来表示，单位为r/min。
4.1决定转速测量方案选择的几点要素
（1）被测物体运动的速度范围：
超低速（0.10～2.00r/min）；
低速（0.5～500r/min）；
中高速（20～20000r/min）；
高速（500～200000r/min）；
超高速（500～600000r/min）；
全速（0.10～600000r/min）。
测速范围作为基本参数，直接关系到传感器和测速仪的选择；
比如在20～20000r/min这一测速范围，函盖了低速、中高速，满足这一测速范围的传感器和测速仪表品种比较多；
如果测速范围在20r/min以下，甚至0.1r/min以下，这就是超低转速测量，不是普通的传感器和测速仪表能满足的了。
（2）被测物体可测点几何形状及环境条件：
轴（光轴/带孔/带槽/带销/叶片）；
传动齿轮/皮带。
被测物体可测点几何形状，关系到适用传感器的品种，可测点周边空间关系到选用传感器的可安装性，可测点环境关系到传感器和仪表的耐受特性。
被测物体可测点几何状况及环境条件，往往是传感器和测速仪的最大制约因数。
比如一种微型电机，被测旋转轴直径只有1.5mm，只有端面露在外面，且此轴没有负载能力，如何检测？
再如被测物体转速0.10～2.00r/min，要求测量仪表输出4～20mA的标准信号，测量环境70℃，这就要求传感器和测速仪不光满足测速范围的要求，还要满足环境温度的要求。
（3）动态/静态显示、记录、控制。
动态测量和静态测量，关系到测量方法和瞬时转速的概念，静态测量一般选用的采样时间为0.5秒到2秒，超低转速时，可延时到60秒。
动态测量一般采样时间选择小于0.1秒，高速采样时，要求采样时间不超过0.01秒。
在线测量有时作为观测手段，只需要显示；
有时作为反馈，用于系统调节，有时用于报警控制。
（4）误差、响应时间、输出控制形式等。
误差、响应时间、输出控制形式，直接关系到测量目的能否达到。
4.2转速测量方法有多种，按输出信号的特点可分为模拟式和数字式两类。
数字式转速测量系统由频率式转速传感器、数字转换电路和数字显示器等部分组成。
首先由传感器把转速转变成频率信号，再通过测量信号的频率或周期来测量转速。
（1）频率式转速传感器
把转速转换成脉冲系列的传感器常用者有磁电感应式、电涡流式、霍尔式、磁敏二极管或三极管式和光电式传感器。
A、磁电感应式转速传感器
磁电感应式转速传感器的结构原理如图所示。
当安装在被测转轴上的齿轮（导磁体）旋转时，其齿依次通过永久磁铁两磁极间的间隙，使磁路的磁阻和磁通发生周期性变化，从而在线圈上感应出频率和幅值均与轴转速成比例的交流电压信号u0。
由于感应电压与磁通φ的变化率成比例，即（W是线圈匝数），故随着转速下降输出电压幅值减小，当转速低到一定程度时，电压幅值会减小到无法检测出来的程度。
故这种传感器不适合于低速测量。
B、为提高低转速的测量效果，可采用电涡流式、霍尔式、磁敏二极管（或三极管）式转速传感器，它们的共同特点是输出电压幅值受转速影响很小。
磁敏、磁电、霍尔和部分接近开关同属磁性传感器，但它们也有适用性的差异，选用时注意比较。
电涡流传感器测量转速的优越性是其它任何传感器测量没法比的，它既能响应零转速，也能响应高转速。
对于被测体转轴的转速发生装置要求也很低，被测体齿轮数可以很小，被测体也可以是一个很小的孔眼，一个凸键，一个小的凹键。
电涡流传感器测转速，通常选用φ3mm、φ4mm、φ5mm、φ8mm、φ10mm的探头。
转速测量频响为0～10KHZ。
电涡流传感器测转速，传感器输出的信号幅值较高（在低速和高速整个范围内）抗干扰能力强。
作转速测量的电涡流传感器有一体化和分体两种。
一体化电涡流转速传感器取消前置器放大器、安装方便、适用于工作温度在-20℃～100℃的环境下，带前置器放大器的电涡流传感器适合在-50℃～250℃的工作环境中。
C、光电频率转速传感器
光电式转速传感器分为反射式和透射式两大类，它们都由光源、光路系统、调制器和光敏元件组成，如图所示。
调制器的作用是把连续光调制成光脉冲信号，可在其上开有均匀分布的多个缝隙（或小孔），或是直接在被测转轴的某一部位上涂以黑白相间的条纹。
当安装在被测轴上的调制器随被测轴一起旋转时，利用圆盘缝隙（或小孔）的透光性，或黑白条纹对光的吸收或反射性把被测转速调制成相应的光脉冲。
光脉冲照射到光敏元件上时，即产生相应的电脉冲信号，从而把转速转换成了电脉冲信号。
把它做成一个整理，就是我们最常用的光电编码器。
图（a）是透射式光电转速传感器的原理图。
当被测轴旋转时，安装在其上的圆盘调制器使光路周期性的交替断和通，因而使光敏元件产生周期性变化的电信号。
图（b）是反射光电转速传感器原理示意图。
光源发出的光经过透镜1投射到半透膜4上。
半透膜具有对光半反射的特性，透射的部分光被损失掉，反射的部分光经透镜3投射到转轴上涂有黑白条纹的部位。
黑条纹吸收光，白条纹反射光。
在转轴旋转过程中，光照处的条纹黑白每换一次，光线就被反射一次。
被反射回的光经过透镜3又投射到半透膜4上，部分被半透膜反射损失掉，部分透过半透膜并经透镜2聚集到光敏元件上，光敏元件就由不导通状态为导通，从而产生一个电脉冲信号。
因此，转轴每旋转一圈，光敏元件就输出电脉冲信号数目与白条纹数目相同。
（2）数字化电路
为了读出被测转速值，还需要进一步把传感器输出信号的频率或周期转换成数字量，以便于数字显示。
如果在一确定的时间t内，被测信号产生的脉冲个数为NP，则按定义其频率为
因此，如果能够测出已知的时间间隔内的脉冲数，就可按上式计算出信号的频率。
根据这一原理，频率/数字转换电路至少应该包括时基电路、计数控制门和计数器三个基本环节，如图所示。
时基电路的功能是提供时间基准（又称为时标），它由晶体振荡器和分频器电路组成。
振荡器输出的标准频率信号经放大整形和分频后，产生出以脉冲宽度形式表示的时间基准来控制计数门，在t时间内分频器输出为高电平，计数控制门打开，被测信号脉冲通过，进入计数器计数。
在t时间之外，分频器输出为低电平，计数控制门被阻塞，不许被测信号脉冲通过。
数字式转速测量系统除应包括转速传感器、数字化转换电路和显示器外，由于实际测量总是在一段时间内连续进行的，因此在每个测量循环开始之前，必须首先对时基电路、计数器和显示器进行清零。
另外也需要使显示延长一定的时间，以便观察测量结果。
故系统中还应设有完成这些功能的控制逻辑电路。
系统原理结构如图所示。
电涡流位移（振动）传感器原理与应用
电涡流传感器能静态和动态地非接触、高线性度、高分辨力地测量被测金属导体距探头表面的距离。
它是一种非接触的线性化计量工具。
电涡流传感器能准确测量被测体（必须是金属导体）与探头端面之间静态和动态的相对位移变化。
在高速旋转机械和往复式运动机械的状态分析，振动研究、分析测量中，对非接触的高精度振动、位移信号，能连续准确地采集到转子振动状态的多种参数。
如轴的径向振动、振幅以及轴向位置。
从转子动力学、轴承学的理论上分析，大型旋转机械的运动状态，主要取决于其核心—转轴，而电涡流传感器，能直接非接触测量转轴的状态，对诸如转子的不平衡、不对中、轴承磨损、轴裂纹及发生摩擦等机械问题的早期判定，可提供关键的信息。
电涡流传感器以其长期工作可靠性好、测量范围宽、灵敏度高、分辨率高、响应速度快、抗干扰力强、不受油污等介质的影响、结构简单等优点，在大型旋转机械状态的在线监测与故障
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