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振動傳感器的分類以及工作原理介紹
閱讀：387 發(fā)布時間：2024-1-16振動傳感器的種類有哪些
1.相對式振動傳感器
電動式傳感器通過電磁感應(yīng)的原理，當(dāng)運(yùn)動中的導(dǎo)體在固定的磁場里切割磁力線時，導(dǎo)體的兩端就會感生出電動勢，因此這種原理所生產(chǎn)的傳感器就稱為電動式傳感器。
2.電渦流式振動傳感器
電渦流傳感器是一種與相對式非接觸式的傳感器，它是通過傳感器中的端部與被測物體之間的距離變化而測量物體的振動位移或幅值的電流。
3.電感式振動傳感器
依據(jù)傳感器的相對式機(jī)械接收原理，電感式傳感器能把被測的機(jī)械震動參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換成為電參量信號的變化。因此，電感傳感器有二種形式，一是可變間隙，二是可變導(dǎo)磁面積。
4.電容式振動傳感器
電容式傳感器一般分為兩種類型，可變間隙式可以用來測量直線震動的位移，可變面積式可以用來測量扭轉(zhuǎn)振動的角位移。
5.慣性式振動傳感器
慣性式電動傳感器由固定部及支承彈簧部分組成，為了能使傳感器工作在位移傳感器狀態(tài)，支承彈簧的剛度應(yīng)該足夠的小，也就是讓傳感器具有足夠低的固有頻率。
6.壓電式振動傳感器
壓電式利用的是壓電晶體的正壓電效應(yīng)，其原理是人工極化陶瓷、壓電石英晶體等，不同的壓電材料具有不同的壓電系數(shù)，因此利用晶體的壓電效應(yīng)，能夠制成測力傳感器，在振動測量中，由于壓電晶體所受的力是慣性質(zhì)量的牽連慣性力，因此產(chǎn)生的電荷數(shù)和加速度的大小成正比，因此壓電式傳感器屬于加速度傳感器。
振動傳感器工作原理
1 振動參數(shù)分類及特性
振動傳感器是由彈簧、阻尼器及慣性質(zhì)量塊組成的單自由振蕩系統(tǒng)。利用質(zhì)量塊的慣性在慣性空間建立坐標(biāo)，測定相對大地或慣性空間的振動加速度。它通過其中的換能元件，將機(jī)械振動轉(zhuǎn)換為便于傳遞、變換、處理和儲存的電信號。
振動傳感器形式有很多種，常見的分類如圖1所示。
1.1 壓電式振動傳感器的測試原理
壓電式振動傳感器是試驗機(jī)振動測試常用的傳感器之一。相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)提出了振動加速度測量傳感器改裝要求，但是往往因為對其中的概念理解不透，造成一些不合理的安裝方式，在一定程度上影響了測試精度。
要正確理解和貫徹標(biāo)準(zhǔn)要求，必須了解有關(guān)背景知識，如傳感器的測試原理、構(gòu)造和基本特性等方面。
一些介質(zhì)在沿一定方向上施加機(jī)械壓力而產(chǎn)生變形時，其內(nèi)部會產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時其表面產(chǎn)生電荷，當(dāng)外力去掉以后，材料內(nèi)部的電場和表面電荷也隨之消失，這種特性稱為壓電效應(yīng)。壓電式振動傳感器是利用這一特性，把基體感受到的機(jī)械振動轉(zhuǎn)化為電能量輸出。
1.2 典型壓電式振動傳感器的基本構(gòu)造
壓電式振動傳感器的典型結(jié)構(gòu)如圖2所示。
壓電晶體被壓緊在質(zhì)量塊和基體之間，當(dāng)加速度計感受振動時，質(zhì)量塊施加一個振動力于壓電晶體上，壓電晶體中產(chǎn)生可變電勢。通過適當(dāng)?shù)脑O(shè)計，可以保證在一定的頻率范圍內(nèi)輸入加速度與輸出電勢成比例。
1.3 壓電式振動傳感器的特性
1.3.1 頻率響應(yīng)
Mm是壓在敏感元件上的質(zhì)量塊的質(zhì)量；Mb是加速度計基體及殼體的質(zhì)量；K是Mm與Mb間的系統(tǒng)的等效剛度。這一系統(tǒng)的自然頻率為：
fo=fm
式中fm為質(zhì)量Mm在彈簧K上的自然頻率。
根據(jù)振動理論：fm= 。
假設(shè)加速度計剛性安裝在比它重的多的結(jié)構(gòu)上，此時Mm/Mb→0，fo→fm。從而得到加速度計的上限響應(yīng)頻率為fm。
壓電式振動傳感器能夠精確地檢測寬范圍的動態(tài)加速度，因此可以用來測量瞬態(tài)沖擊過程外， 還可用來測量正弦振動和隨機(jī)振動。但是，壓電式振動傳感器不適用于穩(wěn)態(tài)測量的場合，例如地球引力、慣性制導(dǎo)或諸如發(fā)動機(jī)加速度及制動等緩慢變化的瞬態(tài)過程。
1.3.2 靈敏度
加速度計的靈敏度定義為電輸出與機(jī)械輸入之比。從傳感器結(jié)構(gòu)可知，靈敏度是有方向性的。由于傳感器的制造誤差，其大靈敏度方向與幾何軸不一致，大靈敏度矢量可分解成軸向靈敏度和橫向靈敏度兩部分。
真正代表壓電式振動傳感器靈敏度的是電荷靈敏度，它不受傳感器內(nèi)部電容變化和電纜長度變化的影響，只取決于壓電材料的壓電常數(shù)，一般電荷靈敏度每年下降小于1%。
壓電式振動傳感器實(shí)質(zhì)上是固態(tài)器件，它們非常堅固和耐用，在誤用的情況下一般也不會引起損壞。在傳感器內(nèi)部，沒有調(diào)整部件，增加了傳感器的可靠性和可重復(fù)性，能夠用于極其惡劣的環(huán)境下。
2 壓電式振動傳感器的改裝要求與測量精度
2.1 振動加速度測量傳感器的改裝要求
相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了振動加速度測量傳感器的通用改裝要求：
（1）傳感器測量軸與被測軸線平行，橫向靈敏軸應(yīng)避開側(cè)向加速度大的方向。
（2）傳感器安裝支架質(zhì)量小，剛度好，接觸面接觸彈簧的自然頻率至少大于傳感器自然頻率的五倍。
（3）單極性傳感器應(yīng)與支架絕緣安裝。
2.2 影響測量精度的因素
（1）安裝剛度不足會降低響應(yīng)頻率及使用范圍的上限，這一影響在高頻測量中尤其顯著。
標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定“接觸面接觸彈簧的自然頻率至少大于傳感器自然頻率的五倍"；這對傳感器安裝支架的剛度及安裝面的接觸剛度提出了很高的要求。若傳感器直接安裝在被測結(jié)構(gòu)上，其接觸彈簧的自然頻率可按接觸彈簧靜態(tài)變形求得：
fm=
因傳感器的質(zhì)量力一般很小，而接觸彈簧剛度趨于無窮大；因此變形δ極小，接觸頻率可以滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。
若傳感器通過轉(zhuǎn)接支架安裝在被測結(jié)構(gòu)上，則必須同時考慮支架剛度及兩個接觸面的接觸剛度，并要在滿足安裝剛度要求的前提下盡量減小支架的質(zhì)量。若傳感器與支架絕緣安裝，采用絕緣螺樁及云母墊片可以獲得大安裝剛度。
（2）安裝支架質(zhì)量太大，其質(zhì)量載荷改變了結(jié)構(gòu)的原有振動，導(dǎo)致測量結(jié)果失真；如果是在較輕或較薄的結(jié)構(gòu)上測振，這一影響不可忽視。
（3）安裝方向偏離傳感器的校準(zhǔn)狀態(tài)，傳感器軸向靈敏度軸方向與要求的測量方向應(yīng)盡可能一致，一旦偏離將導(dǎo)致軸向響應(yīng)降低，而橫向響應(yīng)增大加速度計應(yīng)當(dāng)安裝在平坦、干凈的表面上，橫向靈敏軸（在殼體上以紅點(diǎn)標(biāo)出）應(yīng)避開側(cè)向加速度大的方向。
（4）螺栓擰緊不當(dāng)，螺栓擰入基體太深，引起基體拱彎變形，從而產(chǎn)生額外的電輸出。擰緊力矩要適當(dāng)，過大會損壞螺紋，太小將影響安裝剛度。
2.3 壓電式振動傳感器的典型安裝方式和關(guān)鍵點(diǎn)
壓電式振動傳感器有金屬螺栓安裝、對地絕緣轉(zhuǎn)換螺栓連接、膠粘劑粘接和磁鐵轉(zhuǎn)換吸盤連接四種安裝方式，其中金屬螺栓安裝和膠粘劑粘接為常見。利用鋼制螺樁把傳感器固定在拋光的金屬面上，這種方式可以得到高的響應(yīng)頻率，其它的安裝方式會降低響應(yīng)頻率。
要做到數(shù)據(jù)結(jié)論準(zhǔn)確，首先要正確使用和安裝傳感器。在設(shè)計振動傳感器支架、緊固件及實(shí)施安裝時應(yīng)遵循以下幾點(diǎn)：
（1）了解所測參數(shù)的基本情況，如振動加速度的振幅、頻率范圍；
（2）了解傳感器的結(jié)構(gòu)形式和特性，包括傳感器質(zhì)量，自然頻率，安裝尺寸等；
（3）根據(jù)被測結(jié)構(gòu)的具體情況確定傳器的安裝方式，對低頻測量應(yīng)重點(diǎn)考慮附加質(zhì)量對測量結(jié)果的影響；對高頻測量則應(yīng)保證安裝剛度符合標(biāo)準(zhǔn)要求；
（4）傳感器及轉(zhuǎn)接支架的安裝接觸面應(yīng)平整、光滑，以保證傳感器安裝精度和剛度；
（5）仔細(xì)調(diào)整傳感器的安裝方向。使軸向靈敏軸與所要測量方向一致，橫向靈敏軸應(yīng)避開側(cè)向加速度大的方向；
（6）控制螺栓擰入深度及擰緊力矩，適當(dāng)?shù)臄Q緊力矩為1.8N?m。