测振传感器小知识

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机械振动是一种物理现象，而不是一个物理参数，和振动相关的物理量有振动位移、振动速度、振动加速度等，所以振动测试是对这些振动量的检测，它们反映了振动的强弱程度。

传感器分类

  · 按机械接收原理分：相对式、惯性式。

  · 按机电变换原理分：电动式、压电式、电涡流式、电感式、电容式、电阻式、光电式。

惯性式测振传感器力学模型和特性分析

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。

1. 力学模型和运动方程式

图1 惯性式测振传感器的力学模型

2. 惯性式位移传感器的响应条件

图2 惯性式位移传感器幅频特性曲线

惯性式位移传感器的输出位移zm 反映被测振动的位移量xm。

图3 惯性式位移传感器相频特性曲线

位移传感器的上限测量频率在理论上是无限的，但实际上受具体仪器结构和元器件特性、后继放大电路频响等条件的限制，不能太高；下限测量频率则受弹性元件的强度和质量块尺寸、重量等因素的限制，使ωn 不能太小。因此，位移传感器的频率范围是有限的。

3. 惯性式加速度传感器的响应条件

惯性式加速度传感器的质量块相对位移Zm 与被测振动的加速度成正比，因而可用质量块的位移来反映被测振动的加速度大小。加速度传感器的幅频特性的表达式：

图4 惯性式加速度传感器幅频特性曲线

惯性式加速度传感器的最大优点是它具有零频率持性，即理论上它的下限测量频率为零，实际上是下限测量频率极低。

此外，为使ωn 远大于被测振动频率，加速度传感器的尺寸、质量可作得很小（小于1g），从而对被测对象的附加影响也小。

压电式加速度传感器

压电式加速度传感器属于惯性式传感器，其机械接收部分与惯性式加速度机械接收原理相同，机电部分利用的是压电晶体的正压电效应。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。）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，这种由机械能（力，变形）到电能（电荷，电场）的变换称为正压电效应。

压电式加速度传感器内部通常有以高密度合金制成的惯性质量块，当壳体连同基座和被测对象一起运动时，惯性质量块相对于壳体或基座产生一定的位移，由此位移产生的弹性力加于压电元件上，在压电元件的两个端面上就产生了极性相反的电荷。

压电式传感器通常不用阻尼元件，且其元件的内部阻尼也很小 (x<0.02)，系统可视为无阻尼。

1—弹簧；2—惯性质量；3—压电元件；4—壳体

图5 压电加速度计原理图

x 为被测振动的位移，

其中，k1 为弹簧刚度，k2 为压电元件的刚度，ms 为惯性质量，mb 为壳体或其座的质量，K 为等效刚度，M 为折算质量。

作用在压电元件上的力F 为：

压电元件表面产生的电荷Q 为：

图6 压电式加速度计和测量电路连接后的等效电路

压电式传感器

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。

图7 压电式力传感器结构示意图

压电式力传感器较加速度传感器简单，其结构如图所示。要测量的力通过钢球1及钢板2传递给压电石英片3与4。产生的电荷由导线5及壳体6引出，送入前置放大器。产生的电荷直接与力F 成正比。为获得较大的电荷灵敏度，亦可将多片压电片并联。

磁电式速度传感器

磁电式速度传感器采用磁电感应原理实现测速，当齿轮旋转时，通过传感器线圈的磁力线发生变化，在传感器线圈中产生周期性的电压，其幅度与转速有关，转速越高输出电压越高，输出频率与转速成正比。

1—弹簧；2—壳体；3—阻尼环；4—磁钢；5—线圈；6—芯轴

图8 磁电式绝对速度传感器

电涡流测振传感器

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， 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，提供关键的信息，在大型旋转机械状态的在线监测与故障诊断中得到广泛应用。

图9 电涡流传感器原理及结构框图（定调频幅式）

来源：东华测试订阅号微信公众号（ID：donghuatest）