U S 为 X min 对应的信号电压 U N 为噪声电压 由上式得到U S 对于灵敏度已知的传感器
可进一步获得
X
min
=
US S
3.5 相移 振动量与传感器输出之间的相位差 0 180 相移或比例相应最好 畸变 3.6 质量 体积及连接方式 一般越轻 越小的传感器越昂贵 3.7 环境条件 温度范围 湿度范围 声场 电磁场等的影响
可保证无输出
3
4 惯性式传感器的接收原理
x’ k
c
x o’
m xr
o
振动结构
xe
m&x&r + cx&r + kxr = −m&x&e
&x&r
+
2ζωn x&r
+
ω
2 n
x
r
=
− &x&e
ωn =
k m
传感器固有频率
ζ = c 传感器阻尼比 2 mk
xr 传感器惯性质量相对传感器外壳位移 xe 被测结构位移 x 固定坐标系 x′ 固定于传感
2 振动传感器的原理及其分类
2.1 原理
电源 传统振动传感器
实际振动 机械量 Xe
机械
Xr
机电 E
测量
U
接收 中间机械 变换
放大电路
振动量
反馈
新型振动传感器
2.2 分类 按机械接收分
相对式 惯性式 发电型
按机电变换分
参量型
按测量的机械量 位移计
分
力传感器
顶杆式
以外壳为参考 Xe 与 Xr 成正比关系
S
=
输出量 如电压 输入振动量
=
U X
3.2 分辨率
定义为 ∆U 可分辨时
∆X 的最小变化
∆X min
=
∆U min S
3.3 频率范围 保证 S 变化小于某一给定误差限的频率范围 包括上限 fU 和下限 f L Kistler
公司产品中已提供上限达 300kHz 的压电式加速度计
3.4 动态范围 又称线性范围 保证 S 变化小于某一给定误差限的机械量的幅值范围 包 括幅值上限 X max 和下限 X min 分别称为最大可测振级和最小可测振级 常用上下限的比值
部惯性质量接收的位移和速度趋于相同 所以传感器的工作区在其固有频率之上 随阻尼比
的增大 D2 曲线的峰值下降 当阻尼比在最佳阻尼比 0.5 0.7 之间时
率处的值接近于 1 可拓宽传感器的使用下限频率 对于加速度计型惯性接收
D2 曲线在固有频
&x&e = Aee jωt Ae = −ω 2 X e
X
电测法 宽 大 中 小量程均有 宽 大 中 小量程均有 规格型号多 需要 中 小 Kistler 公司 1mm 注塑监 控用力传感器 高 中 低均有 高 中 低档均有 接触式 需考虑温度 湿度 腐蚀 及电磁干扰等影响 伺服式加速度计 压电式加速度计 惯性式速度计 角位移计 丹 麦 B&K 瑞 士 Kistler 美 国 Endevoc 上海 B&W 扬州无线电 二厂 秦皇岛传感器研究所等
曲线的峰值下降 当阻尼比在最佳阻尼比 0.5 0.7 之间时 D0 曲线在固有频率处的值接近
于 1 可拓宽传感器的使用上限频率
5
D0
5 5
4
4 3
3 2
非接触式
0 阶系统
M K C 矩阵组成二阶系统 测量惯性坐标系的绝对
振动 又称绝对式
振动
电压 电荷
电动式 压电式
变电阻式
振动 电阻 电 变电容式
容 电感等参量 电感式
变化
压阻式
电涡流式
速度计
加速度计
应变计
扭矩传感器
角度传感器
2
按接收与变换是 非伺服式
否反馈分
伺服式
3 测量系统的主要性能指标
3.1 灵敏度
λ= ω ωn
θ2
=
tg −1
2ζλ 1 − λ2
0 ≤ θ2 ≤ π
D2
5
ζ = 0.1
4
ζ = 0.2
ζ = 0.5
ζ = 0.7
3
ζ = 0.9
2
1
0
0
2
4
6
8
λ
4
θ2
180
150
ζ = 0.1
120
ζ = 0.2
ζ = 0.5
90
ζ = 0.7
ζ = 0.9
60
30
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
λ
当频率高于传感器固有频率时 D2 的值趋近于 1 表明结构振动的位移或速度与传感器内
rω
2 n
Ae
=
X
rω
2 n
−ω2Xe
=
−
ω
2 n
ω2
Xr Xe
= D0e− jθ0
D0 =
1 (1 − λ2 )2 + 4ζ 2λ2
λ= ω ωn
θ0
=
tg −1
2ζλ 1 − λ2
−π ≤ θ0 ≤ 0
当频率低于传感器固有频率时 D0 的值趋近于 1 表明结构振动的加速度与传感器内部惯
性质量接收的位移趋于相同 所以传感器的工作区在其固有频率之下 随阻尼比的增大 D0
三层楼房模型
1.2 振动测试方法
机械法
杠杆 相对式接触式 或惯性原理 绝对式接触式 接收并记录振动的方法
相对式
惯性式
测量范围 频率范围 供电电源
0.01 15mm 0 330Hz 无
0.01 20mm 2 330Hz 无
体积
大
大
灵敏度
低
低
价格
便宜
测试环境
无电磁干扰 但须考虑温度 安装及腐蚀问题
例
手持式振动仪 测振表 盖格尔振动仪
表示
D = 20 lg X max dB X min
例 D =70dB X max / X min =3162 倍
丹麦 B&K 公司采用 IEC 推荐标准 规定其加速度测量系统的幅值下限的信噪比为 5dB 即
S (dB) = 20 lg U S ≥ 5dB i.e. U S ≥ 1.77 倍
N
UN
UN
器外壳的随动系
位移计型惯性接收 xe → xr 或 x&e → x&r
加速度计型惯性接收 &x&e → xr
设 xe = X ee jωt xr = X re jωt 对于位移计型惯性接收
Xr Xe
= Vr Ve
=
ω
2 n
ω2 − ω 2 + j2ζωωn
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
= D2e− jθ2
D2 =
λ2 (1 − λ2 )2 + 4ζ 2λ2
第五章 振动传感器测量系统原理及 其应用技术
1 振动测试框图及其测量方法
1.1 框图
测试系统应包括 试验结构 激励系统 测量系统 分析系统 检测系统
3
m
c/2 k/2 k/2 c/2
2
m
c/2 k/2 k/2 c/2
力锤
1
m
加速度计
c/2 k/2 k/2 c/2
电荷 放大器
电荷 放大器
AD 卡
打印机
光测法 将机械振动转换为光信息进行测量的方法 电测法 机电变换原理 重点
1
测量范围 频率范围 可选传感器 电源或光源 体积
灵敏度 价格 测试环境
例
传感器生产 商
光测法 1/4 波长或更低 m 中低频 较少 激光或其它光源 大
高<光波长 如<1 微米 贵 要求隔振 现场测量较困难 不接 触式 温度及腐蚀要求低 读数显微镜 激光干涉仪 麦克尔逊干涉条纹 激光散斑法 ESPI 电子散斑 高速摄影法