1.绪论1.1振动测量的概念物体围绕平衡位置作往复运动称为振功。

从做功对象来分，有机械振动(例如机床电机、泵风机等远行时的振动)；上木结构振动(房屋、桥梁等的振动)；运输工具振动汽车、飞机等的振动)以及武器、爆炸引起的冲击振动等。

从振动的频率围来分．合高频振动、低频振动和超低频振动等；从振动信号的统计特征来看，可将振动分为周期振动、非周期振动以及随机振动等。

期振功是指经过相同的时间间隔，其振动特征量重复出现的振动。

它包括简谐振动和复杂周期振动。

复杂周期振动是由一些不同频率的简谐分量合成的振动。

非周期振动的时域函数是一个衰减曲数，冲击振动是最常见的非周期振功。

随机振动是一种非确定性振动，事先允法确定共振幅、频率从相位的瞬时值，但有一定的统计规律性。

振动测量主要是研究上述各种振动的持征、变化规律以及分析产生振动的原因，从而找到解决问题的方法。

物体标动一次所需的时间称为周期，用丁表示，单位是s。

每秒振动的次数称频率，用f表小，单位为Hz、频率是分析振动的最重要容之一。

振动物体偏离平衡位置的最大距离称为振幅，用x表示，单位为mm。

振动的速度用v表示，单位为m／s；加速度用a表水，单位m/s2。

1.2振动信号分类确定性振动可分为周期性振动和非周期性振动。

周期性振动包括简谐振动和复杂周期振动。

非周期性振动包括准周期振动和瞬态振动。

准周期振动由一些不同频率的简谐振动合成，在这些不同频率的简谐分量中，总会有一个分量与另一个分量的频率之比值为无理数，因而是非周期振动。

随机振动是一种非确定性振动，它只服从一定的统计规律性。

可分为平稳随机振动和非平稳随机振动。

平稳随机振动又包括各态历经的平稳随机振动和非各态历经的平稳随机振动一般来说，仪器设备的振动信号中既包含有确定性的振动，又包含有随机振动，但对于一个线性振动系统来说，振动信号可用谱分析技术化作许多谐振动的叠加。

因此简谐振动是最基本也是最简单的振动。

1.3压电式传感器的结构原理当传感器与被测振动加速度的机件紧固在一起后，传感器受机械运动的振动加速度作用，压电晶片受到质量块惯件引起的压力。

其方向与振动加速度方向相反，大小奏F＝ma决定。

惯性引起的压力作用在压电晶片上产生电荷。

电荷由引出电极输出．由此将振动加速度转换成电参量。

弹簧是给压电晶片施加预紧力的。

预紧力的大小基本不影响输出电荷的大小，若预紧力不够，而加速度又较大时．质量块将宅压电晶片敲碰，预紧力也不能太大，否则又会引起压电晶片的非线性误差、常用的压电式加速度传感器的结构多种多样．这种结构有较高的固有振动频率，可用于较高频率的测量(几千赫兹至几十千赫兹)，它是目前应用较多的一种形式。

1.4 压电传感器的性能指标压电式加速度传感器属于自发电型传感器，它的输出为电荷量，以Pc(皮库仑)为单位，1Pc = 10-12C；而输入量为加速度，单位为m／s2，所以灵敏度以Pc／(m/s2)为单位，但是在振动测量中，往往用标准重力加速度g(1g=9．8m/s*s)作为加速度的单位，这是检测行业的一种习惯用法。

几乎所有测量振动的仪器都用g作为加速度单位，并在仪器的面板上以及说明书中标出。

目前许多压电加速度传感器已将电荷放大器做在同一个壳体中，它的输出是电压，所以许多压电加速度传感器的灵敏度单位为mv／g，通常为l0—1000mV/g灵敏度并不是越高越好，灵敏度低的传感器可用于动态同很宽的扳动测量，例如打桩机的冲击振动、汽车的撞击试验、炸弹的贯穿延时引爆等，而高灵敏度的压电传感器可用于测量微弱的振动。

例如用于寻找地下行道的泄漏点(水管漏水处可发出几千赫兹的特殊振动)；或测量桥梁、楼房、桩基的受激振动以反分析精密机床床身的振动以提高加工精度等。

频率围大多数压电加速度度传感器的频率围为0.1HZ-10KHZ。

动态围常用的测量围为0.1—100g，测量冲击振动时应选用100—10000g；而测量桥梁、地基等微弱振动往往要选择0.00l—10g 的高灵敏度的低频加速度传感器。

2.压电式传感器的工作原理2.1压电效应某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时部会产生极化现象，同时么其表面上产生电荷，当外力去掉后，又重新回到不带电的状态．这种现象称为压电效应。

反之，在电介质的极化方向上施加交变电场或电压、它会产生机械变形；当去掉外加电场时，电介质变形随之消失，这种现象称为逆压电效应(电致伸缩效应)例如音乐贺卡中的压电片就是利用逆压电效应而发声的。

具有压电效应的物质很多，如天然形成的石英晶体、人工制造的压电瓷等。

在晶体的弹性限度，压电材料受力后，其表面产生的电荷Q与所施加的力F成正比即Q=d×F式中 d—一压电常数。

自然界中与压电效应有关的现象很多，例如在敦煌的鸣沙丘，当许多游客在沙丘上蹦跳或从鸣沙厅上柠下滑时，可以听到雷鸣般的隆隆声；产生这个现象的原因是无数干燥的沙子(siO2晶体)在重压下表面产个电荷。

在某时刻，形成电压串联，产生很高的电压。

并通过空气放电而发出声音。

2.2压电材料的分类及特性压电式传感器中的压电元件件材料一般有三类：一类是压电晶体(单晶体)；第二类是经过极化处理的压电瓷(多晶体)；第三类是高分子压电材料。

这里我们主要介绍第二类。

压电瓷是人工制造的多晶压电材料．它由无数细微的电畴组成这些电畴实际上是分子自发极化的小区域在无外电场作用时，各个电畴在晶体中杂乱分布．它们的极化效应被相互抵消了，因此原始的在电瓷呈中性，不具有压电性质。

为了使压电瓷具有压电效应，必须在一定温度下做极化处理。

极化处理之后，瓷材料部存在有很强的剩余极化强度。

当压电瓷受外力作用时，其表面也能产生电荷，所以压电瓷也具有压电效应。

压电瓷制造工艺成熟，通过改变配方或掺杂微量元素可使材料的技术件能有较大改变，以适应各种要求它还具有良好的工艺性．可以方便地加工成各种需要的形状，在通常情况下，它比石英品体的比电系数高得多，而制造成本较低，因此日前冈外压电元件绝大多数都采用压电瓷。

常用的压电资材料主要有以下几种：(1)锆钛酸铅系列压电瓷(PZT) 锆钛酸铅压电瓷是由钛酸铅和铁酸铅组成的固熔休。

它有较高的压电常数[d—(200—500)*10-12c/n]和居里点(500c左右)，是目前经常采用的一种压电材料。

在上述材料小加入微量的镧(La)、铌(Nb)或睇(Sb)等，可以得到不同性能的PZT材料。

PzT 足工业中应用较多的压电瓷。

(2)铌镁酸铅压电瓷(PMN) 铌镁酸铅压电瓷具有较高的压电常数{dll＝(800一900)x10-12C／n}和居里点(260ºC)，它能在压力大至70MPa时正常工作。

因此可作为高压下的力传感器。

目前还有一些铌酸盐(如铌酸锂)具有很高的居里点，可作为高温压电传感器。

（3)使用Pv—96型压电加速度传感器进行测量，Pv—96型采取剪切型结构，它不受周围环境温度的影响，外型为圆柱体，重量较大。

它的灵敏度为100OPC／g，也就是说在1g(g＝9．8m／s*s)加速度的作用下，传感器能产生一万微库的电荷，Pv—96型压电传感器的性能如表2—1：表2—1PV-96型压电传感器特性3.微振动测试仪电路的具体设计3.1压电瓷传感器的等效电路压电式传感器对被测量的变化是通过其压电元件产生电荷量的大小来反映的，因此它相当于一个电荷源。

而压电元件电极表面聚集电荷时，它又相当于一个以压电材料为电介质的电容器，其电容量为r o n c c s c =∂式中 S ——极板面积；n C ——压电材料相对介电常数；c 。

——真空介电常数；3——压电元件厚度。

当压电刀件受外力作用时，两表面产生等量的正，负电荷Q ，压电元件的开路电压（认为其负载电阻为无穷大）u 为 U=Q/C n 。

这样，可以把压电元件等效为一个电荷源Q 和一个电容器n C 的等效电路，如图3—1(a)中的虚线方框；同时也等效为—个电压源u 和—个电容器 Cn 串联的等效电路，如图3—1(b)的虚线方框所示。

其中Ra 为压电元件的漏电阻。

图3—1压电式传感器测试系统等效电路工作时，压电元件与二次仪表配套使用，必定与测量电路相连接，这就要考虑连接电缆电容c C ，放大器的输入电阻Ri ，和输入电容C 。

图3—1示出压电式传感器测试系统完整的等效电路。

图(a)、(b)的工作原理是相向的。

压电式传感器的灵敏度有电压灵敏度u k 和电荷灵敏度q k 两种，它们分别表示单位力产生的电压和单位力产生的电荷。

它们之间的关系为qu n k k C3.2电荷放大器电路电荷放大器是压电传感器的一种专用的前置放大器，实际上是一个具有深度负反馈的高增益运算放大器。

它能将高阻的电荷源转换为低阻的电压源，而且输出电压正比与输入电荷，因此电荷放大器同样也起阻抗变换作用，输入阻抗高达1010～1012Ω，而输出阻抗小于100Ω。

若放大器的开环增益足够高，则运算放大器的输入端的电位接近“地”电位。

由于放大器的输入级采用场效应晶体管，保证其输入阻抗极高，放大器输入端几乎没有分流，电荷q只对反馈电容Cf充电，充电电压接近等于放大器的输出电压，即输出电压为Vo=-q/C f。

图3—2电荷放大器电路3.3电压放大电路uA776是低功耗可编程运算放大器，为了降低噪声，可在8脚输入适当的电流Iset=15uA。

在低频测量时，随着频率的降低会增大闪烁噪声，由于采用的运放uA776的电压噪声在1uA以下，噪声主要由前端的电荷放大器产生。

所以在降低噪声设计中不仅要选择电压噪声小的集成电路而且应有低的输人电压、低的偏压及失调漂移等特性。

在电路设计中，反馈电容应尽可能小，因为即使很小的漏电流进人放大器也会产生误差，故输人部分要用聚四氟乙烯绝缘纸进行绝缘。

电压放大器信号从反相端输入，其电路图3—2所示，可知放大倍数A F2：图3—2电压放大器电路3.4测量电路测量电路如图3-3所示，图中的模拟测量电路由两级放大器组成。

图3—3微振动测试仪电路总图AD544L组成一个电荷放大器，它的输入为电荷，输出为电压，也是一个Q/V转换器。

它的输出为 Vo1=Q0/C1,传感器受到1g加速度的作用，它产生的电压，理论值为Vo1=-10000x10-12 C/300 x10-12 F=-33V(实际上，1g的加速度使运放的输出为饱和值Vs),即放大器AD544L的灵敏度为-33V/g = -33 .7mV/gal(l gal=1/980g=1cm/s2) 电荷放大器的低频响应由反馈电容C1和反馈电阻R1确定，其截止频率为fo=1 /2πR1C1=0.053Hz由上式可见，低频时电荷放大器的频率响应仅决定于反馈电路参数Rf和Cf，反馈电阻Rf还有直流反馈功能。

因为在电荷放大器中采用电容负反馈，对直流工作点相当于开路，故零漂较大而产生误差。