电子课件-《传感器及应用(第二版)》-B02-1472 模块五 振动的测量

模块五 振动的测量
二、振动传感器的类型
振动传感器也称为加速度传感器。根据振动传感器测量 过程中是否与测点接触以及工作参数的不同，可以做如图 所示分类，外形如图所示。
振动传感器分类
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振动传感器外形图
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三、压电式振动传感器
１． 压电效应与压电材料 压电效应是某些物质沿一定方向上受到外力作用变形时， 内部被极化，其表面产生电荷；外力去除后，又重新回到 不带电状态的现象。具有压电效应的物质称为压电材料 （ 或压电元件） 。
压电传感器工作原理
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３． 压电式振动传感器结构 压电式振动传感器 （ 见图） 由压电元件、质量块、预 压弹簧、基座、外壳等部分组成，如图所示。
压电式振动传感器
压电式振动传感器基本结构
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四、压电式振动传感器的测量电路
压电式振动传感器的内阻很高，而输出信号微弱，因此 不能直接显示和记录，需经测量电路进行放大、调整。测 量电路由前置放大器、带通滤波器、归一化放大器三部分 组成。
汽车安全气囊系统
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知识讲解 一、微硅加速度传感器
硅微加速度传感器是在硅片上微细加工、集 成制作而成的加速度传感器，并将测试、控制电 路集成于一体，有利于大规模批量生产，具有体 积小、重量轻、精度高、响应快、灵敏度高、易 于小型化等优点，而且能够在强辐射作用下正常 工作，其外形如图所示。
各种压电材料
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压电单晶体的典型代表是石英晶体 （ 见图） ，突出优 点是性能稳定，机械强度高，绝缘性能也相当好。石英晶体 受压力或拉力时，电荷的极性如图所示。
石英晶体外形图
石英晶体受力方向与电荷极性的关系
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２． 压电传感器的工作原理 压电式传感器是以某些物质的压电效应为基础，根据在 外力作用下压电材料表面产生电荷量的大小与外力成正比的 原理来实现非电量测量的目的，如图所示。
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课题一 压电式振动传感器 课题二 微硅集成加速度传感器 课题三 冲击传感器
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课题一 压电式振动传感器 学习目标
◇了解振动的基础知识。 ◇掌握压电效应、常用压电材料和压电式传感器的结 构。 ◇掌握压电式振动传感器的工作原理及基本测量电路。 ◇掌握压电式振动传感器的测量方法并能正确使用。 ◇掌握振动传感器的技术指标并能正确进行选型。
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３． 横向灵敏度 压电元件在横向受力时，在轴向表面也会产生电荷，因 此在测量振动时，除了产生有用的纵向压电效应外，还产 生有害的横向压电效应。 ４． 频率范围 多数压电加速度传感器的频率范围为 0.1 Hz 至 10 kHz。
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六、振动测量系统
振动测量装置可以看作一个系统，各组成部分及振动传 感器在其中的作用可用图表示。
电容式微硅加速度传感器内部结构如图所示，它是一种 基于差动电容的加速度传感器。这种传感器将振荡器、相敏 检波器、放大器等检测电路集成在一起，就组成电容式微硅 加速度芯片，如图所示。
电容式微硅加速度传感器内部结构图
电容式微硅加速度芯片
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四、加速度传感器的使用方法
１． 传感器的校准 使用一段时间后传感器灵敏度和其零点输出会改变，所 以在进行测量工作之前要进行校准。常用的校准方法有绝对 法和相对法。
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微硅加速度传感器
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二、压阻式微硅加速度传感器的工作原理
压阻式微硅加速度传感器内部结构如图所示。压阻式微 硅加速度传感器的组成及原理框图如图所示。
压阻式微硅加速度传感器结构图
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压阻式微硅加速度传感器原理框图
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三、电容式微硅加速度传感器的工作原理
永磁钢球式冲击开关结构图
电瓶车防盗报警电路框图
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三、影响测量的环境因素
１． 防水 防水包括浅层防水和深层防水，其中以深层防水为难。 ２． 高温 多数厂商给出的传感器温度范围为传感器可用值，而不 是使传感器维持灵敏度的温度范围。 ３． 位置限制 冲击传感器永久安装在现场会受到人为碰撞，应选择工 业型长期监测冲击传感器。
３． 使用注意事项 （１） 采取防护措施，减小环境影响造成的测量误差 常见的恶劣环境有高温、潮湿、电磁场，处在这种场合 下的传感器如不采取防护措施，会给测试带来较大误差。 （２） 注意消除噪声和采取抗干扰措施 噪声主要来源于电缆噪声与接地回路噪声。在电缆被突 然拉动或振动时，会产生电缆噪声，特别在测量频率较低时 影响更大。解决的办法是，选择低噪声电缆，同时将传输电 缆固定，避免其运动。
不同结构冲击传感器的性能对照表
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２． 压电冲击传感器测量系统 压电冲击传感器与二次仪表 （ 阻抗变换器、电荷放大器） 配套使用，组成测量系统，如图所示。
压电冲击传感器测量系统
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３． 内置电路冲击传感器 在冲击测量中，如测量飞机救生舱的弹射加速度时，对 传感器的要求更加苛刻，要求传感器结构紧凑，测试系统简 化，因此出现了集传感器、阻抗变换器乃至数据采集存储设 备于一体的数字化集成电路传感器。内置的概念是将放大电 路置于冲击传感器内，成为具有电压输出功能的传感元件。 它可分为双电源 （ 四线） 和单电源 （ 二线、带偏置，又 称 ICP） 两种。
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２． 滤波器 根据滤波效果的不同，滤波可分为低通滤波、高通滤波、 带通滤波和带阻滤波；根据使用手段不同分为硬件滤波和软 件滤波。滤波器种类、规格很多，在实际应用中可以根据要 求的技术指标购买滤波器模块，也可根据要求自行搭建滤波 器。
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五、振动传感器技术指标
１． 灵敏度 K 灵敏度即每一单位输入得到的输出量。 2 ．测量范围 常用的测量范围为 0.1~100 g，冲击振动可选用 100~10000 g，路桥、地基等微弱振动则往往选择0.001~10 g的高灵敏度低频加速度传感器。
压电式冲击传感器的内部结构图 １—基座 ２—压电晶片 ３—质量块 ４—弹簧片 ５—电缆
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压电元件受力方式 ａ） 压缩型 ｂ） 剪切型 ｃ） 挠曲型
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冲击传感器选用不同的结构设计和不同性能的压电材料， 可以满足各种不同的使用要求。表给出三种基本结构的冲击 传感器的一般性能。
物体围绕平衡位置的往复运动构成振动。它的形式 多种多样，有机械振动、土木振动、运输工具振动等。 按照振动频率来分，有高频、低频和超低频振动；从振 动原因的角度划分，可以分为自由振动、强迫振动和自 激振动。
振动的单位与具体测量值有关。振动的测量值一般 有三个，即振动位移、振动速度和振动加速度。振动位 移用 s 表示，单位为 mm 或 m；振动速度用 v 表示，单 位为 m/s 或 mm/s；振动加速度用 a 表示，单位为 m/s2 。
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知识讲解 一、压电式冲击传感器
１． 压电式冲击传感器结构 压电式冲击传感器基于压电效应工作，因量程 大，灵敏度相对较低，体积小，重量轻，有的仅为 0.6g，按测量方法可分为单轴和三轴结构，如图所 示为 PCB 公司生产的几款压电式冲击传感器。
压电式冲击传感器
模块五 振动的测量
常用的压电式冲击传感器的内部结构形源自如图所示，内 部压电元件受力方式如图所示。
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知识引入
徜徉在博物馆琳琅满目的展品前，或许不会有 人觉察到隐藏在角落里的安全卫士———玻璃打碎 报警装置，它们虽不起眼，但对各种珍稀文物的安 全起着至关重要的作用。这种装置的结构可用图所 示的框图表示。
玻璃打碎报警装置结构框图
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一、振动的基础知识 知识讲解 １． 振动的类型及单位
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４． 绝缘、地电回路及磁电场 对磁电场较强的测试现场，应选择特殊外壳材料的冲击 传感器和专用导线。 ５． 附加质量 在振动结构上安装的冲击传感器的质量如果小于被测点 的自身动态质量的 1／ 10，即可认为对被测信号的影响可以 忽略。
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知识引入
测量路基时，使用装有冲击传感器的锤，当其 从恒定高度自由落下时，将给路基一个瞬态冲击。 由于路基土密实程度不同，对振动冲击能量的吸收 也不同，土越密实，吸收的能量就越少，传感器检 测到的冲击响应信号就越大；反之，路基土越松散， 吸收的能量就越多，传感器检测到的冲击响应信号 就越小。
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二、冲击开关
冲击开关 （ 又称开关式加速度传感器） 作为冲击传感 器的一种，主要用于一些安全装置上作为开关器件或发火机 构。按结构分为电子式冲击开关和机械式冲击开关两种。
冲击开关的形式很多，下面以永磁钢球式冲击开关为例 作简要说明。
永磁钢球式冲击开关的结构如图所示。
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２． 振动的相关概念 （1）周期周期是物体振动一次所需的时间，通常用 T 表 示（见图），单位为秒（s）。频率是周期的倒数，即每秒 钟物体振动的次数，用 f 表示，单位为赫兹（Hz）。
振动周期
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（２） 振幅 振动物体偏离平衡位置的最大距离为振动的幅值， 简称 振幅。 在振动位移测量中常用 x表示， 单位为毫米 （ mm） 。 工程上又常将振幅细分为单峰值 （ Vms） 、 峰 峰值 （ Vpp） 和有效值等指标。通常， 用振动测量仪器测 得的位移振幅指的是峰峰值。 （３） 谐振 当振动频率接近系统的固有频率时， 振动迅速增强， 此 时系统处于谐振 （ 共振） 状态，振动测量时要尽量避开这 一频率范围。
加速度传感器校准系统
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２． 传感器的安装 测点选择首先要根据测量目的来确定，如测量齿轮箱振 动，可将测点选在轴承座上；同时应对各测点做好标记，以 保证每次测定的部位不变；另外还要注意，测定部位的表面 应是光滑洁净的，以避免脏污对振动传递造成衰减。