37速度加速度及振动检测(li)

f .L v N
f—脉冲发生器的频率
（三）转速传感器

转速传感器是将旋转物体的转速转换为电量输出的传感 器。转速传感器属于间接式测量装置，可用机械、电气、 磁、光和混合式等方法制造。按信号形式的不同，转速 传感器可分为模拟式和数字式两种。
常用的转速传感器有光电式、电容式、变磁阻式、频闪 测速仪、离心式、磁性式以及测速发电机等。
3.7.2 速度的检测

磁电式速度传感器
光束切断法测速仪 转速传感器
（一）磁电式速度传感器

其工作原理基于电磁感应定理
当一线圈作直线运动或旋转运动时，穿过其的磁通会发 生变化，产生感应电动势，电动势输出与线圈运动速度 成正比。
dx e Bl Blv dt
eB S
d B l dt
2、振动测量方法





按振动信号转换的方式可分为电测法、机械法和光学法。 目前电测法是常用的方法，电测法将被测对象的振动量转换成电 量，然后用电量测试仪器进行测量。用电测法测量振动的装置成 为振动传感器。 振动传感器按工作原理不同有压电式、应变式、磁电式、电容式、 电涡流式等； 按测试参考坐标有相对振动传感器和绝对振动传感器，绝对振动 传感器是以大地为参考基准，相对振动传感器是以空间的一点为 参考点； 按被测振动参数分有振动位移传感器、振动速度传感器、振动加 速度传感器。 按传感器放置位置有接触式和非接触式之分，接触式中有磁电式、 电感式、压电式等；非接触式中又有电涡流式、电容式、霍尔式、 光电式等。
另一类是通过振动实验对机械设备或结构施加某种激励， 测量其受迫振动，以便求得被测对象的振动力学参量或 动态性能，如固有频率、阻尼、刚度、频率响应和模态 等，验证理论分析的正确性，以便改进结构设计，提高 抗振能力。

（一）振动的分类
1）按振动产生的原因分：
自由振动:是系统受初始干扰或外部激振力取消后，系统 本身由弹性恢复力和惯性力来维持的振动。当系统无阻 尼时，振动频率为系统的固有频率；当系统存在阻尼时， 其振动幅度将逐渐减弱。
（2）数字式转速传感器

在电子计数器采样时间内对转速传感器输出的电脉冲信 号进行计数，利用标准时间控制计数器闸门。当计数器 的显示值为N时，被测量的转速n为
n 60 60N f z zt .
z为被测旋转体每转一转传感器发出的电脉冲信号数；t为采样时间。
数字式转速传感器其 功能是把被测转速转 换成脉冲信号，并且 能够推动计数器计数。 常见的测数传感器按 其作用原理可以分为 光电式、磁电式、电 容式、霍尔式、电涡 流式等等。
（4）磁阻式转速传感器

采用电磁感应原理实 现测速，在传感器前 端绕有线圈，当齿轮 旋转时，传感器磁路 的磁阻交替变化，通 过线圈的磁力线周期 性变化，在传感器线 圈中产生周期性的脉 冲电压信号，通过对 该脉冲电压信号处理 计数，就能测出齿轮 的转速。
（5）电容式速度传感器

齿轮外沿面为电容器的 动极板，当电容器定极 板与齿顶相对时，电容 量最大，而与齿隙相对 电容量最小。当齿轮转 动时，电容量发生周期 性变化．通过测量电路 转换为脉冲信号，设频 率计显示为f，则 n=60f/z
（6）霍尔式转速传感器

由传感头和齿圈组成。传感头由永磁体，霍尔元件和 电子电路等组成。
永磁体的磁力 线穿过霍尔元 件通向齿轮。 当齿圈的齿准 霍尔元件时， 磁力线集中穿 过霍尔元件， 可产生较大的 霍尔电动势，
放大、整形后输出高电平；反之，当齿轮的空隙对准霍尔元件时， 输出为低电平，对霍尔器件输出信号进行放大、整形，输出稳定 的方波脉冲信号，对脉冲信号计数即可测出转速。

（1）离心式转速表

离心式转速表属于机械式转速表中的代表种类，特别是 手持式离心转速表，在转速表的使用者中有着较高的认 同度。目前，离心式转速表被广泛的应用在各行各业， 如电机、洗衣机、汽车、轮船和飞机等制造行业。 离心式转速表的优点是，对测量结果的指示直观，运行 可靠、坚固耐用。 离心式转速表的缺点是，其本身的测量原理简单，测量 精度相对较低，一般测量精度是在1到2级，且离心式 转速表的结构比较复杂，不利于制造和维修。
1、8—弹簧片 2—永 久磁铁 3—阻尼器 4—铝架 5—心杆 6—壳体 7—工作线圈 9— 接头
（二）光束切断法测速仪
被测物体以速度v行进， 当通过第一个光源时， 物体遮断光线而使受光 元件产生输出信号，开 启主控门驱动脉冲计数 器开始记数； 当物体到达第二个光源 时，物体遮断光源检测 器发出信号关闭主控门， 计数器停止记数。计数 器记录脉冲信号发生器 在先后遮端激光束的时 间内脉冲数N。
转速测量-光电码盘

A、B两个输出信号成90°相位差，而信号Z对 每转一周只输出一个脉冲，作为决定转角的原 点。

反射式光电传感器：在被 测转轴上设有反射记号， 由光源发出的光线通过透 镜和半透膜入射到被测转 轴上。转轴转动时，反射 记号对投射光点的反射率 发生变化。反射率变大时， 反射光线经透镜投射到光 敏元件上即发出一个脉冲 信号；反射率变小时，光 敏元件无信号。在一定时 间内对信号计数便可测出 转轴的转速值。
基于同一运动体上线位移和角位移在有固定关系原理。
（2）加速度积分法和位移微分法

（3）线速度和角速度相互转换法
(4）利用各种速度传感器，

将速度信号变换为电信号、光信号等易测信号。速度传感器法是 最常用的一种方法。多普勒测速仪、磁电速度传感器等。


加速度测量是基于传感器内质量体敏感于加速 度而产生惯性力原理，是一种全自主的惯性测 量。 加速度的测量主要是通过加速度传感器进行的， 依据产生的惯性力的原理不同分，加速度传感 器分为压电式、压阻式、应变式、电容式、振 梁式、磁电感应式、隧道电流式、热电式等。
（三）振动
1、振动的概念 机械振动是物体在其平衡位置附近所作的 周期性往复运动。 振动是自然界中常见的物理现象，振动试验和 监测是研究和解决工程实际技术问题的重要手 段。如机械设备振动、土木结构振动、运输工 具振动、武器、爆炸引起的冲击振动等。 按振动的频率范围分：有高频振动、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。


（1）离心式转速表

主要部件是离心摆和测量弹 簧。 重锤在轴旋转时产生的离心 力Q=作用于弹簧上的力F
Q kQ 2

F kx
x
kQ k
2
故检测出位移量即可知道待测物的转速。此 位移变形通过放大机构使指针转动，在度盘 上指示出转轴角速度的大小。
数字式转速传感器:
数字式传感器: 把输入量转换成数字量输出 优点：测量精度和分辨力高，抗干扰能力强，能避免 在读标尺和曲线图时产生的人为误差，便于用 计算机处理。 最简单的数字式传感器是编码器(ADE) 角度数字编码器（码盘）或直线位移编码器（码尺） 原理分类：电触式、电容式、感应式和光电式等
光电式转速传感器-光电码盘


分为投射式和反射式两类。
光电码盘和透射型光电耦合器相结合，可对转速进行计 数，输出信号对应于码盘窗口明暗的脉冲序列。 工作时，码盘的一侧放置光 源，另一侧放置光敏器件， 每个数位都对应一个光电管 及放大、整形电路，码盘转 动不同位置，光电元件接收 相应的光信号，并转换为数 码电信号输出。
受迫振动:由于外界持续干扰引起和维持的振动，此时系 统的振动频率为激振频率； 自激振动:指系统在输入和输出之间具有反馈特性时，在 一定条件下，没有外部激振力而由系统本身产生的交变 力激发和维持的一种稳定的周期性振动，其振动频率接 近于系统的固有频率
2）按振动的规律分： 简谐振动:振动量为时间的正弦或余弦函数，为 最简单、最基本的机械振动形式。其他复杂的 振动都可以看成许多或无穷个简谐振动的合成。 周期振动:振动量为时间的周期性函数，可展开 为一系列的简谐振动的叠加。 瞬态振动:振动量为时间的非周期函数，一般在 较短的时间内存在。 随机振动:振动量不是时间的确定函数，只能用 概率统计的方法来研究。
磁电式速度计

在测振时，传感器固定或紧压于被测系统，磁钢与壳体 一起随被测系统的振动而振动，装在芯杆上的线圈和阻 尼环组成惯性系统的质量块并在磁场中运动，其输出电 压与线圈切割磁力线的速度成正比。阻尼环一方面可增 加惯性系统质量，降低固有频率，另一方面在磁场中运 动产生的阻尼力使振动系统具有合理的阻尼。
通过测量加速度来测量物体的运动状态，加速度测量广 泛应用于航天、航空和航海的惯性导航系统及运载武器 的制导系统中。

2、常用的速度测量方法
（1）平均速度法

根据速度的定义，速度可以通过物体在一定时间内移动的距离求 得，这种方法只能求平均速度，距离越小，越接近瞬时速度。如 光束切断法、相关测速法、空间滤波器测速法等。 利用速度与加速度、位移的微分和积分关系，测得运动体的运动 速度，在振动测量中常用方法。
3.7 速度、加速度及振动检测
速度、加速度及振动是物体机械运动测量的三 种重要参数，是工业生产和日常生活中极为常见的物 理量，主要应用于交通汽车、工业生产、航空航天三
大产业。
3.7.1 基本概念及检测方法
速度和加速度


速度是单位时间内运动物体位移的变化量，工程上一般 分为直线运动速度（简称线速度）和旋转速度（简称转 速）。线速度的计量单位通常用m/s（米/秒）来表示， 转速的计量单位常用r/min（转/分）来表示。 加速度是速度变化量与发生这一变化所用时间的比值， 是描述物体速度改变快慢的物理量 。

采用这种脉冲宽度调制精度伺服技术，动极板和定极板 间的间距可以做到小于1m，使传感器具有很高的灵 敏度，因而这种传感器的特点是能够测量低频微弱加速 度，由于这种传感器具有很高的精度，极好的线性和稳 定性，通常用于惯性导航以及如汽车安全气囊，ABS 系统控制等。
（二）压电式加速度传感器


S是弹簧，M是质块，B是基座，P是压电元件，R是夹 持环。 在加速度计感受振动时，由弹簧压紧在压电元件上的重 金属质量块随之振动，其方向与振动加速度方向相反， 产生一惯性力，其大小由F=ma决定。惯性力作用在 压电元件产生电荷，电荷量正比于惯性力，亦即与被测 加速度成正比，经测量电路转换为电压信号输出。
3.7.3 加速度的检测
（一）力平衡式硅电容加速 度微传感器

ຫໍສະໝຸດ Baidu
该传感器利用微机械加 工工艺与集成电路工艺 相兼容的特点，将传感 器与处理电路，同时加 工在一块芯片上。 它主要由质量块（惯性 敏感元件）、电容器 （位移传感器）、放大 器及力发生器等组成。

传感器中惯性质量块由悬臂硅梁支撑作为电容动极板，在 动极板的上下分别有一个玻璃定极板，与动极板构成两个 电容组成差动结构。 当有加速度作用时，活 动极板偏离中间位置， 引起电容变化，电容变 化量由测量电路检测放 大输出电压信号，同时 脉冲宽度调制器产生两 个脉冲宽度调制信号VE 与V E 并反馈到两个定极 板上，通过改变调制信号的脉冲宽度，产生一个大小与动极 板位移呈正比但方向相反的静电力。利用脉冲宽度调制器和 电容测量相结合，就能在测量的加速度范围内使动极板精确 地保持在中间位置，并且脉冲宽度正比于加速度。
循环编码 作用：消除非线性单值误差，减 少误码率

方法：任意相邻两个代码之间只 有一位编码变化
转速测量-光电码盘

增量光电码盘
增量光电码盘是随旋转角度输出一列连续脉冲的 码盘，通过累计脉冲个数测量旋转角，若只使 用一个光电耦合器则只能检测转速，不能检测 转轴的绝对转角和转向。
特点：原理构造简单、寿命长，抗干扰能力强， 可靠性高，适合远距离传输。
转速测量-光电码盘

绝对光电码盘及其编码方式
绝对光电码盘是把旋转轴的旋转角度用二进制编 码输出，它可以检测绝对角度，并且当有外部 干扰或电源断电事故发生后恢复正常时，可以 立即准确检测位置信息。
缺点：结构复杂，成本高、并需要多个光电元件 检测来自各位的脉冲信号。
转速测量-光电码盘

二进制编码

（三）电阻应变式加速度传感器
（四）差动变压器式加速度传感器
（五）霍尔式加速度传感器
3.7.4 机械振动的检测
机械振动测试目的：

一类是测量机械设备或结构在工作状态下的振动，如振 动位移、速度、加速度、频率和相位等，了解被测对象 的振动状态，评定等级和寻找振源，对设备或结构健康 状况进行监测、分析、诊断和预测。