振动测量传感器的发展现状

现代计量测试1997年第5期

振动测量传感器的发展现状

谷　毅

(中国计量科学研究院,北京　100013)

摘要:本文对现代振动测量传感器的发展、种类、加工工艺、结构原理及传感器的主要性能指标做了简要介绍和分析,同时对它们在现代化工业领域中的应用也做了相应的介绍。

一、引　言

进入九十年代以来,随着半导体加工工艺的日完美,微电子技术的迅速发展,微机化机械加工技术和工艺的不断更新,现代振动与冲击测量传感器正朝着更小、更轻、更价廉物美、更高可靠性和更坚固耐用的方向发展。也正是因为具有了这些优点,才使得振动传感器在更多的领域得以应用。航空、航天等尖端技术的发展促进了振动测量传感器的研制与开发,采用新的微工艺加工的振动传感器无疑是对原有传感器的一次重大变革。而与此同时,传统的压阻、压电式加速度传感器的加工水平也在不断改进提高,这就使得测振传感器的发展和应用有了更广阔的空间。

二、加速度传感器

加速度传感器的应用几乎涉及了所有现代化工业领域,其中包括航空、航天、船舶制造、建筑、交通、能源工业、化工、机械和军工,它是结构模态分析、振动性能试验、振动控制工程所必需的基础元件。

1.微电容式加速度传感器

图1　微电容式加速度传感器结构原理图

图1所示的结构是微电容式加速度传感器中最常用

的一种。这种采用差动电容式原理的设计提高了传感器

的灵敏度和抗干扰能力。将微结构的质量块沉积在牺牲

层的多晶硅膜上,并经化学蚀刻形成。两固定电极是在玻

璃板表面上测射沉积的一层金属。此外,质量块表面也需

进行金属化处理,这样它与两固定电极之间便形成了具

有公共电极的两个电容。上述所有步骤都是在微米量级

的加工下完成的。当有加速度运动时,两个电容的电容量

发生差动变化,输出一个正比于加速度的电信号,而这一

电信号经一个与之一体的厚膜放大器放大后输出。

传感器的重量仅10克左右,并且具有-55～+125℃的工作温区,测量范围<±500m /s 2,工作频率范围为0～2k Hz,灵敏度则高达1000mV /g 以上。它除了可以很方便地与计算机联机对汽车、火箭、机车等结构进行模态分析和测试外,还可以用在电梯性能方面的测试。生产这类传感器的主

要厂家有美国的AD 公司、法国的Crouzet 公司和瑞士的Kistler 公司等。

2.微应变式加速度传感器

图2　微应变式加速度传感器结构原理图微应变式加速度传感器又称为压阻式加速度传感器。

这类传感器是在应变计式传感器的基础上发展而成的,即

通过微电子技术将压敏电阻用离子注入法注入于硅片上,

并用化学药剂蚀刻的悬臂梁构成质量——弹簧系统,如图

2所示。当被支撑的硅质量系统运动造成梁内的应力变化

使梁端压敏电阻阻值发生变化时,它就能够通过与之一体

的微放大器输出这一应变加速度信号。当然有些传感器不

带放大器,这样的传感器还需外加一个带电源的放大器。

微应变式加速度传感器的典型性能是:工作温区-25

～+100℃;工作频率范围0～2k Hz;测量范围±1000m /s 2;灵敏度1000mV /g 以下。这里尤其要提到的是,以上两种加速度传感器都具有从直流开始的极低频率响应特性。因此,除了进行结构模态分析之外,还可以用于地球物理监测、运输振动监控、工业振动监控和机床振动监控等众多领域。生产这类传感器的厂家有美国EG &G 公司、美国Endev co 公司等。

3.石英振梁式加速度传感器

图3　

石英振梁式加速度传感器结构原理图

石英振梁式加速度传感器是利用石英振梁或称

石英谐振器作为加速度的检测元件,其典型结构如

图3所示。它与压阻式悬臂梁结构所不同的是,振梁

本身即是敏感元件。在受外力作用后,梁的电荷极性

和电荷量发生变化,这一变化经与之一体的放大器

放大后输出与之成正比的电信号。用这一原理设计

的加速度传感器可以做得非常小巧,重量仅有5克左

右。它还可以设计成差动输出方式。其主要技术性能

如下:测量范围±500m /s 2;工作频率范围0.5Hz ～

5kHz;温度范围0～+65℃;灵敏度1000mV /g 。这类

传感器也有很多应用领域,不仅能用来测试线加速度同时还能够测量角加速度。生产这类传感器的厂家有瑞士Kistler 公司、美国Sundstrand 公司等。

4.

静电力平衡式加速度传感器

图4　静电力平衡式加速度传感器结构原理图

静电力平衡式加速度传感器利用力平衡回路产生

的静电力来平衡加速度所引起的作用在检测质量上的

惯性力。闭环式的工作方式使这类传感器克服了交叉耦

合误差,而且由于静电力的大小与所施电场强度的平方

成正比,所以它有很高的灵敏度和抗干扰能力。图4是这

类加速度传感器的典型方案。它的结构与差动电容式结

构大致相同,只是电路上增加了静电力平衡回路和检测

输出电路。生产这类传感器的厂家有美国No rtho p 公

司,Bell Aerospace 公司,法国Cro uzet 公司等。除了上述几种产品化的新型加速度传感器,目前正

在开发的加速度传感器还有很多,例如超导加速度传感器,光纤加速度传感器,摆式积分陀螺加速

度传感器等。加速度测量做为动态测量中一个非常重要的技术指标,其测试精度或不确定度的大小主要取决于传感器的技术指标,所以要求加速度传感器具有高灵敏度、宽频率范围和宽工作温区。除此之外,还有很多环境条件和技术指标的要求。

三、速度传感器

对于机械振动测量而言,特别是旋转机械和往复式机械振动的测量,比如大型汽轮机转子、发机电、大型鼓风机、飞机发动机、空气压缩机和兵器等,速度传感器是很有应用价值的。这不仅是因为国际上对这类设备的振动评价都以振动速度的均方根值或称振动烈度做为评价的标准,同时它还具备以下优点:

1.速度传感器通常是自发生式的,不需要外加电源供电。

2.输出信号大,灵敏度相对较高。

3.低内阻,对噪声信号不敏感。

这类振动传感器的原理仍然是以传统的磁电式为基础,即线圈和磁铁。尽管在结构上有惯性式和直接式(或称绝对式与相对式)及动圈型和动钢型之分,但在加工工艺方面却有了根本性的突破。如美国CEC公司生产的CEC4-130型传感器采用了先进的陶瓷耐磨系统,大大提高了使用寿命,可连续工作12000小时。

这类传感器的结构原理决定了它的动态范围和工作频率范围,即它必须工作在其固有频率以上,通常是10Hz左右,上限能达到2k Hz。测量范围小于1m/s。在这类传感器中,由温度变化而造成的测量误差是一个非常重要的问题。由于磁铁的磁感应强度随温度增加而减小,所以,一般高精密的速度传感器都要进行温度补偿,这样才可以使其工作在-25℃～+300℃的温度范围内。只有那些经过特殊处理的速度传感器,如C EC4-131,才可工作于480℃的温度下。

相对式速度传感器主要以接触式为主。由于它的参考坐标为传感器的壳体,所以在实际应用中安装需格外注意。目前大部分手持式测振仪表仍然选用这类相对式速度传感器,在电路上只需经简单的微、积分电路处理就可同时得出振动位移和振动加速度。生产这类传感器的有美国Bently和CEC公司、日本的IMV、荷兰的飞利浦、法国的Pro bera等公司。

四、位移传感器

用来测量振动位移的传感器多以非接触式为主,如激光测振仪、光纤位移测振传感器、电涡流式传感器、电容式振动位移传感器、应变式振动位移传感器,等。随着激光光源的小型化和半导体激光光源的不断发展,激光测振仪也日趋产品化,并在更多的领域中得到了应用,如计量方面的量值传递、实验室等。但这种传感器的高造价和在安装等方面的限制使得它的应用有了很大的局限性。从低成本和工业应用来说,电涡流式传感器仍是目前应用最广和最普及的振动位移传感器。这种传感器的原理很简单:在通有交变电流的线圈上(1-2M Hz)接近被测物体,它与被测物体之间的相对位移变化将产生一个电涡流,而此电涡流又将产生一个新磁场,从而导致原线圈上电感量、阻抗和品质因数发生改变,依据这一变化就可以检测出物体的位移大小。这种传感器具有结构简单、频率响应宽、灵敏度高、线性范围大、抗干扰能力强、体积小等诸多优点。但它对于不同的导磁材料有不同的灵敏度,这是使用者需特别注意的地方。因此,在应用这种传感器之前最好先根据材料做一下校准。另外安装的正确与否也对灵敏度和测试精度有很大影响。这类传感器的主要技术指标如