振动的测量剖析

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2018/10/18
当被测物体产 生加速度时,质量 块将产生惯性力 F1 。大小为 F1=m*a 。从而作 用在压电元件上的 压力F为:
F F0 F1 F0 ma
压电元件上产生与加速度a对应的电荷:
Q d11F d11 ( F0 ma)
与ma对应的是电荷的增量为:
Q d11 ma
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三、开关式冲击传感器
利用加速度急剧变化时产生的较大的惯性力, 使传感器内的惯件零件运动,从而接通或断开电 路,输出开关信号。典型应用为安全气囊点火装 置。目前这种开关有与MEMS结合的趋势。
2018/10/18
电路中采用两个开关式加速度传感器,常闭式传 感器并联在电发火管两端,常开式传感器串接在控制 单元与发火电路之间。 传感器内的惯性零件在惯性力的作用下动作,控 制单元输出点火信号,使大功率场效应管导通,电流 流过使发火管发生作用。
2018/10/18
[任务实施]
提升容器质量较大,运动过程中的振动频率符合 压电加速度传感器的测量范围。工作过程中传感器质 量块与被测容器的振动加速度基本一致,可以很好地 反映提升容器的振动。 用电荷放大器组成 放大电路,配以数据采 加速 多功能数 运行中 电荷 度传 据采集器 的箕斗 放大器 集箱和振动分析软件, 感器 组成振动测试系统。可 以一次采集三个相互垂 SSFas 笔记本 出图、打印 频率分析软件 电脑 直方向的振动加速度信 号,反映提升容器的运 行平稳度。
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本课题作业:
1、振动的测量值有哪些?如何合理选用这些测 量值及对应的振动传感器?
2、何谓压电效应?常用的压电材料有哪些? 3、振动测量的常用指标有哪些? 4、为什么说压电式传感器只适用于动态测量而 不能用于静态测量?
2018/10/18
课题二 压电式加速度传感器 [任务导入]
课题三 冲击传感器
[任务导入]
路基压实度测试是一种重要的路基检测手段。测 量时,使用装有力和冲击振动传感器的锤。当其从恒 定高度自由落下时,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。通 过检测到的冲击响应信号可以判断路基的敦实程度。 这里用到的是一种特殊的振动传感器——冲击传感器。
知识点 ¤ 了解压电式加速度传感器的结构及 基本测量电路 ¤ 掌握压电式加速度传感器的选用 ◆ 技能点 ¤ 压电式加速度传感器的使用

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[相关知识]
一、传感器结构及测量电路
压电加速度传感器由压电元件、质量块、预压弹簧、 基座、外壳等部分组成。压电片用压电陶瓷制成,两压 电片并联,质量块对压电元件施加预载荷。测量时,传 感器与被测物体刚性连接,质量块与物体一起运动。
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周期 物体振动一次所需的时间。频率是周期的
倒数,即每秒钟物体振动的次数,单位为赫兹。 振幅 振动物体偏离平衡位置的最大距离。工程 上常用单峰值、峰峰值和有效值等指标反映。 谐振 振动频率接近系统固有频率时,振动迅速 增大,产生谐振。此时的频率为谐振频率。
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二、振动传感器
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二、传感器的合理选择
压电加速度传感器的主要参数有:
灵敏度即每一单位输入得到的输出 量。灵敏度单位为pC / (ms-2) 或pC / g(g为标准重 力加速度 )。通常灵敏度的范围为10-100pC/g。
大多数压电加速度传感器的频率 范围为0.1Hz至10kHz。从其频率范围下限大于0Hz 可知,这种传感器不适于静态值的测量。
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将压电元件产生的电荷输出给电荷放大器, 则电荷放大器的输出电压的增量
Q d11ma u0 Cf Cf
可知,电荷放大器的输出电压的增量与加速度 a成正比。只要将输出电压测出,即可获得构件的 加速度。 在电路中增加积分电路,还可测出物体的振动 速度和振动位移量。
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灵敏度K
测量范围 频率范围
常用的测量范围为0.1~100g。
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三、压电式加速度传感器的使用
1、传感器的校准
绝对法、相对法
2、传感器的安装 测点的选择要根据测量目的来确定。安装方法有螺 钉安装、磁吸盘安装、粘贴安装和云母片安装等。
3、使用注意事项 引起压电式加速度传感器测量误差的原因除去测量 频率外,还有环境影响及噪声
课题三
课题四
冲击传感器
微硅加速度传感器
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课题一 振动传感器
[任务导入]
璃打碎报警装置广泛应用于文物保管、贵重 商品保管及商品柜台等场合。感受玻璃振动的部 件压电薄膜式振动传感器是报警装置的核心。
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工作过程: 玻璃打碎时发出几千赫兹甚至更高频率的 振动,将高分子压电薄膜粘贴在玻璃上,感受 到这一振动并转换成电压输出,经一系列信号 处理后传送给集中报警系统。振动传感器在这 一系统中处于信息采集的前端。
Q D F
Q为电荷量;F为作用力(N);D为压电常数(C / N)
2018/10/18
[任务实施]
本任务中振动传感器要求小巧轻便,灵敏度较高 磁电式速度传感器在该场合下不适用;同时,橱窗在 日常使用时易移动,用电涡流传感器进行非接触测量 也不方便。 以石英晶体或压电陶瓷为核心的普通小型压电传 感器在报警系统使用初期出现过。由于个头较大,目 前已改为高分子压电薄膜结构的传感器。 使用时,用瞬干胶粘贴在玻璃上,玻璃破碎瞬间 ,压电薄膜感受剧烈振动,表面产生电荷,在输出引 脚间产生窄脉冲电压,经电缆输送到集中报警装置, 产生报警情号。
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在组成振动测量系统之前,首要任务是根据 测量范围、要求的精度及安装形式、价格等选择 合适的振动传感器。 本课题的任务就是:了解常用振动传感器的 结构、种类,熟悉各种振动传感器的使用范围及 场所,学会选用、使用振动传感器,组成振动测 量系统,完成振动测量任务。
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知识点 ¤ 了解冲击的概念及对传感器的要求 ¤ 熟悉冲击传感器的结构和原理

◆ 技能点 ¤ 冲击传感器的适用场合和特殊要求
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[相关知识]
一、冲击传感器
冲击实质上是一种特殊的振动现象。由于在 短时间内有很强的能量释放,在瞬间振动体产生 较大的振幅,并随着时间的推移迅速衰减。
电荷放大器
压电式加速度传感器通 常配用电荷放大器。电荷放 大器实际上是一个具有深度 负反馈的高增益运算放大器 。
理由:
振动传感器可采用电压放大、电荷放大等多种 形式得到足够大的输出值。压电式加速度传感器如 采用电压输出则线路简单、线性度及稳定度较好, 但需配置输入阻抗很高的放大器,并且电压灵敏度 受电缆长度的影响较大;用电荷输出不仅可以得到 稳定的输入,还能改善低频特性。
开关式冲击传感器(振动加速度开关) 是一种开关电器,用在某些安全装置上。
微硅加速度传感器(MEMS 传感器)
利用微机电系统(MEMS )技术设计和开发的 芯片级传感器。
2018/10/18
二、压电式冲击传感器
结构、原理与普通压电加速度传感器相同,用 于冲击测量时选择测量范围大的冲击类型; 显著特点是内置放大电路,信号可直接送入信 号采集设备,省略了电荷放大器,降低了成本。
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钢丝绳
振动传感器1 UPS电源 笔记本电脑 电荷放大器 信号采集器
振动传感器2
振动传感器3
提升容器振动检测 中常利用振动传感器把 振动信号转化为电信号 ,经放大后传送给采集 装置采集和保存数据。 这里使用的振动传 感器是基于压电效应工 作的压电式加速度传感 器。
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超声波美容仪器用压电陶瓷晶片
医用B超换能器用压电陶瓷晶片
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高分子压电薄膜
聚偏二氟乙烯(PVF2)、聚氟 乙烯(PVF)、聚偏氟乙烯 (PVDF)等
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压电式传感器工作原理
工作过程中以压电效应为基础。压电晶片的两 个工作面构成两个电极。当压电晶片受到压力F的 作用时,在两个极板上积聚数量相等而极性相反的 电荷,检测电荷量的多少可以测量受力大小。
振动系统模型中的主要部件为质量块m,弹簧k和阻 尼器c。质量块受外力作用后按一个固定频率作自由振动。 因此可以用质量块的振动间接反映物体的振动。根据质 量块频率与被测物振动频率的关系不同,可制成振动位 移、速度和加速度传感器。
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振动传感器的常用分类: 电感式 接触式 振动传感器 压电式 电涡流式
提升机是各类矿井中使用的与生活中常见的 电梯类似的运输设备。 对于国内大量存在 的设备老化的矿井,提升 机及其容器的运行过程远没有民用电梯车厢那样 平稳,存在较大的振动。为了保证矿井主运输通 道的安全,相关部门对提升机各部件的检测周期 及标准做出明确要求,其中振动检测是重要组成 环节。
2018/10/18
罐道布置方向 卸载方向 提升方向
2018/10/18
本课题作业:
1、压电式加速度传感器选择过程中需要考 虑哪些因素?
2、电荷放大器和电压放大器用在振动测量 电路中的区别是什么?对于压电式加速度传感 器,用哪一种放大器效果更好?
3、振动传感器的安装方式有哪些?使用最 多的是哪种方式?
2018/10/18
知识点 ¤ 掌握振动测量的相关概念 ¤ 了解振Hale Waihona Puke Baidu传感器的工作原理 ¤ 熟悉压电式传感器的原理和特性 ◆ 技能点 ¤ 掌握振动传感器的选用原则和压电 式振动传感器的使用

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[相关知识]
一、振动基础知识
物体围绕平衡位置的 往复运动构成振动。 按振动形式分类,有机械振动、土木振动、 运输工具振动等。 按振动频率分,有高频、低频和超低频振动。 按振动原因分,又会有自由振动、强迫振动 和自激振动等。
2018/10/18
名称 工作原理
电 涡 流 位 移 传 感器
特 点
应用领域
电涡流效应; 非接触测量;能做静态和动态测量; 静位移的测量; 输出信号与 材料不同会影响传感器线形范围和 振动位移的测量; 振动位移成 灵敏度;需外加电源和前置器,安 旋转机械中监测 正比 装复杂 转轴的振动测量
安装简单,适用于大多数机器环境; 电磁感应原 磁 电 无须外加电源,振动信号可直接使 汽轮发电机组振 理,输出信 式 速 用;体积较大,活动部件易损坏, 动,有合适的频 号与振动速 度计 低频响应不好;标定较麻烦,只可 响范围 度成正比 作动态测量,价格较贵 压 电 压电效应, 体积小、重量轻,结构紧凑,不易 振动测量、冲击 式 加 输出信号与 损坏;环境噪声、传感器安装对测 测试、动平衡校 速 度 振动加速度 试影响较大;价格较贵,需设电荷 准等 计 成正比 放大器
模块五 振动的测量
K
M


振动是物体在其平衡位置附近作周期性往复运 动的运动形式。振动的存在会影响机器的正常 运转;利用振动现象又可以制造众多设备,如 振动压路机、振动筛等。 可见:测量和分析振动现象,抑制可能带来的 危害显得十分必要。
2018/10/18
模块五 振动的测量
课题一 课题二 振动传感器 压电式加速度传感器
2018/10/18
振动的常用测量值有三个: 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m/s2,工程上常 用重力加速度g作为单位 。
振动位移、振动速度和振动加速度之间相互 对应,可通过简单微积分运算进行换算。
电容式 霍尔式 非接触式 光电式 压电式传感器由于测量频率宽、量程大、体积 小、对被测件的影响小,安装使用,成为最常用 的测振传感器。
2018/10/18
三、压电式振动传感器
压电效应: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,又会重新回到不带电的状态的现象。 压电材料:具有压电效应的物质称为压电材料。 这种物质很多,如天然形成的石英晶体,人工制造 的压电陶瓷、钛酸钡等。常见的压电材料可分为三 类,即单晶体压电晶体、多晶体压电陶瓷和高分子 压电薄膜。
速度传感器一般最大可测加速度值在10g左右, 大量程振动速度传感器可测加速度也仅为50g,位 移传感器测量加速度值的范围更小。无法满足冲 击传感器大量程检测的需要,所以冲击检测必须 选择加速度传感器。
2018/10/18
常用的冲击加速度传感器有:
压电式冲击传感器
是一种特殊类型的压电加速度传感器
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