振动加速度测试系统学习报告

精密测试技术课外项目学习报告

课外项目课题：振动加速度测量系统

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振动加速度测试系统

1对于振动系统的了解

1.1振动测试系统

振动测量系统就是指利用传感器将物体振动的物理信号转化成数字信号或者模拟信号，由控制系统对转化过的信号进行处理，再根据需要实现一系列的动作的系统。现代工业和自动化生产过程中，非电物理量的测量和控制技术会涉及大量的动态测试问题。所谓动态测试是指量的瞬时值以及它随时间而变化的值的确定，即被测量为变量的连续测量过程。它以动态信号为特征，研究了测试系统的动态特性问题，而动态测试中振动和冲击的精确测量尤其重要。

1.2传感器的选用

振动与冲击测量的核心是传感器，由于传感器内部机电变换原理的不同，输出的电量也各不相同。有的是将机械量的变化变换为电动势、电荷的变化，有的是将机械振动量的变化变换为电阻、电感等电参量的变化。因此，振动传感器的类型按机电变换原理可分为：①电动式；②压电式；③电涡流式；

④电感式；⑤电容式；⑥电阻式。

其中，压电式加速度传感器因其频响宽、动态范围大、可靠性高、使用方便，而受到广泛应用。压电式加速度传感器机电部分利用的是压电晶体的正压电效应。其原理是某些晶体(如人工极化陶瓷、压电石英晶体等)在一定方向的外力作用下或承受变形时，它的晶体面或极化面上将有电荷产生，这种从机械能(力，变形)到电能(电荷，电场)的变换称为正压电效应。而从电能(电场，电压)到机械能(变形，力)的变换称为逆压电效，从而实现非电量测量。压电式传感器具有体积小，质量轻，工作频带宽等特点，因此在各种动态力、机械冲击与振动的测量以及声学、医学、力学、宇航等方面都得到了非常广泛的应用。

压电加速度传感器的原理如图1所示。实际测量时，将图中的支座与待测物刚性地固定在一起。当待测物运动时，支座与待测物以同一加速度运动，压电元件受到质量块与加速度相反方向的惯性力的作用，在晶体的两个表面上产生交变电荷(电压)。当振动频率远低于传感器的固有频率时传感器的输出电荷(电压)与作用力成正比。电信号经前置放大器放大，即可由一般测量仪器测试出电荷(电压)大小，从而得出物体的加速度。影响压电式传感器选择的主要因素有：电压灵敏度、频率特性、内部结构和内置电路。

1.3传感器测试系统

压电加速度测量系统组成电路结构如图2所示。压电加速度传感器是将被测加速度的变化转换为电荷量的变化；电荷放大器将传感器输出的微弱信号放大；信号处理电路将信号转化为适合A／D转换的信号；处理后的电压信号通过A／D 转换后传送到单片机系统，通过计算机对数据进行处理分析再输出。

图2压电加速度测量系统结构框图

由于压电陶瓷的压电特性易受温度影响，热胀冷缩造成的机械形变也会对输出产生影响，而普通的压电加速度传感器都不具备补偿功能，直接将其应用，可靠性不好。环境温度对传感器的影响主要有压电材料的特性参数、压电材料的热释电效应和传感器结构3个因素。环境温度变化会使压电材料的压电常数d、介电常数ε、电阻率ρ和弹性系数k等机电特性参数发生变化。d和k的变化将影响传感器的输出灵敏度；ε和ρ的变化会导致时间常数r=R C的变化，从而使传感器的低频响应变化。

由于金属材料与陶瓷材料的热膨胀系数相差较大，当温度发生变化时，质量块与支撑台间的距离会有微小变化，从而质量块对压电陶瓷的预压力发生变化；而压电陶瓷本身也受温度影响，因此，有必要进行温度补偿。温度补偿的方法是

通过实验对传感器在不同温度下所产生的温度漂移值进行标定，将标定结果以数据表的格式存入单片机中。实际测量中，单片机根据测得的温度自动进行结果的修正。

2整体电路的设计

典型的振动测试系统由压电式加速度计、电荷放大器、动态信号分析仪组成,如图3所示。被测对象的振动加速度信号经传感器拾振,由传感器电缆将加速度信号送入该系统电荷放大器,电荷放大器将信号转换为电压信号并放大,通过数据采集测试仪采样,便实现了对信号的采集。采集得到的信号可以通过计算机实时显示、分析和处理,也可以保存以便二次处理。

图3振动测试系统

系统组成：

1)压电式加速度计

测试系统中,压电式加速度计的作用是把振动量转换成相应的电信号。为准确地进行测量,对加速度计有如下的基本要求:

(1)具有较宽的动态范围,即对非常低和非常高的振动都能精确地响应;

(2)具有较宽的频率响应范围;

(3)在其频率响应范围内具有良好的线性度;

(4)对环境干扰具有最低的灵敏度;

(5)结构坚固,工作可靠,能够长时间保持稳定的特性。

在使用加速度计时,应特别注意灵敏度性能指标。灵敏度是指在一定机械量作用下,传感器输出的电荷(电压)数。灵敏度有2种表现方式:电荷灵敏度和电压灵敏度。由于系统加速度计是与电荷放大器连接使用,因此选用电荷灵敏度;

加速度计可直接安装在试件表面上,也可用安装块。无论采用何种方式安装,都应保证传感器的敏感轴向与受力方向的一致性;另外,为保证最佳的机械接触面,安装接触面要求有高平行度、平直度和低粗糙度。如果被测物表面形状复杂,需同时测量多方向的加速度或为避免试件补加工等场合,则需借助安装块进行安装。实际测试时,为了防止电缆相对运动产生摩擦而引起的“电效应”,除需选用低噪声电缆,还应把电缆牢固地固定在试件上。

2)电荷放大器

压电加速度计产生的电荷量很小,输出阻抗很高,因此与它相连的仪器输入阻抗的大小将对测量系统的性能产生重大影响。高输入阻抗的前置放大器就是以此为目的而设置的。压电加速度计与电荷放大器相连后的等效电路如图4所示。其中,q为传感器产生的电荷;A为电荷放大器开环放大倍数;Ra为传感器内部电阻;Ri为电荷放大器的输入电阻;Ca为传感器内部固有电容;Cc为连接电缆的分布电容;Ci为放大器的等效电容;Cf为电荷转换级的反馈电容;Ui与Uo分别为电荷放大器的输入与输出电压。

电荷放大器实际上是具有负反馈电容、输入阻抗极高的高增益运算放大器。它将压电加速度计看成电荷源,并输出与之成正比的低输入阻抗的电信号。其作用是:变压电加速度计的高输出阻抗为前置放大器的低输出阻抗,以便同测量仪相匹配;放大从传感器输出的微弱信号,或者把它的电荷变成电压信号;输出电压归一化。即它与不同灵敏度的传感器相配合时,在相同的信号输入下,达到相同的输出电压。

图4电荷放大器等效电路

3)动态数据采集测试仪

动态数据采集测试仪是振动测试系统最重要的一环,其实质是一种带通讯接口和程序控制的多功能智能仪表,具有内置调理功能,可直接对加速度信号进行测量,也可以通过相应的控制模块对外控制输出,通过其自带的RS-232、RS-485/ 422、GPIB或Ethernet等通讯接口,能与加速度传感器、前置处理器、计算机等设备组成适用于各种领域的振动测量数据测试分析系统。目前,市场上能与加速度计匹配的数据采集仪型号繁多,性能稳定。但对数据采集仪有如下基本要求:具有标准总线体系结构,电路设计和结构设计的稳定性好;操作简单,使用方便,具有很好的可靠性及可维护性;具备多通道并行数据采集的功能;具备一机多用,能实现信号采集、数据存储、分析处理等多功能;具备强大的数据处理能力和数据输出能力(存盘、通讯、打印、修改曲线等);具备灵活的组合和扩展功能。

3学习总结：