压电式加速度振动测试系统
振动试验中加速度传感器的选择
振动试验中加速度传感器的选择导语：振动试验中，我们对控制点、监测点等的振动量值大多是通过加速度传感器采样得到的，该数值的正确性、可信性，直接影响到对试验的结果的判定。
影响振动试验中振动量值的正确获得，除了与传感器的安装位置、试件的安装等外，还跟传感器的技术指标有关，它是得到振动量值的最直接也是最重要的单元之一。
本文结合理论及实际经验，介绍振动试验中压电式加速度传感器的选择。
振动试验中，我们对控制点、监测点等的振动量值大多是通过加速度传感器采样得到的，该数值的正确性、可信性，直接影响到对试验的结果的判定。
影响振动试验中振动量值的正确获得，除了与传感器的安装位置、试件的安装等外，还跟传感器的技术指标有关，它是得到振动量值的最直接也是最重要的单元之一。
本文结合理论及实际经验，介绍振动试验中压电式加速度传感器的选择。
1.灵敏度压电式加速度传感器的灵敏度有两种表示方法，一个是电荷灵敏度Sq，另一个是电压灵敏度Sv，其电学特性等效电路如图1。
图1压电式加速度传感器的是电学特性等效电路压电片上承受的压力为F1=ma，在压电片的工作表面上产生的qa 与被测振动的加速度a成正比：即展开剩余85%Qa=Sqa其中，比例系数Sq就是压电式加速度传感器的电荷灵敏度，量纲是[pC/ms²]。
传感器的开路电压：Ua=Qa/Ca式中，Ca为传感器的内部电容量，对于一个特定的传感器来说，Ca为一个确定值。
所以也就是说，加速度传感器的开路电压Ua也与被测加速度a成正比，比例系数Sv就是压电式加速度传感器的电压灵敏度，量纲是[mV/ms²]。
Ua=(Sq/Ca)*a在压电式加速度传感器的使用说明书上所标出的电压灵敏度，一般是指在限定条件下的频率范围内的电压灵敏度Sv。
在通常条件下，当其它条件相同时，几何尺寸较大的加速度传感器有较大的灵敏度。
使用说明书上还会给出最小加速度测量值，也称最小分辨率，考虑到后级放大电路噪声问题，应尽量远离最小可能值，以确保最佳信噪比。
振动测试技术学习资料
一、简谐振动有时域测试参数简谐振动中常用的参数为位移、速度、加速度、激振力、振幅和振动频率，其中前五个参数属于时域测试参数。
二、振动测试及信号分析的任务振动测试及信号分析主要有以下五个方面的任务：（1）验证振动理论和计算结果的准确性，也被称为实验验证或工程振动测试中的正问题。
（2）为改进结构优化设计提供充分的实验依据。
（3）查清外界干扰力的激振水平和规律，以便采取措施来减少或控制振动。
（4）检测诊断设备故障。
（5）振动控制。
三、压电式、涡流式及磁电式传感器的机电变化原理。
1、压电式传感器的机电变换原理某些晶体（如人工极化陶瓷、压电石英晶体等）在一定的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（力或变形）到电能（电荷或电场）的变换称为正压电效应。
而从电能（电场或电压）到机械能（变形或力）的变换称为逆压电效应。
因此利用晶体的压电效应，可以制成测力传感器。
在振动测量中，由于F=ma,所以压电式传感器是加速度传感器。
2、电涡流传感器的机电变换原理电涡流传感器是一种相对式的非接触传感器，它是通过传感器端部与被测物体之间的距离变化来测量物体的振动位移或幅值的，主要应用于静位移的测量、振动位移的测量、旋转机械中检测转轴的振动测量。
3、电动式（磁电式）传感器的机电变换原理电动式传感器基于电磁感应原理，即当运动的导体在固定的磁场里切割磁力线时，导体两端就感应出电动势，因此利用这一原理而产生的传感器称之为电动式（磁电式）传感器。
它实际上是速度传感器。
四、选择振动传感器的原则选择拾振器类型时，要根据测试的要求（如要求测位移、或测速度、加速度、力等）及被测物体的振动特性（如待测的频率范围，估计的振幅范围等），应用环境情况（如环境温度、湿度、电磁场干扰情况等）结合各类拾振器本身的各项特性指标来考虑。
下列情况可用位移拾振器：（1）位移幅值特别重要时（例如，不允许某振动部件在振动时碰到别的物体，即要求振幅时）。
基于压电传感器的旋转机械振动信号测试技术
２ ）采 用 神经 网络 建 模 的方 法 得到 压 电信 号 处
理 电路 的模 型 ，然 后按 照该 模 型 对 振 动 信 号 进 行
在 线 补 偿 ，既 解 决 非 线性 问题 ，又 解 决 了 信 号 处 理 电路 对信 号频率 特性 的影 响 。
参考文献：
【］彭善琼． １ 高精度振动信 号处理 系统的研究［】 Ｊ． 微计算机信
本 ，利 用 改进 型ＢＰ 习算 法训 练 网络 ，得 到 幅 频 学 特性模 型 ； ５ ）对得 到 的幅 频 特性 模 型进 行仿 真 ，若 精 度 不 能 达 到 要求 ，调 整Ｂ 学 习 算法 的 参数 重 复 步骤 Ｐ ４ ）进 行训 练 。
按 照 上 述 步 骤 可 以得 到 振 动 信 号 处 理 电 路 的 幅频 特 性 的 模 型 ，采 用 同 样 的方 法 可 以得 到其 相 拼 特 性 的 模 型 。神 经 网 络建 立 的模 型 包 含 在神 经
整周期 采样 。 本 文 软 件 实 现 整 周期 采 样 的 思 路 为 ：同 时 对
振 动 信 号 和 转 速 脉 冲 信 号采 样 ，并 将 其 分 别 放 人
数 组 中 ，从 脉 冲 的第Ｎ个脉 冲 的上升 沿 对应 的振 动 数 据 开 始 提 取 ，到 第Ｎ＋ ｘ个 脉 冲 的上 升 沿 结 束 ， 中间抽 取 的数 据 即为Ｘ个 周期 内的 整周期 数 据 。如 需 要整 周期 内２ 个数 据 ，则采 用插 值 的方 式 得到 间 “
电荷 放 大 电路 ， 它将 输 入 电 荷 信 号变 成 与之 成 正
比的 电压 信 号 。程 控 放 大 电 路 的 原理 是 通 过 模 拟
开 关 来 切换 不 同 电 阻来 实 现 增 益 的 自动 调 整 ，模 拟 开关 的控 制 信号 由ＡＤ采 集卡 上 的 开关 量 输 出单
压电式加速度计的工作原理
压电式加速度计的工作原理压电式加速度计是一种常见的加速度测量设备，它基于压电效应利用压电材料的特性来实现测量加速度的目的。
压电材料是一种具有压电效应的晶体材料，能够将机械应力转化为电荷或电势差。
下面将从基本原理、工作原理和应用领域三个方面详细介绍压电式加速度计的工作原理。
1.基本原理压电效应是指在一些晶体材料中，施加压力或机械挤压会导致晶体内部产生正负电荷分离的现象。
这种分离的电荷可以通过外部的电路连接来测量，由此可以得到施加在晶体上的压力或机械应力的大小。
压电效应主要存在于具有特定晶体结构的压电材料中，如压电陶瓷，其中最常见的是PZT（铅锆钛）材料。
压电材料的晶体结构使得在施加压力时，其中的正、负离子会发生形变并分离，形成电荷。
这种电荷的大小与施加的压力成正比，可以通过外部电路连接到测量设备中进行读取和分析。
2.工作原理当加速度计受到加速度作用时，质量会产生相应的惯性力，压电陶瓷片将因此受到应力，而产生压电效应。
在质量的一动，另一个静止的陶瓷片将会感受到压力的变化，并产生相应的电信号。
这个电信号可以被读取和分析，并转化为加速度的数值。
由于压电材料的压电效应是线性的，所以电信号的幅度与施加的加速度成正比。
3.应用领域-汽车工业：用于测量车辆在运动中的加速度、减速度和振动情况，以改善车辆的稳定性和舒适性。
-工程监测：用于测量建筑物、桥梁、隧道等工程结构在风、震动或其他外力作用下的振动情况，以评估结构的安全性。
-航空航天研究：用于测量飞行器在起飞、飞行和降落过程中的加速度、振动情况，为研究和改进飞行器设计提供参考数据。
-体育科学：用于测量运动员的加速度、速度和姿势，以帮助改进训练方法和运动技术。
-军事应用：用于军事装备的性能测试和武器系统的精确度评估，以及士兵在战斗中的生理状态监测。
总之，压电式加速度计通过利用压电材料的特性，将机械应力转化为电信号来测量加速度。
它在各个领域中都有广泛的应用，对于研究和改进工程结构、运动技术以及改善产品性能等方面都起到了重要的作用。
压电式加速度传感器的信号输出形式
电荷输出型传统的压电加速度计通过内部敏感芯体输出一个与加速度成正比的电荷信号。
实际使用中传感器输出的高阻抗电荷信号必须通过二次仪表将其转换成低阻抗电压信号才能读取。
由于高阻抗电荷信号非常容易受到干扰，所以传感器到二次仪表之间的信号传输必须使用低噪声屏蔽电缆。
由于电子器件的使用温度范围有限，所以高温环境下的测量一般还是使用电荷输出型。
北智BW-Sensor采用进口陶瓷的加速度计可在温度-40oC~250oC范围内长期使用。
低阻抗电压输出型（IEPE）IEPE型压电加速度计即通常所称的ICP型压电加速度计。
压电传感器换能器输出的电荷通过装在传感器内部的前置放大器转换成低阻抗的电压输出。
IEPE型传感器通常为二线输出形式，即采用恒电流电压源供电;直流供电和信号使用同一根线。
通常直流电部分在恒电流电源的输出端通过高通滤波器滤去。
IEPE型传感器的最大优点是测量信号质量好、噪声小、抗外界干扰能力强和远距离测量，特别是新型的数采系统很多已配备恒流电压源，因此，IEPE传感器能与数采系统直接相连而不需要任何其它二次仪表。
在振动测试中IEPE传感器已逐渐取代传统的电荷输出型压电加速度计。
传感器的灵敏度，量程和频率范围的选择压电型式的加速度计是振动测试的最主要传感器。
虽然压电型加速度计的测量范围宽，但因市场上此类加速度计品种繁多，所以给正确的选用带来一定的难度。
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能源与动力工程测试技术_江苏大学中国大学mooc课后章节答案期末考试题库2023年
能源与动力工程测试技术_江苏大学中国大学mooc课后章节答案期末考试题库2023年1.在水洞内开展绕流物体周围的空化现象可视化实验，关键要实现高的：参考答案:流速2.风洞中实验段上游的稳定段，其内部结构一般是：参考答案:格栅3.水洞实验段内的湍流度可以用何仪器测量：参考答案:激光多普勒测速仪4.风洞内可进行实验的是：参考答案:汽车模型_翼型_风力机模型_建筑物模型5.在水洞内可进行实验的对象是：参考答案:绕流圆柱_螺旋桨叶片_S形水力转轮叶片6.在水洞内进行空化实验时，在下一轮循环中消除空化泡的方法有：参考答案:储液罐内设格栅_喷淋装置_中间设中转罐进行排气7.1英寸为多少厘米参考答案:2.548.皮托管是：参考答案:一根弯成90度的管子_可以测量流速_可以测量总压_可以测量静压9.下列属于PIV技术的是：参考答案:Tomo PIV_Micro PIV_TR PIV10.以下属于无接触式流速测量仪器的是：参考答案:粒子图像速度场仪_激光多普勒测速仪11.以下可以作为流体力学实验平台的设备是：参考答案:风洞_水洞_拖曳水槽12.热线风速仪的基本原理中，最为关键的是：参考答案:对流换热13.流动实验中的PLIF是：参考答案:平面激光诱导荧光法14.关于示踪粒子的选用，下列说法正确的是：参考答案:示踪粒子扮演了流体质点的角色15.在清水中测量流动速度时，示踪粒子可以选用：参考答案:空心玻璃球16.关于速度测量，下列说法不正确的是：参考答案:PIV测量的实施需要两个或两个以上的相机17.关于速度测量，下列说法正确的是：参考答案:PIV和LDV都需要示踪粒子18.下列属于国际单位制中规定的7个物理量的单位的是参考答案:米_秒_安培19.与叶片泵振动有关的因素是：参考答案:转速_叶片数_出水室结构_转子部件的支撑方式20.按噪声源的不同，噪声可分为：参考答案:机械噪声_电磁噪声_空气动力噪声21.利用热电偶测温，只要热电偶连接显示仪表的两个接点温度相同，那么仪表的接入对热电势没有影响。
振动检测仪表与系统
光电传感器
被测量 光 光信号 电信号 可用信号
光源
测量头
光电元件
电子线路
图1-22 光电式传感器基本结构框图
模数转换(A/D转换)
（1）A/D转换过程：1)采样，2)量化， 3)编码。
2)量化
量化步长 R=A/D A=10V D=256
量化误差
3)编码
A RD R ai 2i
i n m
2)三角函数窗——应用三角函数，即正弦或余弦函数等 组合成复合函数，例如汉宁窗、海明窗等；
3)指数窗——采用指数时间函数，例如高斯窗等．
（2） 常用的窗函数
(a) 矩形窗
u
优点是主瓣比较集中；
缺点是旁瓣较高，并有负旁瓣，导致变换中带进了高频 干扰和泄漏，甚至出现负谱现象
u
(b) 三角窗
三角窗与矩形窗比较，主瓣宽约等于矩形窗 的两倍，但旁瓣小，而且无负旁瓣
Z Z ( , , , )
线圈与金属的距离 金属体的电阻率、 导磁率、 线圈的激磁电流角频率。
测量电路：
（a) 阻抗分压式调幅电路；
(b) 调频电路
使用优点：接构简单，使用方便，不受油污、介质影响。 应 用：涡流式位移、力、振动测量，NDT，测厚,材质判别。
序号 测量参数
数据图表显示
知识库
故障诊断
图4-3 状态监测、分析及故障诊断系统
振动监测仪表
振动测量仪 频谱分析仪 汽轮机安全监视仪表（TSI）
振动测量仪
模拟式振动表
交流输出 振动信号 直流输出
图抗变化
衰减
放大
普通滤波
检波
图4-4 测振表的原理框图
数字测振表
数字测振表的原理框图与模拟仪表基本相同， 其差别在于将采集的电压进行模数转换后使用数 字电路对信号进行处理。 目前，数字测振表一般都具有以下功能 1) 可以储存多组测点的数； 2) 能与微机进行通讯； 3) 能够进行趋势分析。 一般振动测量的值有：1）通频幅值，2）基 波频率的幅值与相位，即1X幅值，3）跟踪测量 基波或某高次谐波的幅值（通常时2X幅值）与相 位。
测振仪
科技名词定义中文名称：测振仪英文名称：vibrometer 定义：测量振动系统的振幅、速度、加速度和频率等的量仪。
应用学科：机械工程（一级学科）；量具与量仪（二级学科）；量仪（三级学科）以上内容由全国科学技术名词审定委员会审定公布求助编辑百科名片测振仪也叫测震表振动分析仪或者测震笔，是利用石英晶体和人工极化陶瓷（PZT）的压电效应设计而成。
它广泛地被应用于机械制造、电力、冶车辆等领域。
目录测振原理主要功能测量参数技术指标主要特点分类使用方法测量方法判定基本简介测振仪也叫测震表振动分析仪或者测震笔，是利用石英晶体和人工极化陶瓷（PZT）的压电效应设计而成。
当石英晶体或人工极化陶瓷受到机械应力作用时，其表面就产生电荷。
采用压电式加速度传感器，把振动信号转换成电信号，通过对输入信号的处理分析，显示出振动的加速度、速度、位移值，并可用打印机打印出相应的测量值。
本仪器的技术性能符合国际标准ISO2954及中国国国家标准GB/T13824中，对于振动烈度测量仪和GB13823.3中，正弦激励法振动标准的要求。
它广泛地被应用于机械制造、电力、冶车辆等领域。
VIB05多功能型测振仪编辑本段测振原理VIB05多功能测振仪：测振，轴承检测，测温现在的测振仪一般都采用压电式的，结构形式大致有二种：①压缩式；②剪切式，测振仪原理是利用石英晶体和人工极化陶瓷（PZT）的压电效应设计而成。
当石英晶体或人工极化陶瓷受到机械应力作用时，其表面就产生电荷，所形成的电荷密度的大小与所施加的机械应力的大小成严格的线性关系。
同时，所受的机械应力在敏感质量一定的情况下与加速度值成正比。
在一定的条件下，压电晶体受力后产生的电荷与所感受的加速度值成正比。
产生的电荷经过电荷放大器及其它运算处理后输出就是我们所需要的数据了Q=dij·F=dij·ma式中：Q-压电晶体输出的电荷，dij-压电晶体的二阶压电张量，m-加速度的敏感质量，a-所受的振动加速度值。
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式中,E为压电晶片的杨氏模量。则固有频率
fn 1 2 k M
测试流程（以振动压路机为例）
如图所示
实验测试流程
振动源 电信号
放大器 放大信号
结果分析
结果显示
系统技术指标
该系统的采集方式为多通道并行；A/D分辨率 为12bit；最高采样频率为1MHz；频率范围 为0.5Hz—6kHz；低通滤波器的衰减斜率为12dB/OCT；加速度工作方式为叠加型平面剪 切；平均方式为块平均；加速度的测量范围 2 为0—50m/S
结果分析
测试现场压实材料为砾土，压路机的行走速度控制 为1.7Km/h。对采集得到的加速度信号进行功率谱 分析，可得到功率谱的变化趋势，与理论分析所得 结论是一致的，即振动轮系统中主要响应参数是随 着压实作业过程中土壤性能变化呈现规律性变化。 将此规律应用在土壤压实的自动检测，为土壤密实 度在线监测系统提供新思路。在提高振动轮的压实 效果的同时，此规律也为实现振动压路机压实作业 的自动化提供了理论依据。
a=g(重力加速度)时得到的电荷Q值,常称为灵敏度,单位记 为C/g,即灵敏度为一个g产生的电荷。上式为灵敏度的电荷 表示法。灵敏度亦可用开路输出电压表示,因为
U Q Cd
式中,Cd为晶片的低频电容(自由电容) 所以
33 A
T
Cd
U
d 3 3 lM a
l
33 A
T
取a=g,即为灵敏度的电压表示法,即一个g时产生 的开路电压,单位记为V/g。
图2 电荷放大器等效电路
三、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器，具有内置调理作 用，可直接对加速度信号进行测量。
压电加速度传感器
压电加速度传感器的工作原理 由质量块、压电元件和支座组成。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共振频率时,传感器的输 出电荷(电压)与惯性力成正比。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,从而得知物体的加 速度。
简介：
现代工业和自动化生产过程中，动态测试 中振动和冲击的精确测量很重要。常用压电 加速度传感器来获取冲击和振动信号。采用 压电式加速度传感器振动测试系统具有较高 的准确性和应用推广价值，，并具有结构简 单，成本低，性能稳定等优点。
采用压电式加速度振动测试方案
系统组成：压电式加速度计 、电荷放大器、 动态信号分析仪组成，如下图所示。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成电压信号并放大， 通过数据采集测试仪采样，便实现对信号的 采集
固有共振频率 由灵敏度的公式：在低频时灵敏度是一常数,它和压电常数 成正比,和质量块的质量成正比。在较高的频率下该公式不适 用,特别是到传感器的固有共振频率附近,灵敏度急剧增大,该公 式一般在传感器固有共振频率的1/2~1/5以下使用。 可以近似地把质量块看成一个纯质量(忽略其弹性),晶片看 成一纯弹性元件(忽略其质量)来计算传感器的固有频率。如将 晶片看成一弹簧,则由定义可求出其劲度系数为
Hale Waihona Puke 注意由于压电传感器的压电特性易受温度影响， 热胀冷缩造型的机械变形也会对输出产生英 系那个。因此，有必要进行温度补偿。温度 补偿的办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，然后在结 果中修正，以保证测试精确性。
结束语
压电式加速度计、电荷放大器、动态信号分 析仪组成的振动测试系统的原理，可以为振 动加速度测量或监测提供一种手段，也可为 需要解决振动现象的工程提供可靠的试验数 据和技术支持。随着科学技术、工农业生产 和国防建议事业的迅速发展，大量的工程振 动现象问题不断地出现，相信该系统将应用 更加广泛。
测试系统组成
一、压电式加速度计：测试系统中，压电式 加速度传感器的作用是把振动量转换成相应 的电信号。实验测试时，为了防止电缆相对 运动产生摩擦而引起的“电效应”，除需要 选用低噪声电缆，还应把电缆固定在试件上。
二、电荷放大器：压电式加速度计产生的电 荷量很小，输出阻抗很高，因此与它相连的 仪器输出阻抗的大小对测量系统的性能产生 重大影响。高输入的阻抗的前置放大器就是 以此为目的而设置的。
质 量块 压电 元件 输出 引线
支座
压电加速度传感器原理图
系统性能指标：
判断压电式加速度振动测试系统的性能指标 主要有：灵敏度、固有振动频率、频率响应 范围、动态响应范围和结构稳定性等 下面主要介绍灵敏度和固有振动频率
压电加速度传感器的灵敏度
灵敏度是指其输出电量与所承受的振动（或冲击）加速 度的比值。它是表征加速度传感器性能的最基本的参数。 公式推导： 设晶片为压电陶瓷,极化方向在厚度方向(z方向)， 作用力沿着z方向可推导出压电陶瓷片产生的电荷为： Q=d33Ma M为质量块质量,m为晶片质量,a为物体振动加速度，l为晶片 厚度,A为晶片电极面面积