第三章 振动信号测取技术

磁电式绝对速度传感器
图3—6 磁电式绝对速度传感器 1—弹簧片、2—壳体、3—阻尼环、4—永磁铁、5—线圈、6—心轴、7—弹簧
铜制的阻尼环一方面可增加惯性系统的质量，降低固有频率；另一方面又利用 闭合铜环在磁场中运动时所产生的磁阻尼力，使振动系统具有合理的阻尼，从 而减小共振对测量精度的影响。
磁电式相对速度传感器
加速度传感器
某些物质如石英晶体，在受到冲击性外力作用后，不仅几何尺寸发 生变化，而且其内部发生极化，相对的表面出现电荷，形成电场。 外力消失后，又恢复原状。这种现象叫做压电效应。 将这种物质置于电场中，其几何尺寸也会发 生变化，叫做电致伸缩效应。 多数人工压电陶瓷的压电常数比石英晶体大 数百倍，也就是说灵敏度要高得多。 利用压电效应，制成压电式加速度传感器， 可用于检测机械运转中的加速度振动信号； 利用电致伸缩效应，制成超声波探头，可用 于探测构件内部缺陷。
速度传感器
速度传感器又称为磁电式变换器，有时也叫作“电动 力式变换器”或“感应式变换器”，它利用电磁感应 原理，将运动速度转换成线圈中的感应电势输出。它 的工作不需要电源，而是直接从被测物体吸取机械能 量并转换成电信号输出，是一种典型的发生器型变换 器。由于它的输出功率较大，因而大大简化了后续电 路，且性能稳定，又具有一定的工作带宽(一般为10～ 1000Hz)，所以获得了较普遍的应用。 磁电式速度传感器有绝对式和相对式两种，前者 测量被测对象的绝对振动速度，后者测量两个运动部 件之间的相对振动速度。
K—臵信因子
K=2，臵信度95%；K=3，臵信度99.73%
5、分辨率
分辨率是指传感器能测量到输入量最小变化的能力
xmax F 100% YFS
△xmax-传感器全量程范围内最大的Δx； YFS-传感器满量程输出值。 为了保证测量系统的测量准确度，工程上规定： 测量系统的分辨率应小于允许误差的1/3,1/5或 1/10。可以通过提高仪器的敏感单元增益的方法来提 高分辨率。
YFS －满量程；
Lmax
理想工作曲线
ΔLmax
YFS
x
－最大偏差。
0
图2-3 线性度示意图
3、迟滞性
表征正行程与反行程静态特性的不一致程度。 y H max H 100% YFS 正行程工作曲 反行程输出平均值 之间的最大偏差 0
ΔHmax
H max—各标定点上正、
线
YFS
x
反行程工作曲线 迟滞示意图
图3—7 磁电式相对速度传感器 1—壳体、2—心轴壳体、3—弹簧片、4—永磁铁、5—线圈、6—弹簧片、7—引出线
磁电式速度传感器的选用
在选择速度传感器时首先要注意传感器的最低工作频率，它告诉我 们被测设备的频谱图中低于这个频率的信号是失真的，可信度低。 其次是传感器的灵敏度，例如20mv/mm/s（美国本特利公司）、100 mv/mm/s（德国申克公司），这个参数用于将测得的电压值换算成速度 值，也是估计传感器最大输出电压的重要参数。 由于要克服自重的影响，速度传感器分为水平安装（H型）与垂直安装 （V型）两种。垂直安装的速度传感器与水平安装的速度传感器内部机 械结构参数是不同的，在使用时必须注意，不能混用。
振动传感器
振动传感器分类




振动传感器按其功能可有以下几种： 按机械接收原理分：相对式、惯性式； 按机电变换原理分：电动式、压电式、电涡流 式、电感式、电容式、电阻式、光电式； 振动传感器按所测机械量分：位移传感器、速 度传感器、加速度传感器、力传感器、应变传 感器、扭振传感器、扭矩传感器。 以上三种分类法中的传感器是相容的。
开关型 (二值型)
非接触型（如光电开关、接近开关）
传感器 模拟型
电阻型（如电位器、电阻应变片等）
电压、电流型（如热电偶、光电池等） 电感、电容型（如电感、电容式位移传感器） 计数型（二值＋计数器） 数字型 代码型（如旋转编码器、磁尺等）
传感器的基本特性
传感器的基本特性通常分为静态特性和动态特性
静态特性
压电式加速度传感器的安装
此外，低噪声专用电缆 的敷设也要注意。对于内置 IC的集成加速度传感器，由 于恒流供电阻抗变换方式， 对电缆的敷设要求不高。但 非集成式加速度传感器，因 电缆与机壳构成耦合电容， 是电压干扰的进入通道，所 以要求该电容不随机壳的振 动而变化。因此电缆必需紧 贴机壳固定，使耦合电容值 最小且不变。
4、重复性
传感器在同一工作条件下，按同一方向作全量 程多次测量时，对于同一个激励量，其测量结果的
不一致程度。
R
R 100% YFS
y
∆R— 同一激励量对应 多次循环的同向行程响 应量的绝对误差
ΔR
0
x
重复性示意图
重复性指标定值的分散性，是一种随机误差。可 根据标准偏差来计算△R。
R K
工作原理


如果把两块栅距W相等的光栅平行安装，且让 它们的刻痕之间有较小的夹角θ时，这时光栅 上会出现若干条明暗相间的条纹，这种条纹称 莫尔条纹。 它们沿着与光栅条纹几乎垂直的方向排列，


莫尔条纹具有如下特点： （1）莫尔条纹的位移与光栅的移动成比例。 当指示光栅不动，标尺光栅向左右移动时， 莫尔条纹将沿着近于栅线的方向上下移动；光 栅每移动过一个栅距W，莫尔条纹就移动过一 个条纹间距B，查看莫尔条纹的移动方向，即 可确定主光栅的移动方向。 （2）莫尔条纹具有位移放大作用。莫尔条纹 的间距B与两光栅条纹夹角之间关系为
6、漂移
作用在传感器上的激励不变时，响应量随时间 的变化趋势。表征传感器的不稳定性。 产生漂移的原因：1、传感器自身结构参数的变化； 2、外界工作环境参数的变化。
7、量程及测量范围
– –
测量上限值与下限值的代数差称为量程。 测量系统能测量的最小输入量（下限）至最大输入量 （上限）之间的范围称为测量范围。
图3—3 ICP型加速度计测量电路
压电式加速度传感器的安装要求
图3—4 加速度计的幅频特性
图3—4的左边是幅频特性曲线，它反映信号的频率在1Hz到3KHz这一段，加速度计能 比较好的复现信号的波形。 幅频特性曲线告诉我们，测量装置对信号中不同的频率波形有不同的放大倍数。为了 测得的电信号波形能真实地复现振动波形，就必需使所测信号中最高的频率位于幅频 特性曲线上的水平段。为此，要使安装后的加速度计特性具有足够高的共振频率。
莫尔条纹（相邻亮带 或暗带）间距表示为：
W W W 2 2 BH sin 2 2
莫尔条纹的放大倍数为：
K B 1 W
两光栅的栅线之间保持 很小夹角，在与光栅栅 线近于垂直的方向上， 出现明暗相间的条纹， 称为莫尔条纹
W=0.02mm, θ=0.02rad, BH=2mm. 放大了100倍
位移传感器
位移测量应用很广，是最基本的测试技术之一。 如物体位臵的移动量，物体的变形量，零部件的位臵、 厚度、距离等。 还可以通过测最位移量，来反映其他参数，如力、扭 矩、速度、加速度等的变化。 位移测量可以是绝对位置和相对位置的测量。 位移测量分为线位移测量和角位移测量。 常用的位移测量传感器有 电阻式、电感式、电容式、感应同步器、磁棚、光栅 等。
2x u U 0 U m sin( ) W
整形变为方波，可计脉冲数Ｎ，位移为
x N W
细分技术（提高测量分辨率的常用方法是细分）
标尺光栅移动一个栅距w ，莫尔条纹光强变化一个周期， 计数器计一个脉冲数，即分辨力为一个栅距。 例如 每毫米250 条栅线的长光栅，栅距为4u， 其分辨力为4u，。 为提高分辨力，能测比栅距更小的位移，可采用细分技术 细分就是在莫尔条纹变化一个周期时，输出若干脉冲数。 例如，在一个周期内，输出4 个脉冲数，就叫四细分 若光栅的栅距为4u，那么分辨力为1u。 细分方法: 电子细分法、光学细分法、机械细分法等。

（3）莫尔条纹具有平均光栅误差的作用。莫 尔条纹是由一系列刻线的交点组成，它反映了 形成条纹的光栅刻线的平均位置，对各栅距误 差起了平均作用，减弱了光栅制造中的局部误 差和短周期误差对检测精度的影响。
光栅移动一个栅距W，则莫 尔条纹移动一个条纹间距， 莫尔条纹的光强度变化近似 正弦变化， 用光电元件接收莫尔条纹光 强的变化，输出电压与位移 的关系为
光栅的构造



透射光栅 ：在透明的玻璃板上，均匀地刻出 许多明暗相间的条纹 ； 反射光栅 ：在金属镜面上均匀地划出许多间 隔相等的条纹 ； 通常线条的间隙和宽度是相等的
a：刻线宽度， b：刻线间宽， W=a+b： 光栅的栅距， 通常情况下a = b ， 刻线密度一般为每毫米 250 线、100 线、50 线、25 线
第三章 振动信号测取技术
安徽科技学院
目录

传感器概述 振动传感器分类 常用传感器
传感器概述

传感器:是指直接作用于被测量，并能按一定 规律将其转换成同种或别种量值输出的器件。 传感器处于测试装置的输入端，其性能将直接 影响着整个测试装置的工作质量。
传感器的分类
接触型（如微动开关、行程开关、接触开关）
位移的测量
电阻式
位移的测量
电感式
线位移检测传感器
光栅位移传感器 光栅是一种新型的位移检测元件，是一种将机 械位移或模拟量转变为数字脉冲的测量装置。 它的特点是测量精确度高（可达±1μm）、响 应速度快、量程范围大、可进行非接触测量等。 其易于实现数字测量和自动控制，广泛用于数 控机床和精密测量中。
目前，新型的压电式加速度传感器采用了内置IC电路的方案，由于内部空间极小，内置IC 电路实际完成阻抗变换的功能，需一个20mA的恒流源对其供电。测量电路如图3—3所 示。
可以将内置IC电路看成一个随加速度值变动的电阻，加速度值升高，电阻值也线性升 高，由于恒电流供电，20mA电流不能通过仪表端的隔直电容，通过变电阻的电流是常 数，因此在变电阻的两端产生电压变化，这个电压因此也随加速度变化。变化的电压 可以通过隔直电容输入给放大器A，最后输出测量电压。 需要注意的是，隔直电容与后面的电阻构成一个高通滤波器，因此电容C与电阻R的值 决定了该测量系统频率响应特性曲线的最低信号频率。
传感器动态特性
被测量是时间的函数，或是频率的函数。 用时域法表示成：
Y t f X t
用频域法Байду номын сангаас示为：
Y j f X j
动态特性是指传感器输出对时间变化的输入量的 响应特性； 除理想状态，多数传感器的输入信号是随时间变 化的，输出信号一定不会与输入信号有相同的时间 函数，这种输入输出之间的差异就是动态误差。
灵敏度 线性度 迟滞 重复性 漂移 分辨力
动态特性
瞬态响应特性 频率响应特性
静态特性参数
传感器静态特性数学模型
y a0 a1x a2 x an x
2
n
a0 ━ 零位输出 a1 ━ 线性灵敏度 a2 ～ an ━ 非线性系数
1、灵敏度
理想情况下：
y
k Δy/Δx y/x 常数
图3—1 加速度计
压电式加速度传感器的内部结构
图3—2 压电式加速度计 a)中心压缩型 b)环形剪切型 c)三角剪切型
压电式加速度传感器的测量电路
由于电荷是非常微弱的量，且因为漏电阻的存在，使之不能 传输较长的距离。通常厂家提供的专用低噪声电缆只有3～ 5米，最长不过10米。因此需要在被测设备附近布置前置放 大器，将电荷量放大数千倍后，再传输给显示计量仪表。 前置放大器电路有两种形式：其一是电阻反馈的电压放 大器，另一种是电容反馈的电荷放大器。 电荷放大器是工业测量现场使用最多的前置放大器。但 电路复杂，数千倍的放大倍数，对各级放大器的性能稳定 性提出了极高的要求，因而价格较贵。
特性无线性关系情况下：
k lim y / x dy / dx
x 0
∆y ∆x
0
x
相对灵敏度：
kr y /(x / x)
静态灵敏度的确定
在相同测量精度要求下，被测量越小，要求的 绝对灵敏度越高，相对灵敏度没有变化。
2、非线性（线性度）
指传感器的实际输入输出特性曲线对于理想线 性输入输出特性的接近或偏离程度。 实际工作曲线 y Lmax L 100% YFS