振動(dòng)傳感器工作原理

　1 振動(dòng)參數(shù)分類及特性

振動(dòng)傳感器是由彈簧、阻尼器及慣性質(zhì)量塊組成的單自由振蕩系統(tǒng)。利用質(zhì)量塊的慣性在慣性空間建立坐標(biāo)，測(cè)定相對(duì)大地或慣性空間的振動(dòng)加速度。它通過(guò)其中的換能元件，將機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)換為便于傳遞、變換、處理和儲(chǔ)存的電信號(hào)。

振動(dòng)傳感器形式有很多種，常見(jiàn)的分類如圖1所示。

　　1.1 壓電式振動(dòng)傳感器的測(cè)試原理

壓電式振動(dòng)傳感器是試驗(yàn)機(jī)振動(dòng)測(cè)試常用的傳感器之一。相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)提出了振動(dòng)加速度測(cè)量傳感器改裝要求，但是往往因?yàn)閷?duì)其中的概念理解不透，造成一些不合理的安裝方式，在一定程度上影響了測(cè)試精度。

要正確理解和貫徹標(biāo)準(zhǔn)要求，必須了解有關(guān)背景知識(shí)，如傳感器的測(cè)試原理、構(gòu)造和基本特性等方面。

一些介質(zhì)在沿一定方向上施加機(jī)械壓力而產(chǎn)生變形時(shí)，其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)其表面產(chǎn)生電荷，當(dāng)外力去掉以后，材料內(nèi)部的電場(chǎng)和表面電荷也隨之消失，這種特性稱為壓電效應(yīng)。壓電式振動(dòng)傳感器是利用這一特性，把基體感受到的機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)化為電能量輸出。

1.2 典型壓電式振動(dòng)傳感器的基本構(gòu)造

壓電式振動(dòng)傳感器的典型結(jié)構(gòu)如圖2所示。

壓電晶體被壓緊在質(zhì)量塊和基體之間，當(dāng)加速度計(jì)感受振動(dòng)時(shí)，質(zhì)量塊施加一個(gè)振動(dòng)力于壓電晶體上，壓電晶體中產(chǎn)生可變電勢(shì)。通過(guò)適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)，可以保證在一定的頻率范圍內(nèi)輸入加速度與輸出電勢(shì)成比例。

1.3 壓電式振動(dòng)傳感器的特性

1.3.1 頻率響應(yīng)

Mm是壓在敏感元件上的質(zhì)量塊的質(zhì)量；Mb是加速度計(jì)基體及殼體的質(zhì)量；K是Mm與Mb間的系統(tǒng)的等效剛度。這一系統(tǒng)的自然頻率為：

fo=fm

式中fm為質(zhì)量Mm在彈簧K上的自然頻率。

根據(jù)振動(dòng)理論：fm= 。

假設(shè)加速度計(jì)剛性安裝在比它重的多的結(jié)構(gòu)上，此時(shí)Mm/Mb→0，fo→fm。從而得到加速度計(jì)的上限響應(yīng)頻率為fm。

壓電式振動(dòng)傳感器能夠精確地檢測(cè)寬范圍的動(dòng)態(tài)加速度，因此可以用來(lái)測(cè)量瞬態(tài)沖擊過(guò)程外， 還可用來(lái)測(cè)量正弦振動(dòng)和隨機(jī)振動(dòng)。但是，壓電式振動(dòng)傳感器不適用于穩(wěn)態(tài)測(cè)量的場(chǎng)合，例如地球引力、慣性制導(dǎo)或諸如發(fā)動(dòng)機(jī)加速度及制動(dòng)等緩慢變化的瞬態(tài)過(guò)程。

1.3.2 靈敏度

加速度計(jì)的靈敏度定義為電輸出與機(jī)械輸入之比。從傳感器結(jié)構(gòu)可知，靈敏度是有方向性的。由于傳感器的制造誤差，其大靈敏度方向與幾何軸不一致，大靈敏度矢量可分解成軸向靈敏度和橫向靈敏度兩部分。

真正代表壓電式振動(dòng)傳感器靈敏度的是電荷靈敏度，它不受傳感器內(nèi)部電容變化和電纜長(zhǎng)度變化的影響，只取決于壓電材料的壓電常數(shù)，一般電荷靈敏度每年下降小于1%。

壓電式振動(dòng)傳感器實(shí)質(zhì)上是固態(tài)器件，它們非常堅(jiān)固和耐用，在誤用的情況下一般也不會(huì)引起損壞。在傳感器內(nèi)部，沒(méi)有調(diào)整部件，增加了傳感器的可靠性和可重復(fù)性，能夠用于極其惡劣的環(huán)境下。

　　2 壓電式振動(dòng)傳感器的改裝要求與測(cè)量精度

2.1 振動(dòng)加速度測(cè)量傳感器的改裝要求

相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了振動(dòng)加速度測(cè)量傳感器的通用改裝要求：

（1）傳感器測(cè)量軸與被測(cè)軸線平行，橫向靈敏軸應(yīng)避開(kāi)側(cè)向加速度大的方向。

（2）傳感器安裝支架質(zhì)量小，剛度好，接觸面接觸彈簧的自然頻率至少大于傳感器自然頻率的五倍。

（3）單極性傳感器應(yīng)與支架絕緣安裝。

2.2 影響測(cè)量精度的因素

（1）安裝剛度不足會(huì)降低響應(yīng)頻率及使用范圍的上限，這一影響在高頻測(cè)量中尤其顯著。

標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定“接觸面接觸彈簧的自然頻率至少大于傳感器自然頻率的五倍"；這對(duì)傳感器安裝支架的剛度及安裝面的接觸剛度提出了很高的要求。若傳感器直接安裝在被測(cè)結(jié)構(gòu)上，其接觸彈簧的自然頻率可按接觸彈簧靜態(tài)變形求得：

fm=

因傳感器的質(zhì)量力一般很小，而接觸彈簧剛度趨于無(wú)窮大；因此變形δ極小，接觸頻率可以滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

若傳感器通過(guò)轉(zhuǎn)接支架安裝在被測(cè)結(jié)構(gòu)上，則必須同時(shí)考慮支架剛度及兩個(gè)接觸面的接觸剛度，并要在滿足安裝剛度要求的前提下盡量減小支架的質(zhì)量。若傳感器與支架絕緣安裝，采用絕緣螺樁及云母墊片可以獲得大安裝剛度。

（2）安裝支架質(zhì)量太大，其質(zhì)量載荷改變了結(jié)構(gòu)的原有振動(dòng)，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果失真；如果是在較輕或較薄的結(jié)構(gòu)上測(cè)振，這一影響不可忽視。

（3）安裝方向偏離傳感器的校準(zhǔn)狀態(tài)，傳感器軸向靈敏度軸方向與要求的測(cè)量方向應(yīng)盡可能一致，一旦偏離將導(dǎo)致軸向響應(yīng)降低，而橫向響應(yīng)增大加速度計(jì)應(yīng)當(dāng)安裝在平坦、干凈的表面上，橫向靈敏軸（在殼體上以紅點(diǎn)標(biāo)出）應(yīng)避開(kāi)側(cè)向加速度大的方向。

（4）螺栓擰緊不當(dāng)，螺栓擰入基體太深，引起基體拱彎變形，從而產(chǎn)生額外的電輸出。擰緊力矩要適當(dāng)，過(guò)大會(huì)損壞螺紋，太小將影響安裝剛度。

2.3 壓電式振動(dòng)傳感器的典型安裝方式和關(guān)鍵點(diǎn)

壓電式振動(dòng)傳感器有金屬螺栓安裝、對(duì)地絕緣轉(zhuǎn)換螺栓連接、膠粘劑粘接和磁鐵轉(zhuǎn)換吸盤連接四種安裝方式，其中金屬螺栓安裝和膠粘劑粘接為常見(jiàn)。利用鋼制螺樁把傳感器固定在拋光的金屬面上，這種方式可以得到高的響應(yīng)頻率，其它的安裝方式會(huì)降低響應(yīng)頻率。

要做到數(shù)據(jù)結(jié)論準(zhǔn)確，首先要正確使用和安裝傳感器。在設(shè)計(jì)振動(dòng)傳感器支架、緊固件及實(shí)施安裝時(shí)應(yīng)遵循以下幾點(diǎn)：

（1）了解所測(cè)參數(shù)的基本情況，如振動(dòng)加速度的振幅、頻率范圍；

（2）了解傳感器的結(jié)構(gòu)形式和特性，包括傳感器質(zhì)量，自然頻率，安裝尺寸等；

（3）根據(jù)被測(cè)結(jié)構(gòu)的具體情況確定傳器的安裝方式，對(duì)低頻測(cè)量應(yīng)重點(diǎn)考慮附加質(zhì)量對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響；對(duì)高頻測(cè)量則應(yīng)保證安裝剛度符合標(biāo)準(zhǔn)要求；

（4）傳感器及轉(zhuǎn)接支架的安裝接觸面應(yīng)平整、光滑，以保證傳感器安裝精度和剛度；

（5）仔細(xì)調(diào)整傳感器的安裝方向。使軸向靈敏軸與所要測(cè)量方向一致，橫向靈敏軸應(yīng)避開(kāi)側(cè)向加速度大的方向；

（6）控制螺栓擰入深度及擰緊力矩，適當(dāng)?shù)臄Q緊力矩為1.8N?m。

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