（光学专业论文）微型超低频绝对振动传感器研究.pdf

摘要 振动是物体的一种运动形式。绝对振动是指相对于惯性空间没有静 止参考点( 即基准) 的振动，如海上船舶和空中飞机的颠簸，高层建筑、 海洋平台、大跨度桥梁的晃动，大型旋转机械( 如水轮发电机组) 和地震 的波动等。 上述各类振动的共同特点一是没有静止参考点，因此一些较成熟的 相对测量方法均难以实施，通常选用惯性式传感器测量。二是振动频率 较低，通常在1 h z 左右，故对惯性式传感器的低频特性提出了苛刻的要 求，然而目前该类传感器由于其机械结构的固有缺陷，在超低频段( 1 h z 及以下) ，其输出信号完全“淹没”在噪声中，难以实现对振动参数的准 确测量。因此超低频绝对振动检测一直是工程测试领域的一大难题。本 文通过对m 幻结构惯性式传感器机理的分析，提出了一种对传感器传递 函数进行“抑高扬低”的补偿方法，并对此补偿网络和系统幅频特性进 行了优化，较好地克服了惯性式传感器低频特性差的固有缺陷，实现了 传感器的微型化。与此同时，本文还初步研制了用于振动信号采集与分 析的软硬件。 本文第一章对振动测量作了概述，指出了超低频绝对振动测量的意 义和难点，以及目前超低频绝对振动测量的研究现状。 第二章对目前主流的三类可用于绝对振动检测的惯性式传感器：压 电传感器、光纤传感器、磁电式传感器作了论述，在研究它们的结构特 性、频率特性、信噪比等特性的基础上，指出了各自的优缺点，并选择 了信噪比相对较高的惯性式磁电速度传感器作为本文研究基础。 第三章根据m 幻结构惯性式磁电速度传感器的力学模型，得出了其 传递函数，在此基础上指出了其固有缺陷的根源。从传感器传递函数的 二阶高通特性出发，论述了现有的基于模拟滤波技术的传递函数补偿网 络的优缺点，提出了传感器传递函数补偿及优化方法，优化了传感器幅 频特性，拓展了其频率频响，并对传感器的微型化做了论述。 第四章研制了基于u s g 接口的数据采集卡；本章对数据采集硬件进 行了原理性的论述。 第五章简述了振动数据分析的一般方法；根据研制的数据采集硬件， 对数据采集分析软件进行了简要的分析。 第六章对研制的传感器进行了频晌展宽实验、不问传感器的比较实 验、现场实测实验。实验表明，本课题所作的研究取得了较好的效果， 对超低频缝对振动信号的测量具有燕要懿实耀赞值。 第七章对全文进行了总结，并对下一步工作提出了建议。 美键词：传感器，超低频，绝对振旗，传递添数饶化，枣 缮瓣络，徽型 化 妊 a b s t r a c t v i b r a 懦o ni saf o 舳o fm o v e m e n to ft l l eo b i e c t a b s o l u t cv i b r a t i o nm e a n st l l e v i b r a t i o nw h i c hh a sn os 诅t i cm f b r c n c ep o i n tr e l 觚v et oi n e r t i a ls p a c e ，s u c ha ss h i pj o l t ， a i r p l a n et b u l e n c e ，1 1 i 曲b u i l d i n g 、o c e a i lp l a tr 0 0 f 、g r e a tr o t a t i n gm a c h i n e ( s u c ha 8w 龇e r t u r b i n e ) a n db i i d g e s v i b r a d o n ，s e i s m i cw a v e ，e t c a l lt 1 1 ev i b r a t i o n 口r e s e n t e da t l o v eh a v et w oc o m m o nc h a r a c t e r i s t i c s f i r s t ，t h e r ei sn o s t a t i c 摊f e r e n c ep o i n t i ti sd i 礅c u l tt od e t e c tn l ea b s o l u t ev i b r a t i o ni 刑- o r m a t i o n 璐i 甥 r e l a t i v ei n e a s u r e m e n t 。a tp r e s e n t ，也ei n e m 蛆拓 m s d u c e ri sw i d e 王yu s e d 妇a b s o k t e v i b r a t i o nd e t e c t i o n s e c o n d ，t h ev i b r a 蛀f 豫q u e n c yi sv 锻yl o w ( a _ b o u ll 差z ) 。驻趣& 蠢g 灌 r 鹎u 幽m e n tf 酿i n e 嫩a l 拄a n s 矗l c e r sl o w f q u e n e y 媳a r a c 溆l s 蛀c a 聪t 瞻黼蛰毪ts i 帮采 丘。越也e 秘鞋n s d 诎c e ri sc 黻m p 把db yi 拄皓畦e f e n e e s 鞋娃l 臼篷卜l o wl 妊q 醛e n c yb 矗n 硅( 黼o wl 壬差z ) s i 辩ei lh sd e 缘娃l t 醴i 抟o w n 氆躲h 融es 搬l e 撼辖a sa 糟s 毡l t ，穗a c q u i 蕊v i b r a 疽o ns i g n a 王s c g 珏撼矗t 辩曩e 戎l h e 羚蘸s 童键皴i o n s 。s o 氇eu l 锑a l o wf 绝q u e n c ya b s o i u t 。v i b r a d o nd c t e c 畦o n 主s矗d i 臻c 珏h p 约b l e mi h 7 鞠l 謇n e e 癜培m e a s u 持m e n t 蠡e l d i nt l l 童s p a p e r m e 镰酶一f 跨q u e n c y s 毪p p r e s s i o n 黼di o w - 翅确糙n c y 1 i 越n g ” c o n l p e n s a t i o n r n e m o dw 觞 p f e s e n t e 畦b a s e do n 国ea n a l y s i so ft t l ei n e r t i 斑s e n s o rw i m “m 鼢”s m l c t i l r e t h e nm e e o “巾e n s a d o nn e t w o r ka n da n l p l i m d e f u e n c yc h a r a c t e r i s t i cw e r eo p t h l d z e d i tp r o p e r l y o v e r c o m e sm es e n s o r si n h e r e n td e f e c t _ 一b a dl o w 自e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i c a n dt h e 瑚j n i 砒u r i z a t i o n0 ft h es e n s o rw a sr e a l i z e d a tt l l em e a n t i m e m es o f t w a r ea n dh a r d w a r eo f m ev i b r a t i o nd a t aa c q u i s i t i o n 柚da i l a l ”i sw e r ed e v e l o p e d c h a p t e ro n em e n yi n t r o d u c e dv i b 勰t i o nd e t e c t i o na n dp o i n t e do u tt h es i 肆谶c a n c e a l l dd i m c u l t yo ft l l eu l t m ，l o wa b s o l u t ev i b r a t i o nd e t e c t i o n t h ep r e s e n tr e s e a r c hs t a t u so l l u l t r a - 1 0 wd b s o l u t ev i b r a t i o n d e t e c t i o nw a sa l s os l l “e y e d c h a p t e rt w os u m m 碰z e d 也et h r e et y p e s m 蜒ni 珏枷采拄强s d 醢c e f 娃s 醴i 珏幽s o l 毽毫e v i b r 瓶o nd e t e c t i o n ：癣e z o e l e c t r i os e n s o r 、蠡b e f - o p 垃cs e 珏s o f 粕d 搬曩辨e 眦k e 重f 主es e 珏s 旺 b a s e t h es 抛d yo f 如e i fs 蜘e 键f e s 、蠹鞠n 蟪e y 穗a f 氇c 艳矗s 瓤sa 糙s 涨，垂o m 毫l 抢 趟v 娟t 鑫g e sa 韵d 难s 嬲v 瓣a g e sw e 诧群s 越鲢a 醛蠡n 茁l y 像e 衲e 弼链m a g n 戍。醴黜i c v e l o c 姆拄蹴s d 毪e e fw 8 ss e l e c 姥dw 澄h 瓿量l i 痨s 浓菇赫b a s i s 自峨i l e rr e s e a 疟矗_ 琢吐婶融 b r ，铂e 柏n s f 酹纯n c 娃o nw a sp u tf ；d 脚删b a s e do n 诳em e c h a n i c a l m o d 畦o fm 鑫g n 淡一e | e e t r i c a 王a b s o l u t ev 沁瑚瞳i o nt r a n s d u c c rw i t h “，破c ”s t m c t u r 。a n dm e n a n 矗 y z 醛t h e 托m s d u c 斟sn a 细md e 艳c t + a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e ro fs e c o n do r d e r i l l 糖辞巾鑫s s 鑫l 凇o ft 如s y s 溆n ，s e v e 嘲m e t b 醯s 。fe o m p e n s a 垃o nn e t w o 攮sb a s e do a n 越o g f i l t 砸憋t e c h n o l o g yw e r ed i s c u s s e d m e t l l o d so fc o m p e n s 蚯n g a n do p 蛀艇z i n gt h e 圩a n s f e r f u n c d o nw e r ep r e s e n 伽no p t i m i z 酣t h es e n s o r ，sa m p l i t u d e f r c q u e n c yc h a r a c t e r i s t i ca n d e x 轮珏d e 畦国ef f e 霉珏e 耩c y 羚s p o 蠢敏畦锻“o wf 辩q 毽髓e yb 黼琏。霹l em i c f o 粥越i o n 艏氆e 舡a n s ( h l c e rw a sa l s od i s c u s s e d h lc h 印t e rf o u r ad a t aa c q l i ! i s i t i o 矗c a 懈b a s eo nu s bw 矗d e v e l o p e d ，a n dm e 埘n c i p i e o f 垃拉h 8 砖w a 辩d e s 主辨w a sd e 往l 醚。 h lc h a p 嗡f i v e ，m eu n i v e r s a lm e t h o do fv i b r a 垃o nd a t aa n a l y z i n gw a ss u 蛳n a r i z e d a c e o r 镦n gt o 铂eh a r d w a r e ，铂ed a t aa c q u i s i d o na n a 王y s i ss o f t w a 揣w a sb r i e f l yi n 怕d u c 酣 1 n c h 蹲溆 s i x ， e x p c 姓m e n t ss u c ha s 触妒懿c yr e 蹬o 拄s e 、d i l l 毫f e 珏t s e 蕤s 潞 c o m p a r i s o n 、s c e n et e s tw e r ec a r r i e do u t w 1 ee x p e r i m e n t ss h o wi tc a na c q u i r ev i h m i o n s i g 珏蠢se x e e 重l e n 珏y 波u 确- a - l o w 姻u e n c yb a n d 斑怒c t i o na n di t h a sg r e a tv a 重u e i n e n g i n e e r i n gi l l e a s u r e n l e n t c h a p t c rs e v e ns u m m e du pt h ew o r ko ft h ed i s s e r t a d o na l l dr n a d es o m es u g g e s t i o n s b f 蠢e x w o 痰， k e y w o r d s ：t a n s d u c e r ，u l t r a - l o w 船q u e n c y ，a b s d u t ev i b r a t i o n ，舡磕n s f 醯f i l l l c t i o n o p t i r n i z 撕o n ，c o r n p e n s a t i o nn e t w o r k ，i n i c r o m a t i o n i v 第一章绪论 第一章绪论 攮动测量摄述8 澜 振动是一种常见的物理现象，如水轮机组的搬动，桥梁、机床的振动，飞机机 鬓耱颤囊，汽车运行瓣发动掇秘车俸静羧渤等等。 产生振幼的原因有内因和外因。内因是系统的结构包含精质量m 、弹性、阻 楚。各个部传，受到终器激励盛会发生振动；铃因怒系统以终瓣秘髂霹蘩缝蠢激麟痒 翻，它们可以是初位移、初速胰、冲击、周期性干扰力或随桃干扰力。 振动既肖有季4 的嚣，也有有害的一蕊。 机械振动对于大多数豹工渡机械、工程结构及仪器仪表怒有害的，它们常常是 造成机械结构疲劳和恶性破坏的直接原因。振动使结构的内斑力大大增加，由于振 动产生弱交交载蘩使缡搀发生疲劳酸棼；筵攘篌续稳产生不容许懿大交澎，蘩袋结 构发生严重破坏：振幼还能使机械加工键失精度，猩有些机械中，由予振动的存在 聪弓l 起遮基戆振魂和嗓音，造蔽了援爻惑劣豹强壤，使糖密仪器不能燕拳工俘，入 的劳动条件蕊化。例如，1 9 7 2 馨曰本海南电厂的台6 6 万千瓦汽轮发媳机组，在试 攀中因发生舜常振动蕊全机毁坏，长达5 l 米的主轴断裂飞散，联轴节及汽轮机叶片 飞落至百米馘井。据统计，我潮函运输警辆振动使包装不妥的产品受损、失效和破 坏所造成的经济损失，一年达数亿元。 强囊氇窍可裂弱瀚一嚣，翔工翌上裙采震豹掇渤传输、摄动萝纂选、振动磺懿、 振幼抛光、振动疲劳机和按振动理论设计的测量传感器、地震仪等。 随着搬器设荟向麓大型、巍速裹效秘蠡魂睨诸方嚣发袋，嚣要分毫鑫处理酶攘凄 闯题越来越躯要。因此，如何准确检测机械振动，对于设计制造安全可靠和性熊优 良的机器、仪器仪表、建筑结构以及各种交通运辙z 具，并蠢效地抑制、防止搬动 带来的危害是十分必黉静。 振动传感器作为振动测量的主要元件，根据被测振动参数来分类。振动传感器 甏分隽轰蚤位移建惑器、援魂速度转感器寝攘凌瓣邃疫簧惑器；禳鬟掰采蠲戆转感 器工作原理可分为：成变式、电容式、电感式、电涡流式、磁电式、愿电式、光电 式等等；掇壤选定的逡动参爨点寒分，露努楚穗对壤囊黄感耪萋嚣绝对搬动筵感器。 相对搬动实际上怒物体相对于其平衡位置或者说以其平衡位置为参照点的校复 遴劭。一般的结构型传感器都包含固定郝分和可动部分，让阑定部分与振动的平德 位篾即参照点保持裙对静止，可动部分麓被澜物体的关联方式有两种方式( 国l 一1 滤援师范大学硬士学位论文 辨暴) ，强( 鑫) 方式蹩俦感器霹凌辫分与被溅物体霜接在一起或必一个蹩体，传感 嚣可动部分相澍其固定部分的运动也就魑被测物体相对其平衡位置的运动；图( b ) 方式是佟感器珂动部分由安装在潮定部分的弹簧紧疆在被测物体上，被测物体与传 感器商动部分劳不是固接程一起，蠢只楚碰触在一起，在被测物体压力粒弹簧反力 的作用下，传感器可动部分跟随被测物体一起运动。 蔺翥隧擎 | 被测耪俸 捩测物体| 溜i l 耪跨振动砖感器的糖构拳意竭 髑鐾卜l n l es k 。1 【c h0 f 坤l a d v ev i b r a n o ns e n s o rs 仃u c t u m 绝对振动是指相对于惯性空间没有静止参考点( 即基准) 的振动，如海上船舶的 颠簸，麓层建筑、海洋平台、大跨度接粱窥大鍪旋转梳攘( 鲡永轮发窀枫缝) 静凌态 检测，空中飞机的波动、地震波动等。绝对振动传感器的工作原理如图1 2 所求， 黧个传躲器1 被固定在被灏物体之上，偿感器中的固定部分与被测物体一起运幼， 馋感嚣枣熬可秘部分与一震爨块逡接在起，髂必爨瞧体，蒺凌羹梵磁，漠性俸逶 过弹簧( 弹性系数为七) 与传感器固定部分连接，其运动受阻尼器( 阻尼因数为c ) 的阻尼伟用。 这榉一个囊质量块弹簧阻尼器构成熬系绞楚豫必“哦”系绞，实矮上藏蹩一 种敏感器，它把被测物体的绝对逡动转抉为传感器中w 动部分与固定部分的相对运 动s 圈中右德标尺表示与大蟾傈持相对静止的遴动参照点称为静基准。 l 一祷感器 2 一被测勃箨 图卜2 绝砖振动传感器的蛄鞠示意图 f i g ，l 2 1 i es k 。t c h o f a b s o l u t e v i b r a d o ns e n rs t n l c m r e 2 浙攫师范大学硕士学位论文 髂建筑带来诸多枣蠖。躲动法比较方便、经济，特别逶会予已建好熬建筑甥。猩脉 动激励下，结构的振幼都是小振幅的，由于测爨现场光法找到静止不动的参考点， 一切穗辩式测蘸方法都难强实现，必须选用惯毪式蒋惑器铡鬣。 由于上述嚣类振动的主模态往往集中于低频段，救对惯性式传感器的低频特性 提出了特殊的辫求，而目前的惯性式传感器在趟低频段( 1 h z 以下) ，由予输出信号 完全“淹没”程噪声串，难激实璐对振韵频率酌准确灏薰。 对低频绝对振动测量，由于不容易找到静止的参照物，因此采用一切楣对的位 移测量方法都肖一定的困难。而且由于振动频举鞍低，传统的绝对振动测最方法都 赡数矬镁其振动测试王捧。镄翔，震歪魄效应鞭瑾豹嚣毫撩速度诗，理谂主是个毵 通型的测量装鬣，工作频率从直流开始，但用予测量振动时，由于其输出是与加速 度成正蹴，在测量低频振动时，输出信弩与高频噪声相比，倍噪比太小，对于振动 接穆测豢，要经过嚣次积分，漂移影响+ 分严黧，敦实际使建频率一般在l l z 默主。 又比如，用质嫩弹簧系统的惯性式传感器，由予受机械结构限制，传感器的圈商频 率不能太低，测量频率下限因诧毽不能太低。擞然也脊用斜拉簧等结构做成的低固 有频率健惑器，但由予弹簧过欺，质量太大，除了砖感嚣豹体积纛大接，其簧感器 的稳定性和可靠性都很差，无法在正业领域得到广泛威用。 梵了髓够凌超 毳频段静测量簸够较磐的反浚振动体的特性，因内井酱遍采桶的 方法是浆用软传信号处理的方法对传感嚣获褥的振魂傣号进糕二次处理，常爱的方 法有：f f t 、数字滤波器、魇卷积鳓等。采用软件的方法实现超低频段振动信号的测 量蒸有较强豹蜜瘸瞧，毽其赞显静缺点楚不吴骞窦对靛。 而如果能够用硬件的方法实现超低频段的振动信号的测爨，则能够满足实时性 的要求。因此，国内许多学者试图在硬件上实现对超低频段振动信号的测最。为数 不少熬学者黎提出了采鼹频旗震宽豹方法来改善越娄转感器静链熬，毽镄楚予瓒论 探索和实验阶段“，而没有实质憔地设计出较好的硬件电路米实现超低频段的振动 信号的测量。 蚕悫也毒戮究尝邋过增大援镶蒺萋块矮量掰寒藏夺傣感器熬霾霄频率，竣褥提 高传感器在低频段的灵敏度。但此种方法的缺点也非常明显：传感器的体积、羹量 大夫增翔。国肉能浏褥o 5h z 绝斑振动频率的惯性磁电式速度传感器质餐重达十几 公斤。 若以此种传感器用于测振，会带来一系列的问题，如在发动机的状态检测中， 毪澜量低频嚣雩，会因为传感器本身踅量太大而改交发动机本搿的振动特性，从而无 4 第一牵绪论 法准确豹涌豢其振动特性。磊蓠，鬣内能进行l h z 低频检测的同樊传惑器d s 4 b v 型外形尺寸达垂1 5 0 娃髓x1 6 融擞，重爨为2 ，g 妇( j b 家地鼹局地建信息技术磺究赝 研制) 。中国地震局地震预测研究所研制的f f s 3 短周期地震计也具有较大的体积和 霪量。 。3 本文鳇主要王佟 针对目前惯性式传感撩存在的缺点： 频率下限高。传统的惯性式磁电传感器固有频率一般为5 3 0 h z ，因此不能 在怒鬣羧( 拳于疆z ) 迸符工盈渊量。 重量、体积大。 需软件处理。由于大体积的传感器难以适应z 业测廉，目前多数惯性式传感 爨为实瑷超强频测慧都整聚手较转薤理豹方法进行镕号提取，其缺赢遣怒l 豢明显： 不具有实时憔。 电路设计复杂、价格昂贵。 本文着手进行了微型超低频绝对掇麓传感嚣的磷究，主要工终如下： 根据目前主流的三类可用于绝对振动检测的惯性式传感器：压电传感器、光 纤传戆器、磁电式俺感器，论谥它们静绪椅特性、频率特性、信缣眈等，选择种 食适的传感器作为本文研究的基狱( 本文最终以援谯磁电式传感器终为磅究对象) 。 研究惯性磁电式传感器传递函数的特性，提出了一种对传感器传递函数进行 “亨率蕊搦餐”靛李 镶方法，著黯李 罄网络窝系统辐鬏特性谶行了傀亿，提秀了倍感 器系统在超频段的频率响成，并对传感器的微挺化做了论述。 针对本微型传感器用于越低频测量的特点，设计下证机数据采集系统。 设计上谴援数据采集分辑软 孛。 第一窜绪论 1 。2 研究臂景和问遴的援懑 越低频缝对振麓，是撂振动频率在零熹a 到是赫兹之蠲熬绝对叛韵，超低频绝 对振动的测量，在工业领域有着广泛的应用背景。 在电力工业部门，发电机组豹振动艇铡魑发电机组安龛运行的保证。振动过大 是发惫机组不疑正紫工俸戆一个霪要嚣霾。程壤缓熬工提黢测系统孛，振动是一个 日e 常重要的内容。水力发电机组，由于转速低( 几十转分) ，振动的频率也很低。 铡如，长江葛洲顿水电站，永轮杭的转速为6 2 5 转秒。水力发电机组的在线测量 系统，就涉及至超低频绝辩振动黥测霪阏题，一般要求测鐾仪器能浏出o 5 珏z 左舂 的振动。 奁石油懿探领域，地震勘探楚一个实蔫稀重要韵勘探手段。黼前，在遗震勘探 中普遍使用的测扳传感器( 地震检测器) 的频誊有效范围在8 h z 5 0 0 王 z 之阂，8 珏z 以下的地震倍号很滩准确测量，而这些低频倍息对艇演地展结构煨非常有用的。如 何捡溺这部分低频镲号，纛是一个超低频绝对振动熬涌羹瀚题。 在交通运输部门，铁路和公路桥梁的振动监测照保证安全和交通畅通的必要手 段，一些长跨度的桥梁，其固有频率是很低的。例如，武汉长江铁路大桥的垂窟固 骞频率淹o 。? 至王z ，水平器鸯频率麓0 ，9 重z 。辩耩粱稍拳王络梅振瀚静鼗溅氇楚超低 频绝对振动的测量问题。 戳桥梁自振特饿铡试为例，当桥梁经过长年运营，或者遭到意外撞击，或经受 地震默蓐，掭梁的工终状态骞霹熊发生改变。遘过对楱粱叁叛特瞧交纯瓣测试( 謇振 频率、振型及阻尼系数) ，可以为确定桥梁运行状态提供依据。桥梁自振特性还是影 响捌车与桥梁相互干聱翔特住的一个裉关键的因素。如采车辆运行达到莱一临界速度， 致使激臌频率与掭粢菜除巍振频攀接近，就会发生共振，霹能造成列车逡孰或翻车 第二章绝对振动测量的传璐器 对( 2 2 ) 式两边取傅氏变换 字喵警十，= a 型： 二! a ( 归) ( j 缈) 2 + 徊磕+ 簖 酬叫器卜 ( 2 2 ) ：f 型二：置( 归) p 一冲( m ( 2 3 ) 卜篆 。瑶嚣 些： f 筹帅彘嚣，2 ( 2 4 ) 妒蛆鹭。， 吐七 动加速度传感器具有二阶低通滤波特性，当盏= 击日寸， 当“时 即 得 足( ，) = 置( 归) ：去 驰，2 去 ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) y 。舞 ( 2 _ 9 ) 这说明质量块的相对位移y 与物体的振动加速度成正比。所以压电转换元件在 南 ：= ：= = 些型些鳖些塑婆= = = = = = = = = = 惯往质精块m 的惯性力作阁下产生的彀荷嚣 q = 蕊窘 泐 上式中d 为压电材料的压电系数。式( 2 一l o ) 说明压电式加速度传感器的输出电荷爨 q 与物体振动加速度口成正比的变化关系e 2 2 嚣毫式粕速度传禳器等效毫路与瓣誊毫路 ( 1 ) 等效电路 压电式终憨嚣对鼗溅鬃鹃嶷讫建遴过箕莲电嚣停产生电祷董躺大小采反浚的， 因魏它耀当予一个电瑟添。褥耀毫元件电檄表面聚集电荷时，它又相当予一个以压 毫奉考糕海电介袋静邀容器，萁电容潼为 耻学 ( 2 1 1 ) 式中_ s 为极板谣积；，为骶电妨料辐澍余电絮数；岛必真空余电豢数；艿压电元传 厚度。 当压电元传受步 力作麓时，鼹袭露产生等爱懿莲、受电黎q ，莲电元释豹开潞 电压( 认为其负载魄阻必纛穷大) 莎为 u ：垒( 2 _ 1 2 ) 铰 这样，可懿把蘧电元件等效为一个电荷源q 和一个电容器c d 的等效电路，如图 2 2 中韵虚线方框，其中咒为疆电元件的漏电阻。 b 半6制牛 溺2 2 菇电式待惑器测试系统的等效电路 援g 2 2 皲砖。q 堪v 砖e 躐瘟c 毽主to f p i e e l e c 癜c $ e n s 榷t e s ts 磷t e m 工作时，压电元件与二次仪表配套使用，必定与测最电路相连，这就是要考虑连 接电缆魄容c 、放大器的输入电阻毽和输入电容e 。图2 2 示出压电式传感器测试 系统完簸的等效电路。 ( 2 ) 测量电路 裔前莆遗采用便予运距离溺鬃静电荷放大器作为医嘏传慧器的测赣奄路，冀输 出电磁与输入电荷成藏院。这种放大器实际上是种具有深度负反谈的商增益运算 放大器，其等散电路如图2 3 所示。 q 罄2 3 电荷放大器等效电潞 戡g 。2 3 髓诧e q 堪v 鑫l 强t c 娃e 穗t e l 啦e i 移a 黻簪i 羲嚣 国中国把r 、吃看作是无限大，而加以忽视。这样当容抗远小于电阻鄂折台刘 输入端的等效阻抗时，有下式成立： 秽。：一一些l 一一 ( 2 一1 3 ) 。c ：+ c ：+ c ：十( 1 + 置) 诉 当k 足够大时，( 1 + 蔗) c f ( c ；+ c 。+ c 。) ，因此毒 阮= 罟 式中幺爱绩电容。 式( 2 一1 4 ) 表羁，输密淹丞u 。征魄于输入窀荷q 一输积与输入反栩， 彀度不受分布瞧容靛影确。 ( 2 一l4 ) 而且输出灵 餐实际上电缆电容，特掰是遗距离传输时，它会对测量结果带来影响，而e 太 小时，可 ：王忽略，由诧产生的测煮误差为 正：二：型! ! 塑鱼二i 二型l 垦曼! 璺篓! 鱼塾： 堡 ( 2 一l 彩 一蜀彩( 1 + 置) gc ：十e 十( 1 + 置) g 由( 2 一1 5 ) 式可知，增大c 。或岸值，可以减小测量误差 当工作频率很低时，反馈电导g ，( 其作用是提供直流反馈、减小零漂、使电携 放大嚣工作稳定) 的值可以与j 嬲，相比时，g ，( 1 + 胃) 这一项就不能忽略，虽在 ( 1 + 髟) c f ( e + c 。+ 巴) 时 9 矗： = 垂竺曼些e 篓。= 塑曼竺s ( 2 一l6 ) 。 ( g f 十j 棚c ，) ( 1 + 足) c 声+ 鹇 其蠖值抛 玩2 穰。赢 m 送频率越低，g 越不能忽貉。薷反馈惫导灞翻劐g ，= 棚o ，潮 蛤一号，去 照然，这是增益下降3 d b 时的下限截止频率点的电压输出德。其相应的下限截止频 率为 驴蠹 稼 戏中匙反馈电阻。 频率上鼹主要取决于运算放大器戆频率嚷疲。若毫缆太长，杂散彀客释宅缆怒 容增趣，电缆静导线跫瞧增加，影桷放大爨戆离频特性，宅稍决定静电路翡上限额 率为 驴荫翻 q 吨 它会影响电荷放大器的高频特性，但影响不大。例如，l o o m 电缆的电阻仪几欧 羽数十欧，敌对上限影响可以忽视。 ( 3 ) 压电式虫l 速度传惑器豹性能指标 压电式加速度传感器的主要性能指标如下： a 灵敏度 指输出萤( 电荷威电压) 与所承受的振动加速度的比值，其数学表达式如下： 电荷灵敏度 款：望( 2 屹1 ) 奄嚣灵敏度 段= 等= 学= 鲁 z z ， 口群。 第二耄蓬对振动测量静传惑嚣 式审q 为麴遮度簧撩器黪输窭耄祷；秽为鸯蠢速度传藤器静输出邀疆；群为振韵加速 度；e 为加速度传艨器电容。 依据晶体元件的压电效应与牛顿第二定律，上式也可改为如下形式； 玩：垒：坐：磁朋 ( 2 2 3 ) 口乜 。 式中f 为惯悛质量块的惯饿力；n 为晶片片数；磷；为晶片的压电系数。 遴鬻曩予王程擞魂测爨戆垂瞧熟速度传感器瓣惫蕊灵敏瘦终梵l o 一撼0 餐挺， 电压灵敏度为1 0 一1 0 0 m v g ，用于测墩低频微振动的高灵敏度加速度传感器的灵敏 度高遮1 0 0 0 p c 值，但测爨1 0 5 9 的冲击加速度传感嚣的灵敏度只有o 0 2 p c 穗。 b 。频率响应 前已阐述，压电加速度传感器是由惯性质量块和压电转换元件组成的二阶质量 弹簧系统。它的疆频、福频将往分鲷由( 2 4 ) 式和( 2 一窃式捂述。 由于质璧块与搬动体间的耀对位移y 为压电转换元牛受力履产生的变形量，在 材料的线弹性区内 尹= 是y ( 2 2 4 ) 式中：足为传感器的等效刚性系数。 着考虑至压电元件受力后的压电效应，q = 屯，= 如y ，则可以得到加速度传 感爨灵敏度与频率戆关系式： 垒：；堡 口乒争娟磊挈2 ( 2 2 5 ) 当要穗当小时，懿：垒。萼i 跫似为一常数，是传簿器理想的工作额带，灵敏度也 ”4 锘 。 蓥本保持瞧定。 压电加速度传感器的固有频率为 ：、厍 ￥琳 ( 2 2 6 ) 若用压电传感器转换元 牛的弹性系数计算加速发传感器的固密频率，其傻往往 偏高a 这是由于压电式加速度传感器的力学模型中的七除了受到压电元件弹性系数的 影璃夕 ，还要受裂。夔洼痰爨浃、筵电元转与霉电嚣之潮豹接鸯耋嚣瘦影璃。因魏，公 式中的应理解为加速度传感器的组合剐度，宦低于腥电元4 牛的刚度值。 浙江师范大学硕士学位论文 2 2 光纤传感器 光纤传感器具有抗电磁干扰、耐腐蚀、耐高压、几何形状具有多方面适应性、 体小质轻、动态藩围宽、精度高、能在恶劣环境下工作等优点。根据被外界信号调 制的光波物理特征参量的变化情况，可将光波的调制分为光强度调制、光频率调制、 光波长调制、光相位调制和偏振调制等五种类型。目前研制的光纤加速度传感器主 要有光强调制型与相位调制型两大类。光强调制型有透射式、反射式和光闸式等。 相位调制型有m a c h z e n d e r 干涉式、m i c h e l s o n 干涉式和f p 干涉式。 2 2 1光强调制型光纤传感器 就外部调制非功能型光纤传感器而言，一方面其接收光纤所收集到的光强随调 制器( 如光闸、反射体等) 的变化而改变，其光强响应特性曲线是这类传感器的设 计依据。另一方面，接收光纤所接收到的光强与发送光纤纤端出射光场相关。因而， 光纤出射光场的场强分布对于这类传感器的分析与设计至关重要。 对于多模光纤来说，其纤端出射光场的场强分布由下式给出“”： 妒( x ，y ，z ) 5 磊5 i i i r ；t 彳 碲e x p 卜；j ：i 五j j i 三! j ：南 ( 2 2 7 ) 式中j 。为由光源耦合入发送光纤中的光强；妒( 善，y ，z ) 为纤端光场中位置( 工，y ，z ) 处的 光通量 烈鼋垡笳擎拌二搿篓蓄蓉关裂赠型銮表征光纤折射率 分布的相关参数，对于阶跃折射率光纤，盯= 1 ；口0 为光纤芯半径；f 为与光源种类及 光源跟光纤耦合情况有关的调制参数；以为光纤的最大出射角。 ( 1 ) 透射式调制特性理论分析当接收端为透射调 制型时，在发送光纤端，其光场分布为一立体光锥，各点的光通量由函数妒( 石 ，y，z)来描写，其光场分布坐标如图24所示。 仪二。图2 4 透射式调制型光纤传感器坐标分析系统f i g 2 _ 4t h e c 0 0 r d i n a t c 删y s i ss y s t e mo f 廿a n 锄i s s i o nm o d u l 非m6 ber-0ptic sensor12 第二章绝对振动潮量的传i 目 瓣 若按收光纤与发射光纤福丽，赠接收光纤接收副的先强w 表示为： 鼬删= 驴( 孙z ) 如擘赤e x p f 鼍蔷】出 ( 2 嘲) s5 、o ，一w 式中， 搿( z ) = 凇。瑟丰f ，氏) 2 辖琏】 ( 2 2 s ) 这里，s 为接收光面，即纤芯筒。 在纤端戡射光场的远场区，为简便计，可鼹接收光纤端澎巾心点处的光强来俸为 熬个纤芯面上的平均光强，在这种近似下，得弼在攮收光纤终端所探测捌的光强为： 酝j t 薹蕤鞭；蓁熏s 鎏s 熏 l | | 堑盛篇镯磊肇滋澎糌熄罐 。 蠕罐葛舅螽薹雨琵衿囊够“强篓蠹琵誉蓼；鱼雾篱茎蠢螺短霭理一ii l 馐潆。陵臻懑曦骥鹫鏊爱棼烈瑟蠹j 隧曼亵壅蓊囊鬃蹒淄秘翻 毒静静醛i 瑟襄! 一l ；鬻錾旃冀霪蒜噻臻謦黉鹈鞋器溅蠢塑蘩强拔臻姐竖兕。壁仔征朝藿黼逼灞澎 朔溶；囔厦匝太小霹搿融 补偿以艘阻熙比太小，在低频段骞较必明照的避 冲现象，幅频特性曲线不平坦。若能提高原来传感器的阻尼比，补偿臌的特性会好些。 蹬3 4阻尼 惨正落妁艇绩式频率$ 偿耱槛对池示惫鼙 f i g - 3 x 浙江师范大学硕士学位论文 t x 时|毅自 i ， 一，： h 勰辨 ? # # # j | f | i t 蠢涵勉蹴 - l 一 f l f ， ， 戤晒别凇 一l h _ - 、 i 2 z ) i a j 砌 j 横i 陋 船自 赫 。 口 毒 一 ) 、 i- 、 图2 6 双特式反射调嘲等效坐标分析系统 f i 毋2 - 6n 撼c o o r d i n a t e 跚a l y s i ss y 8 t 。mo f d o u b l em 燃r e n n v en l o “l a t e d 鼬e 卜o p t i cs e n s o r ( 3 ) 光藏式谲翻将毪疆论分橱 光闸式调制装置宥其坐标分桥系统如图2 7 所永。其主要组成部分为光源、发送 笼纾、接蔽免纾、竞阐疆部分缀戒，翅图巾( a ) 所承。 ( a )( b 蕞遴瘫奸援救艄 ， jl y 攘牧惫鲜壤斑 历游8 、j 卜兰 ，? 一 盖 ! ：， 霹2 7 先惩式谖裁系统夯糖圈 f i g - 2 7 嚣l es b c h 。f l 毽h tv a l v em o d l l l a t e ds y s t e m 接收光纤所接收到的透射光强值等于圈囊一7 ( b ) 中光纤芯阴影部分所接收到瓣 入射先强，予是有： 坳) = 取矗y z ) 幽。? i 鼬滂攒畸 3 4 ) 式中：一口。量x ，y 矗o ， x = ( 露一矿) 1 7 2 ( 2 3 5 ) s 为錾2 7 ( b ) 中免纾芯瓣影部分莲鬏。 当发送光纤与接收光纤端面悯距较近时，则在接收光纤芯的边界处，近似地脊： 萨0 r ，y ，z ) o ( 2 3 转) 予怒式( 2 3 4 ) 可表示为： 珊，= b e x p _ 鬻】蚴= 牡眵( 南 s ， 式中： 8 栌( y ) = 辜f e x p ( _ f 2 胁 ( 2 3 8 ) 必误差函数。图2 8 给出了主式泠窭豹特瞧落夔绂。 圈2 一g 竞藏爱谲镧耪拄秘线 f i g 2 w 81 1 l e g h tv a l v em o d u l a t 。dc u r v e ( 4 ) 毙强调铡型健感器模型 此处以反射式光纤振动传感器为例进行说明，如图2 9 所示”3 。其工作原理是： 扶毙终传来瓣必经过撵度透镜，彼撵度透镜毽塞，成为平行炎；密射器宠被嚣予耱 方的悬臂粱上的平弹片挡住一部分，其余部分光经反射镜反射回梯度遴镜，聚焦于 光野上。夕 兜与外部剐性连接。终龆振动对外壳连搬动，悬鹫梁和质羹块因馁性力 酌佟用，掇对外壳位鬣发生上下变讫，使遮挡光韵面积变化，反射回的光强也就发 生变化。通过检测接收光纤的光强可以获得光斑位鼹的变化，从而得到加速度的傣 惠。图2 一l e 为就传惑褥豹热速壤与赣密奄罐酶魏线图。 浙江师范大学碳士学位论文 圜2 9 探头结构图 f i g 2 - 9s c h e 黼m cd i 卿o f n l e n s o rh e a d 躅2 一l 探扶的加速度与电压输出馥线 f i g 。2 一l or e l 撕o nb 咖e e na c c e l e 搬b 豫do u 啦tv o l 嘴e 2 。2 ，2 捅往滴制鹜巍纤传憋器 ( 1 ) 相位检测 光波在先纤中铸攉嚣孪，糖位角妒静定义细萄2 一ll 新示。对于给定波长五与先路 长发，光波福位角胃由下式给出 妒= 拓l ，五= 2 万m l 7 凡 ( 2 3 9 ) 式中h ，是光纤芯的折射率，太是真空中光的波长。长发变化与折射率憋变化将弓l 起 相位变化，该交化由下戏绘出 驴+ a 妒= 孕( ，z l l 十鸭。正+ l 喝) ( 2 4 0 ) 为篱纯起觅，仅考虑长发改变雩 起豹稻位交讫，上式简化为 妒+ 妒= 孥( 嘎l + ，l l 逸) ( 2 4 1 ) 浙江师范大学硬士学位论文 协n 妒= 2 彘m 一2 ) ( 2 4 9 ) a l 、国7 、为常数，；甜，= m 为传感器的固有频率；彘= c ，2 m 为 传感器的阻尼比。式( 2 4 7 ) 中前一项随时闻的增大丽迅速减小，因此有： z 嚣a 7 s i n ( 挽瞄一妒) ( 2 5 0 ) 由上式可知，质屋块相对于磁钢作正弦振动，频率与激振源相同。当渺l ，磊 = 一a 亟+ 生：o 出 由(251) 由式(248)、(249)可作出以吐厂为横坐标，以a7，a，妒为坐标的幅频特性和相频特 性，如图2 1 5 、2 1 6 所示。 图2 一1 5 幅额特性强线 fig-2-15a 母n t i l d e - 呐u e n c yc h a r a c t c r i s t i cc u r v e 8 稠2 1 6 相频待畦曲线 f 迦。冬1 6p h a s e * 蜘驴e n 斜曲毅a 砖s 垃ce 珏r v 髓 2 0 第三章蠼毪式磁毫速凄黉爨嚣瓣筵低频藏嫡扩展醅窕 群3 一l l 逸援式频率特槛；h 囊擐理实现霹 裁鬈3 一ll1 麓ec i 燃主t 舔獬o f 沁q u e n c y - s e | e 嘲矗鼢q u 髓c y 曲矗f 蓬c 潋焱量ce o 玳p e 珏强蛀o n 由( 3 2 9 ) ( 3 3 1 ) 式，可褥潮3 一l l 有源选频补偿网络豹传递函数分别为 型矗上5 ： 2 器。刀匦墨墨蠹 s 。， 毽毯+ 穗琏g 霆5 墨毪q 她土j l 啪2 器。霖匾生笺赶 s 。， 民焉+ 致r c lb 蜀r q g 避。上。二! 酮2 器。再遗曩兰筻兰 s t ， r焉十致墨c 1 恐冗1 r q q 比较( 3 2 6 ) ( 3 2 8 ) 和式( 3 3 2 ) ( 3 3 4 ) 有 强= 2 壤= 2 毒：上曼垫上：怪数生选j l “q携置c 1 民羁g 毛恐+ 懿 当t 。c 2 = c ，墨= 墨，壤= 民时就有 2 毒；0 焉7 冀 令r 2 ，焉= 2 ，得恐= 2 r ；2 曰，代入式( 3 3 5 ) 得 。茜2 刃蓊石 3 3 5 ； ( 3 3 6 ) ( 3 3 7 ) ( 3 3 8 ) 工一 蓐 x 第二章绝霹援旗测量辩接惑嚣 巍耀调制嚣 j ，夕矿黔蕾。m 卜输 ?；二= 一p 滏铲= 一# 卜卜t j 嘤2 一1 7 双党蟹“准装路”方汝 辑g 。玉1 7d n a lf i 雠q u 觞i s ”o 埘c a lp a t hc 锄p e n s a d i l gm e m o d 来蠡蠢一免源熬笼信弩遥遗￥鍪1 分潞器嚣，澄两条毙路避行佟输，瑟光纤一起成 缆，除测量光纤臂上加设了调制器外，其余条传和历处的环境温度都相同。予是弧 探测器所接收到的光信号可分别表示为 曩( ，? ) = 毛邋e x p ，( 一疆) 鹕黏，d ( 2 6 3 ) 乏瞧? ) = 是( f ) 墨e x p ：( 一臻) 鑫氇r ) ( 2 5 4 ) 其啦髟( r ) 代表光纡本征损糕系数；e x p p 囊t 代表毙纤盼弯藏损耗；i 代表 光纤的第f 个弯曲处的曲率半径；s ( f ，r ) 光电探测器的探测灵敏度。取蹰式相除， 有 ，是t 式f ，= ；菩j ：i ；! 耋耋三l i i ；i ；：篆器 e 。一s s ， 当滚足准装路条嵇释，涯戳蟪宥 墨(