10 第十章 传感器

第十章传感器 振动理论与测试技术88学时讲课教师殷祥超 中国矿业大学力学与建筑工程学院力学与工程科学系二 一 年八月 基本测试系统 第十章传感器 传感器 按照信号和振动量之间的关系分类 位移传感器 速度传感器 加速度传感器 力传感器 按照传感器的机电转换原理分类 发电式 参数式 电动式 压电式 磁电式等 电阻式 电感式 电容式 涡流式等 本章介绍振动测试中几种常用的传感器 10 1压电加速度传感器 某些晶体在受到一定方向的外力作用或承受变形时 它的晶面或极化面上将产生电荷 这种现象称为晶体的压电效应 晶体受力产生的电荷 库仑 c d压电常数 c N 中心压缩式 剪切式 1 上盖 2 弹簧 3 质量块 4 基座 5 插座 6 压电晶体片 7 导电片 8 螺栓 10 1压电加速度传感器 某些晶体在受到一定方向的外力作用或承受变形时 它的晶面或极化面上将产生电荷 这种现象称为晶体的压电效应 晶体受力产生的电荷 库仑 c d压电常数 c N 剪切式 中心压缩式 传感器振动系统的固有频率为 即 设 则 传感器的力学模型 传感器的固有频率 传感器的阻尼比 振动物体运动位移的幅值 振动物体的加速度 加速度幅值 与u反相 当 成正比 相位差 压电晶体片的受力 压电元件的输出电荷量 压电元件的输出电荷量 当 有 常数 压电加速度计的电荷输出幅值Q与被测振动物体的加速度幅值A成正比 传感器的固有频率 传感器的灵敏度 电荷灵敏度Sq 电压灵敏度Se 与电荷放大器配接 与电压放大器配接 压电元件两极面之间的开路电压 压电元件两极面间形成的电容的电容量 传感器的幅频特性曲线 传感器的共振峰 传感器的固有频率 传感器的使用频率范围上限受曲线表示的共振峰频率限制 即受传感器振动系统的固有频率限制 传感器的使用频率下限受其测量电路参数的限制 取决于所配接的放大器的低频特性及输入阻抗 加速度传感器的安装方式及其频率响应曲线 1 钢柱螺栓连接法 安装频率高 2 绝缘螺栓加云母垫片 3 磁座安装 改变测点容易 4 粘接剂加粘接螺栓 高频响应差 5 薄蜡粘结 6 手持探针 测量频率低 压电式力传感器 晶体片刚度 壳体的刚度 压电晶体片所受的力 力传感器所受的外力 当 压电晶体片所受的力与外力成正比 10 2电动式速度传感器 一 电动式传感器的原理 永久磁体 运动线圈 感应电动势 B空气隙内的磁通密度 L磁场内导线的有效长度 V线圈与磁力线的相对切割速度 常数 传感器的输出电压和导线与磁力线的相对运动速度成正比 称为电动式速度传感器 二 惯性式速度传感器 1 弹簧片2 磁钢3 阻尼环4 铝隔磁套 5 芯轴6 壳体7 工作线圈8 接线座 测量的是绝对振动速度 测量频率范围 几赫兹到 千赫兹之间 一般用于较大物体的振动测量 三 相对式电动传感器 1 顶杆 2 限幅块 3 拱形簧片 4 连接杆 5 磁钢 6 线圈 7 引出线 8 外壳 线圈内的输出电压同两物体相对振动速度成正比 若外壳固定 可以测量被测物体的绝对振动 相对式电动传感器适用于测量两个相对运动物体的振动量 测量频率范围 电动式传感器与激振器 电动式传感器与激振器 电动式传感器的特点 传感器的灵敏度较高 在几百赫兹以下的频率范围内有较大的电压输出 线圈的阻抗较低 对测量仪器的输入阻抗及连接电缆长度要求不高 10 3涡流式位移传感器 非接触式传感器 高频交变磁场 与方向相反 涡流式传感器的等效电路 传感器线圈电阻R 电感L 无涡流时的复阻抗为 互感系数 高频励磁情况下 传感器的等效阻抗 谐振频率 被测导体涡流与损耗等效电阻 涡流等效电感 耦合系数 交变励磁电流频率 角频率 非接触式涡流传感器的特点 结构简单 测量动态范围大 不受油污等介质的影响 抗干扰能力强 可测振幅范围为几十微米到几毫米 频率范围为 0 Hz 适用旋转轴的径向和轴向振动测量以及小型试件的振动测量 若同时采取多个传感器进行测量 还可以测出旋转轴的振型 10 4电阻应变式传感器 应变片的构造 金属丝的电阻应变效应 电阻值随变形发生变化 线性区 灵敏系数 金属丝电阻变化率对应变的灵敏系数 在塑性区 丝栅式应变片 标距 0 2mm 200mm 短接式应变片 箔式应变片 的金属箔片 光刻腐蚀工艺 箔式应变片的优点 1 尺寸精确 线条均匀 灵敏系数 电阻值离散小 2 横向效应小 粘结面积大 粘贴牢固 散热性好 3 光刻腐蚀可制成各种应变花及小标距应变片 4 耐潮湿 绝缘性好 蠕变及机械滞后小 5 便于成批生产 质量好 成品率高 应变测量系统框图 应变片 数字式静态应变仪 动态应变仪 示波器 光线振子示波器 毫伏表 磁带记录仪 X Y记录仪 电阻应变测量技术的优点 1 应