振动测试2-2讲解

1、第第2讲讲 振动传感器测量系统振动传感器测量系统 原理及其应用技术原理及其应用技术 振动传感器测量系统原理及其应用技术振动传感器测量系统原理及其应用技术 1. 振动测试框图及其测量方法振动测试框图及其测量方法 1.1 振动测试系统及设备框图 被测结构 激励系统 测量系统（激励和响应） 分析系统 1.2 振动测试方法的历史（1） 1.2 振动测试方法的历史（2） 1.2 振动测试方法的历史（3） 读数显微镜读数显微镜 JC4-10（JC-100） 1.仪器放大倍数：40 x 2.目镜放大倍数：20 x 3.物镜放大倍数：2x 4.分划板格值：0.5毫米 5.分划板刻度范围：4毫米 6.测量范围：

2、2毫米 7.测微鼓轮最小读数值：0.005毫米 8.仪器重量：0.4公斤 上海宙山精密光学仪器有限公司上海宙山精密光学仪器有限公司 电脑精密测量显微镜107JPC ZYM-500V视频测量显微镜 1.2 振动测试方法的历史（4） 1.2 振动测试方法的历史（5） 1.2 振动测试方法的历史（6） 光学方法光学方法迈克尔逊干涉仪迈克尔逊干涉仪 是l883年美国物理学家迈克尔逊（A. A. Michelson）和莫 雷（E. W. Morley）合作，为研究“以太漂移实验而设计 制造出来的精密光学仪器。用它可以高度准确地测定微 小长度、光的波长、透明体的折射率等。后人利用该仪 器的原理，研究出了多

3、种专用干涉仪，这些干涉仪在近 代物理和近代计量技术中被广泛应用。 1.2 振动测试方法的历史（7） 1.2 振动测试方法的历史（8） 光纤技术/光纤传感器 5D/6D标准型： 1.线性：0.5ppm 2.测量范围：40米（1D可选80米） 3.偏摆角和俯仰角的精度：（1.0+0.1/m）角秒或1%显示较大值 4.最大范围：800角秒 5.滚动角精度：1.0角秒 6.直线度精度：（1.0+0.2/m）um或1%显示较大值 7.最大范围：500um 8.垂直度精度：1角秒 API三维激光干涉仪 FBGS系列应变传感器 分辨率高（0.01%FS） 、范围宽（300m 20mm）、工作温度范 围宽、不

4、受电磁干扰、 耐腐蚀、抗冲击振动、 抗疲劳、使用寿命长。 可用于岩土工程的变形 、位置相对移动的测量 ，也可用于病害工程的 裂缝监测 分辨率高（1）、范围宽 （3000）、不受电磁 干扰、耐腐蚀、抗冲击振动 、抗疲劳、寿命长。分为表 面式、埋入式等多种封装结 构，也可以做为敏感元件直 接埋设到智能材料 FBGS系列位移传感器 光纤位移传感器光纤位移传感器测量物体表面形貌、测量物体表面形貌、粗糙度粗糙度 1.2 振动测试方法的历史（9） HP公司生产的加速度信号测量传感器芯片 测试技术，现阶段是向多功能、集成化、智能化发展， 进行快变参数和动态测量，是自动化过程控制系统中的重要 一环，其主要支柱

5、是微电子与计算机技术。传感器与微计算 机结合，产生了智能传感器。它能自动选择量程和增益，自 动校准与实时校准，进行非线性校正、漂移等误差补偿和复 杂的计算处理，完成自动故障监控和过载保护等。 1.3 振动测试方法 相对式惯性式 测量范围：0.0115mm0.0120mm 频率范围：0330Hz2330Hz 供电电源：无无 体积：大大 灵敏度：低低 价格：便宜 测试环境：无电磁干扰、但须考虑温度、安装及腐蚀问题 例：手持式振动仪、测振表盖格尔振动仪 l机械法：杠杆（相对相对 式式接触式）或惯性原 理（绝对式绝对式接触式） 接收并记录振动的方 法。 1.3 振动测试方法 l光测法：将机 械振动转换

6、为 光信息进行测 量的方法。 l电测法：机电 变换原理。 （重点） 光测法电测法 测量范围：1/4 波长或更低m宽（大、中、小量程均有） 频率范围：中低频宽（大、中、小量程均有） 可选传感器：较少规格型号多 电源或光源：激光或其它光源需要 体积：大中、小（Kistler 公司 1mm 注塑监控用力传感器） 灵敏度：高光波长（如1 微米）高、中、低均有 价格：贵高、中、低档均有 测试环境：要求隔振、现场测量较困 难、不接触式、温度及腐 蚀要求低 接触式、需考虑温度、湿 度、腐蚀及电磁干扰等影 响 例：读数显微镜 激光干涉仪（麦克尔逊干 涉条纹） 激光散斑法（ESPI 电子 散斑） 高速摄影法 伺

7、服式加速度计 压电式加速度计 惯性式速度计 角位移计 传 感 器 生 产 商： 丹麦 B l测量电路简单。 6.3 相对式速度传感器 须将顶杆预压在被测物体上，同时将传感器外壳 固定在选定的参考基座上，理论上要求基座完全静止 不动，则顶杆相对于基座振动vb的速度vr与被测物体 振动vo的速度相同。 Bl v u S r t 当基座振动很小时，vb 0， 传感器的输出电压 与被测 物体振动的速度成正比。 传感器的灵敏度定义为 6.4 惯性式速度传感器 机械接收部分：Blixmfxmkxxcxm eterrr 机电变换部分： rrttt xBlBlvuiRR t i L)( d d 0 耦合方程。

8、稳态简谐情况下，测量电路输入端c、d获得的电压为 j 00e t uU 0 0 0 j r tt R UBlV RRL t RR 0t LR 0 r BlVU 0 灵敏度灵敏度 S 由于位移计型惯性接收关系为 2 j 2e r e V D V 所以传感器相应的复数灵敏度为 2 j 0 2 r ee UBlV SBlD e VV 传感器的工作频段在其固有频率之上, 1 2 D 系统的名义速度灵敏度为 BlSS| r BlVU 0 电涡流阻尼电涡流阻尼 0 R xBl i r t L 当不考虑 代入机械接收方程，得 errr xmkxxcxm 0 22 R lB cc 即反馈电流相当于增加了系统的

9、阻尼。 R0当很大时， cc 6.5 惯性式传感器的阻尼和相移 l传感器的工作区在其 固有频率之上，在固 有频率附近相移很明 显，必须进行修正。 l阻尼比在最佳阻尼比 0.50.7之间时， D21,可拓宽传感器 的使用下限频率。 012345678 0 30 60 90 120 150 180 =0.1 =0.2 =0.5 =0.7 =0.9 2 02468 0 1 2 3 4 5 =0.1 =0.2 =0.5 =0.7 =0.9 D2 6.5.1 相移 2 2 2 arctan 1 2 0 2 D180- 2 21.00741 31.010126 65. 0 6.5.2 引入阻尼的方法 电涡

10、流引起作用于环上的电磁力 为与速度成正比的线性阻尼力 沿环周向感应电动势 e=Blvr，短路环电阻R=l/A= 2r/A，A为短路环在磁隙 中的截面积， r t lAvB Blif 2 方向恒与 的方向相反，因此为电 涡流阻力，其阻力系数 lAB v f c r t t 2 l可采用油阻尼、电涡流阻尼来增大传感器的阻尼； l油阻尼依靠油的粘度，但粘度对温度敏感，所以阻尼不稳定； l电涡流阻尼可采用短路环实现，即在传感器动圈架上紧箍 （安装）一个电阻系数极低的小环，例如电解铜。 6.6 传感器举例 6.6.1 摆式结构的惯性式速度传感器摆式结构的惯性式速度传感器 一般速度传感器如CD-1型惯性式

11、速度传感器固有频率约为10 12Hz。CD-7摆式结构的惯性式速度传感器。固有频率可达1Hz。 6.6.2 XZ-4型惯性式速度传感器型惯性式速度传感器 速度灵敏度：20mV/mms-1 频率范围：101000Hz(10Hz幅值下降15%，1000Hz下降10%) 幅值线性度：3% 相移特性：各传感器在高于15Hz时相移不一致性5 动态范围： 位移为0.1m2000m；速度为0.1300mm/s；最大加速度为 10g 固有频率：10Hz0.5Hz 阻尼比：电涡流阻尼0.550.65 测量方向：0100（以铅垂方向为0） 工作温度：-12C100C 质量：0.32kg 外形尺寸：4187mm 振

12、动传感器测量系统原理及其应用技术振动传感器测量系统原理及其应用技术 7. 压电式力传感器及加速度传感器原理压电式力传感器及加速度传感器原理 7.1 原理 l石英、压电陶瓷、酒石酸钾钠、钛酸钡 等多晶体材料在受力变形时晶格发生变 化，表面产生自由电荷的现象称为压电 效应。这种机电变换的反变换可用于制 造小振动量的高频激振器。 l当 力 施 加 在 压 电 材 料 的 极 化 方 向 （Direction of polarization）使其发生轴 向变形时，与极化方向垂直的表面产生 与施加的力成正比的电荷，导致输出端 的电势差（电压）。这种方式为正压电 效应，也称为压缩效应。 l当 力 施 加

13、在 压 电 材 料 的 极 化 方 向 （Direction of polarization）使其发生剪 切变形时，与极化方向平行的表面产生 与施加的力成正比的电荷，导致输出端 的电势差（电压）。这种方式为剪切压 电效应。 剪切压电效应 (B&K BA 7675-12, 1998) 正压电效应 7.2 压电传感器类型 l压缩式传感器（Compression Type Design） l剪切式传感器（Shear Type Design） B&K BA 7675-12, 1998 7.2 压电传感器类型 l压缩式设计的传感器一般采用中心压缩式(Centre-mounted Compression)

14、设计方式，将压电元件-弹簧-惯性质量(Piezoelectric element-spring-mass)系统通过圆柱安装在传感器底座上，底座因 环境因素变形或安装表面不平整等因素引起底座的变形都将导致 传感器的电荷输出。构造简单，性能稳定，有较高的灵敏度/质 量比，目前主要用于高冲击值和特殊用途的测量中。 l剪切式设计（Shear Type Design）的传感器其底座变形不会使压 电元件产生剪切变形，在与极化方向平行的极板上不会产生电荷， 因此它对温度突变、底座变形等环境因素很不敏感，性能稳定， 灵敏度/质量比高，可用来设计非常小型的传感器，是目前主流 传感器设计的方式。目前有多种设计形式

15、，以丹麦B&K公司的产 品为例，目前可提供的剪切式传感器类型有：三角剪切式 (DeltaShear)、平面剪切式(Planar Shear)、环形剪切式(Annular Shear)、Theta剪切式(ThetaShear)、正交剪切式(OrthoShear)（三 轴）。 7.3 横向灵敏度（Transverse Sensitivity） 传感器的主灵敏度方向一般垂直于其底座，但受到与轴向垂直的横 向振动时，传感器同样会有信号输出，传感器对横向振动的敏感性称为 横向灵敏度。 横向灵敏度随振动方位角的不同而变化，呈8字型分布。最坏的情 况通常小于主轴灵敏度的4%。 一般传感器生产厂商习惯上在最小

16、横向灵敏度方向上用一个红色圆 点标记在传感器上或在传感器标定表（Calibration Chart）上用一个角度 表示。通常定义最大横向灵敏度方向的方位角=0 ，则横向灵敏度最小 的方向方位角为90。 传感器横向灵敏度通常用 横向灵敏度比来表示： max (0 ) tan qt qz TSRTSR S S 横向灵敏度 轴向灵敏度 )cos()0()( TSRTSR 7.4 影响传感器使用的环境因素 环境因素主要有： 底座变形(Base Strain) 潮湿(Humidity) 声学噪音 (Acoustic Noise) 腐蚀物质 (Corrosive Substance) 磁场(Magneti

17、c Fields) 核辐射(Nuclear Radiation) 热冲击(Influence of Temprerature Transient) B&K BA 7675-12, 1998 7.4 影响传感器使用的环境因素 l底座变形。应采用剪切式设计的传感器。 l潮湿。传感器已经经过封装，一般的潮湿、灰尘等对传感器的使用 不会造成影响，但传感器的接头部分要进行严密的防潮处理，例如 可采用硅橡胶进行隔离。 l声学噪音。除非声场很强，否则一般认为可忽略。 l腐蚀物质。现代传感器一般均采用能够防止多种腐蚀物质的特殊材 料进行封装。 l磁场。压电传感器的磁灵敏度很低，一般为0.5-30ms-2/Te

18、sla，因此在 一般情况下，可忽略不计。 l核辐射。大多数压电式传感器在100kRad/h的射线下，累积剂量至 100Mrad，特性基本保持不变。高温加速度计（400度）甚至可累积 剂量至1000Mrad。 l热冲击。温度瞬变（快速波动）可导致加速度计的电荷输出，但这 种效应在三角剪切式设计的加速度计中已经得到很好的抑制。压电 材料因温度瞬变引起的电荷分布在与极化方向垂直的表面上，因此 不与输出电极（与极化方向平行）相连，不被检测，不输出。 7.5加速度计的选择：通用型或小型加速度计的选择：通用型或小型 根据可用的频率范围选择根据可用的频率范围选择 一般加速度计可使用的频率范围是一般加速度计可

19、使用的频率范围是0Hz至其共振频率的至其共振频率的1/3处，这样可保证测量误差小处，这样可保证测量误差小 于于12%或或1dB。如将上限频率设定在如将上限频率设定在0.3倍安装共振频率之下，则可保证倍安装共振频率之下，则可保证10%的测量误差。的测量误差。 受测量放大器的影响，受测量放大器的影响， 加速度计一般无法在很低加速度计一般无法在很低 频率下保持测量系统的灵频率下保持测量系统的灵 敏度不变，因此加速度计敏度不变，因此加速度计 及其配套电荷或电压放大及其配套电荷或电压放大 器组成的测量系统一般均器组成的测量系统一般均 标有使用频率下限。标有使用频率下限。 根据灵敏度和频率范围选择根据灵敏

20、度和频率范围选择 灵敏度和频率范围通常是相关的：加速度计越大，灵敏度越灵敏度和频率范围通常是相关的：加速度计越大，灵敏度越 高，使用频率范围越低；反之亦然。高，使用频率范围越低；反之亦然。 高精度型：体积较大，使用频率 较低，灵敏度很高，适合于微小 振级的测量，如大地脉动 中型：通用型 小型：体积小， 使用频率很高， 灵敏度较低， 适合于进行较 大振级，如冲 击等的测量 特殊加速度计的选取特殊加速度计的选取 7.6 加速度计使用中的主要问题加速度计使用中的主要问题 虽然大多数加速度计能够耐受数千g的加速度值，但实际上，如操 作不当，要达到这个值并不难：加速度计掉在一个硬地面或部分打在 机器上都

21、可能产生数千个g的冲击加速度。这会导致加速度计灵敏度的 改变甚至导致加速度计的损坏。 须重新进行校核和标定须重新进行校核和标定 后才能继续使用后才能继续使用 摩擦（静电）噪声摩擦（静电）噪声 加速度计使用中的运动可导致电缆内芯和绝缘层分离产生屏蔽。在可导屏蔽和非可导加速度计使用中的运动可导致电缆内芯和绝缘层分离产生屏蔽。在可导屏蔽和非可导 绝缘层之间会形成一个变化的电场，导致屏蔽层上的微电流流动，并附加至加速度信号中绝缘层之间会形成一个变化的电场，导致屏蔽层上的微电流流动，并附加至加速度信号中 形成噪音。形成噪音。 灵敏度校核灵敏度校核 地回路问题及其解决方法：单端接地与浮动输入地回路问题及其

22、解决方法：单端接地与浮动输入 单端接地浮动输入 浮动输入包含被转换为 共模电压信号的地回路 电流。 多个加速度计系统中， 浮动输入对地回路信号 （共模）的抑制比单端 接地好50dB。 多个传感器同时接地时，如各 接地点电势不同或有磁场存在， 都将导致地回路电流，成为振 动测量的噪音。 解决方法是采用： 电隔离安装； 采用压电材料与外壳隔离的 加速度计，即采用差动输出 的传感器。 7.7 电荷放大器 l由于压电常数很小，压电陶瓷一般为10-10C/N，天然石英 一般为10-12C/N。因此，压电晶体片上产生的电荷很少， 需进行放大以便检测。放大的方式有两种：电压放大和电 荷放大。由于电压放大电容

23、受信号线长度变化的影响较大， 而电荷放大方式是高阻抗放大器，电荷可在很大范围内基 本不受信号线长度的影响，因此目前的放大器更多采用电 荷放大方式，虽然有许多设备上仍然保留电压放大的功能。 l由于放大电路中的电容不可能不产生电荷泄漏，因此电荷 放大器的屏蔽性能决定了它的使用频率下限。理论上可以 无限接近0Hz（静态），但实际上采用电荷放大器的力或 加速度传感器测量系统均不具备零频特性。 l两近年来出现内置于传感器的低阻抗IC放大电路，这种结 构的传感器称为ICP传感器，体积小、质量轻、使用方便。 但如果要获得高精度的放大测量效果，特别用于进行超低 振动的测量时，外置式电荷放大器仍然时首选。 电荷

24、放大器类型的选择电荷放大器类型的选择 原则上，电压放大器和电 荷放大器均可用于阻抗变 换。 当使用电压放大器时，测 量系统的灵敏度随信号电 缆的长度发生显著的变化。 在一定长度范围内采用电 荷放大器，测量系统的灵 敏度则不受其影响。 顶接式和内装式加 速度计前置放大器 振动传感器测量系统原理及其应用技术振动传感器测量系统原理及其应用技术 8. 电涡流位移计电涡流位移计 8.1 不接触相对式机械接收传感器 l最常用的是电涡流位移计：线性度好，使用频率宽 （DC10kHz），灵敏度不随间隙变化。 l电容式位移计。 l电感式位移计。 8.2 电涡流位移计机电变换原理 i c U R Z U | 0

25、)( 00 dUU 间隙电压曲线 8.3 电涡流位移计电压灵敏度 d U S 0 (V/mm)或(mV/m) 一般传感器S=4V/mm或8V/mm； 铝材S =12.8V/mm，铜材S =13.9V/mm； 一般灵敏度越高，电涡流探头直径越大，线性范围越宽，约 为探头直径的1/2。 8.4 前置器 前置器是电涡流传感器的测量放大电路，采用调 频方式进行动态信号的检测，载波频率一般为石英晶 振器产生的1MHz 2MHz的高频正弦波。 8.5 使用技术 l导体厚度至少0.2mm（电涡流深度为0.1mm）； l传感器头部与非测试表面的间距应大于探头直径，防 止磁泄漏； l须标定材料的电压灵敏度； l

26、被测物检测表面不能是多连通或不连通的区域，以保 证能够形成电涡流回路； l如果被测物体表面为非导体，则应在检测表面粘贴厚 度0.2mm的均匀导体片。 8.6应用应用 案例：案例： 连续油管的椭圆度测量连续油管的椭圆度测量 Coiled Tube Eddy Sensor Reference Circle 原理：原理： 应用应用 案例：案例： 无损探伤无损探伤 原理 裂纹检测，缺陷造成涡流变化。 火车轮检测火车轮检测 油管检测油管检测 应用应用 案例：案例： 测厚测厚 案例：案例： 零件计数零件计数 用涡流传感器 测量铜、铝、锌 、锡等基体上的 珐琅、橡胶、油 漆、塑料层等。 振动传感器测量系统原

27、理及其应用技术振动传感器测量系统原理及其应用技术 9. 电容式传感器电容式传感器 9.1 变换原理变换原理: 将被测量的变化转化为电容量变化将被测量的变化转化为电容量变化 两平行极板组成的电容器两平行极板组成的电容器, ,它的电容量为它的电容量为 A C 0 + + + A 当被测量当被测量、S或或发生变化时，都会引起电容的变化。发生变化时，都会引起电容的变化。 如果保持其中的两个参数不变，而仅改变另一个参数，如果保持其中的两个参数不变，而仅改变另一个参数， 就可把该参数的变化变换为单一电容量的变化。就可把该参数的变化变换为单一电容量的变化。 9. 电容式传感器电容式传感器 (1) (1) 极

28、距变化型。极距变化型。 + + + (3) (3) 介质变化型。介质变化型。 A C 0 (2)(2)面积变化型面积变化型: :角位移型角位移型, ,平面线位移型平面线位移型, ,柱面线位移型。柱面线位移型。 + + + + + + 9.2 分类分类 + + + A C 0 C 0 2 dd A C 0 2 d d AC S 灵敏度灵敏度 C 极距变化型极距变化型电容式传感器电容式传感器 A C 0 + + + + + + CA 0 ddCA 灵敏度灵敏度 0 d d C S A A C 面积变化型面积变化型电容式传感器电容式传感器 角位移型角位移型, ,平面线位移型平面线位移型, ,柱面线位

29、移型柱面线位移型 A C 0 C 0 dd A C 灵敏度灵敏度 0 d d AC S C 介质变化型介质变化型电容式传感器电容式传感器 案例：案例：电容传声器电容传声器 案例案例: :液面高度测量液面高度测量 电容式传感器应用电容式传感器应用 振动传感器测量系统原理及其应用技术振动传感器测量系统原理及其应用技术 10. 薄膜网格式压力传感器薄膜网格式压力传感器 薄膜网格式传感器结构薄膜网格式传感器结构 基体 导线 压敏材料 敏感区 由两片很薄的柔软的聚酯薄片组成，上面涂有电子线 路图。典型传感器结构为一个薄片的内表面铺设若干行的 带状导体，另一薄片的内表面铺设若干列的带状导体。导 体的行距和

30、列距可以根据传感器的不同用途而变化，小到 约0.5毫米，或依据不同要求而增大。 检测电路检测电路 发动机气缸密封圈及其装配和燃烧过程动态压力测试 发动机气缸密封圈装配和燃烧 过程动态压力二维和三维显示 结构及动态压力测试系统 （0.1mm厚的Tekscan点阵 传感器） 振动传感器测量系统原理及其应用技术振动传感器测量系统原理及其应用技术 11. 智能传感器（智能传感器（Smart Sensor） Introduction to Smart Sensor l90年代开始出现智能传感器的概念和相应的产品。 l是在现有传感器的基础上，增加用于采集系统自动识 别传感器信息的电子线路，其机电变换不变，

31、本质上 不能算是新的传感器类型。 l优点： l采集系统能够自动识别接入的传感器，自动获取 各传感器的型号、序列号、灵敏度等信息； l试验人员不仅无需对传感器输出线及采集系统通 道进行编号，而且可以节省大量人工设置和记录 的工作； l并保证设置与记录的正确性； l对于大型、多测点试验有重要意义。 IEEE 1451 l美国电气工程师协会组织制定了智能传感器标准 IEEE1451，它由4个标准构成，即IEEEP1451.1, P1451.2,P1451.3,P1451.4。 l它是智能传感器的一个开放的、公共的及网络无关的 通讯标准，规定了采用不同总线标准的传感器和处理 器间的公共通讯标准界面。 l能够不考虑不同传感器制造商和网络提供商的限制， 将模拟传感器和作动器与现行数字网络连接。 IEEE P1451 lIEEEP1451.1定义了网络界面，允许网络界面、测量和控 制功能和