《传感器与检测技术项目教程》教案 7检测教案振动检测

模块七、振动检测授课教案

课程名称：检测技术班级:|性质：考试课|授课人:

课题：模块七、振动检测课时安排：3课次编号：10、11

难点：电荷放大器的使用。

重点：压电传感器的应用。

教学目的和要求1.讲清什么是振动？

2.讲解各种振动参数的换算。

3.介绍压电效应及压电元件。

4.重点介绍电荷放大器。

5.重点介绍电荷放大器的使用。

6.简要电涡流效应。

7.重点介绍电涡流传感器直径及频率的选取,

8.简要介绍电涡流传感器的应用电路及应用,

9.简要介绍磁电式传感器测量振动。

10.简要介绍常用激振器及使用。

11.重点介绍时域图的读图。

12.简要介绍频域图的读图

讲授、课堂互动、分析、教具：各种压电传

采用教学方法和实施步骤:

实训I感器、涡流传感器

各

一、振动的分类

教

简谐振动

学

（振动波形为

环单一正弦波）

节周期振动

周期振动

和（振动波形为多个

()

内异频正弦波的叠加）

确定性

容准周期振动

振动

（信号经过处理,

可以转换为

周期振动）

非周期振动

过度性振动

机械振动（单发的

一次性振动）

窄频带随机振动

（受频带限制

平稔的随机振动）

随机振动

随机振动宽频带随机噪声

（白啖声）

不平稳

随机振动'•卅

图7-1机械振动分类及波形

表7」机械振动的分类与特征

分类名称特征

是系统受短标的初始干扰或外部激振后，系统本身由弹性恢复力

和惯性力所维持的振动。当系统无阻尼时.，振动幅度为恒值，振动

自由振动

频率为系统的固行频率；当系统存在阻尼时，其振动幅度将逐渐哀

按振动产生减

的原因分类受迫振动由外界持续干扰引起和维持的振动，系统的振动频率为激振频率

是在一定条件卜.，没有外部激振力而仅由系统本身产生的交变力

自激振动激发和维持的一种稔定的周期性振动，其振动频率接近于系统的固

有频率

振动星为时间的正弦或汆弦函数，是最基本的机械振动形式，其

简谐振动

他复杂的振动都可以看成多个筒谐振动的合成

按振动的规周期振动振动量为时间的周期性函数，可展开为一系列简谐振动

律分类振动量为时间的非周期函数，一般在较短（几个周期）的时间内

瞬态振动

存在，是可用各种脉冲函数或衰减函数描述的振动。

随机振动振动量不是时间的确定函数，只能用概率统计的方法来研究

单自由度系

用一个独立变量就能表示的系统振动

按系统的自统振动

由度分类多自由度系

须用多个独立变量表示的系统振动

统振动

按系统结构可以用常系数线性微分方程来描述，系统的惯性力、阻尼力和弹

线性振动

参数的特性分性力分别与振动加速度、速度和位移成正比

类非线怛振动须用非线性微分方程来描述，微分方程中出现非线性项

/WlOHz的振动，旋转机件的不平衡、机械变形等与位移成正比，

低频振动

主要利用位移传感器来测量

按振动的lOHzV/W1000Hz的振动，振动噪声与速度成正比，主要利用速

中频振动

频率分类度传感器来测量

/>1000Hz的振动，振动冲击力及人体感觉与加速度成正比，主

局频振动

要利用加速度传感器来测量

横向振动振动体上的质点在垂直于轴线的方向产生位移的振动

按振动位移的

纵向振动振动体的质点沿轴线方向产生位移的振动

特征分类

摆振动振动体上的质点在平衡位置附近做弧线运动的振动

二、振动的描述与计算

振幅是物体离开平衡位置的最大位移的绝对值，用。表示，单位是m（机械设备

的振幅用mm或岬表示）。振幅的量值可以表示为峰峰值（为印）、单峰值（即）、有效

值（即ms）或平均值（不叩或天）。峰峰值是整个振动历程的正峰与负峰之间的差值，在

振动位移测量中较为常用；单峰值是正峰或负峰的最大值：有效值是振幅的均方根值。

简谐振动时，单峰值等于峰峰值的1/2,也可以表达为：而=1-与1=xm=lA-pp；有效值x

2

等于单峰值的0.707；平均值元等于单峰值的0.637。

提问：有一个简谐振动，平均值是6.37mm,叵峰值和峰峰值各是多少亳米？

1.简谐振动位移、速度、加速度的换算

简谐振动的物理量遵从式（7-1）至式（7-3）所示的运动方程。将式（7-1）对时间

/求导，可得振动速度；将速度对时间，求导（或对位移进行二次求导），可得振动加速

度。简谐振动的位移、速度、加速度随时间的变化曲线如图7-2所示。

X=XmCOS（ft）/+9）（7-1）

V=dXnJd/=-SXmSin(S/+3)=UniCOS(S/+9+7t/2)(7-2)

67=d2Xm/dr=dv/d/=-C02XmCOS((y/+^)=«mCOS((V/+^+7C)(7-3)

式中Xm---振幅(in)；

co---振动角频率(rad/s,Q)=2时)；

(P----初相角(rad)；

Vrn----速度幅值(m/s,Vm=09Xp)；

«m----加速度幅值(m/s2,OniAip)。

也可将简谐振动的加速度4对时间积分，得到振动的速度也再将振动速度I，对时

间积分(或将加速度，对时间双重积分)，可得振动的位移X。

在振动测量中，振动加速度的单位除m/s2外，也常用重力加速度1g=9.81m/s2作为

计量单位。简谐振动的加速度幅值(单位为g)与位移幅值的关系为

22

〃m二口“与/9.81)=47ryAm/9.81^4fxm(7-4)

图7-2简谐振动的位移、速度、加速度变化曲线

例77弹簧振子的简谐振动如图7-3所示，弹簧振子在C、0、8间作无摩擦力、

无阻尼的简谐运动。。为平衡位置，C、8分别为负的和正的终止位置。已知从C的

距离为100mm,C-B运动的时间为Is,求：振动的周期八频率/和振幅Xm。

笄流振子终止位置

终止位置

平衡位置77-

。8

乐渐段<)抨伸,

-------©--------x

a

位移最大

O速收为零

相位向兀2L)受力为

鱼G大值

速慢最大

匚:兀

殳幺为零

速度为零、・'

受力为31t；2

负最大值C

・•:)正弦振动

■1,7一个完整周期

图7-3弹簧振子的简谐振动

解振动的周期7,等于弹簧振子从C~。一/3一。一。的过程所经历的时间，所以

7=2/08=2Xls=2s,f=1/7=1/(2s)=0.5Hz

振幅.Vin等于C一。的距离,或O—B的距离，所以xm=100mm/2=50min。

2.振动烈度与位移的换算

振动测量中，还经常涉及振动烈度。振动速度的有效值称为振动的烈度。简谐振动

的振幅峰峰值&P与振动烈度VF两者之间的关系见式(7-5)。振动烈度是以人可感觉到

的0.071mm/s为起点，到71mln/s,共15个量级，相邻两个烈度量级的比值约为的(相

差4dB)。

工=2A=2拒生=0.45"(7-5)

①f

地震震级每相差1.0级，能量相差大约30倍。

提问：每相差2.0级，能量相差约多少倍？

例7-2利用磁电速度传感器测得振动烈度PF=4mm/s,测得旋转机械的转速〃=3

OOOi/min(即3OOOrpm),假设旋转机械的振动只有与转速成正比的基频振动，求：旋

转机械的振幅峰峰值Xpp为多少微米？

解该旋转机械每旋转一圈振动一次时的基频

>/?/60=(3000/60)Hz=50Hz

〃=0.45—=0.454nlm/s_o036mm=36Rm

叩f50Hz

三、测振传感器的分类

表7・2测振传感器的种类及特点

测量对象与

种类基本测量原理特点

测量范围

压|工式振动体的加速度自发电式，现场不需要电源，上限频率响应高，体积小，

压电效应

则振专感器1Hz-50kHz不易损坏：标定困难

输出信号与振动位移成正比，非接触式测量，不耗响被测

涡流主电磁感应定振动体的位移；振动体，标定和校验比较容易；当测量振动物体材布和温度

测振传或器律与涡流效应0*10kHz不同时，然响传感器线性范围和灵敏度，需要重新机定；可

用于静态及动态测量

自发电式，现场不需电源，振动信号与振动速度就正比，

磁।良式电磁感应定振动体的速度；通过微分试枳分，可获得简谐振动的加速度值和位移值；体

则振专感器律0.1Hz-1kHz积大，线圈易损坏，输出电压的低频率响应应及高频率响应

应均不好；用于振动速度检测

光导;千维式光的全反射振动体的位移现场不靛耍电源，抗电磁干扰能力强：测量结果受多种因

则振专感器效应0.1Hz-10kHz素影响；可用于工业测量

$攵光多普勒式振动体的速度能够检测振幅106的微小变化：光路复杂，仪器小身不耐

多普勒效应

则振专感器O.lHz-lOkHz振动，需要放置在抗振动台面上；可用于标定其他测展仪

NEMS电容式变极距式电振动体的加速度体积小，集成度高，可同时测量三维振动：可用于汽车、

力1速博传感器容效应OHz-10kHz手机、火箭、卫星、钻地炸弹等测振

项目一测振传感器

【项目教学目标】

口知识目标

1)了解压电效应及压电元件。

2)掌握电荷放大器的工作原理。

3)了解涡流式测振传感器的工作原理。

4)了解磁电式测振传感器的工作原理。

杳技能目标

1）掌握压电式测振传感器的应用。

2）掌握振动设备的激振方法。

任务一压电式加速度传感器测量振动

—*、压电效应

某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，内部会产生极化现象，同时

在其表面上产生电荷，当外力去掉后，又重新回到不带电的状态，这种现象称为压电效

应。反之，在电介质的极化方向上施加交变电场或电压，它会产生机械变形。去掉外加

电场时，电介质变形随之消失，这种现象称为逆压电效应（电致伸缩效应工

提问：逆压电效应的现象有哪些？

二、压电材料的分类及特性

压电式加速度计中的压电元件材料一般有三类：一类是压电晶体（单晶体）：另一

类是经过极化处理的压电陶宽（多晶体）；第三类是高分子压电材料。

1）错钛酸铅系列压电陶瓷（PZT）；2）非铅系压电陶瓷：（3）高分子压电材料。

提问：上述几种的灵敏度和稳定性是怎样的？

1一压电传感器2—屏蔽电缆3—传输线分布电容4一电荷放大器

Sc—灵敏度选择开关SR一带宽选择开关

C/-Cf在放大揩输入端的密勒等效电容J”-C在放大器输出端的密勒等效电容

提问：1.图7-9中，压电元件直接接到运算放大器的两端，其本质上是属于电压输

入还是电流输入？

2.二极管VDi、VD?起什么作用？

3.第二级放大器中的Ci起什么作用？

4.第二级放大器中的RP起什么作用？

Q

u,一枚二(7-9)

°(l+A)Cr

3.反馈电容和反馈电阻的选取

提问：电荷放大器的反馈电容。小则获得的输出电压怎样？

电荷放大器的高频截止频率主要由运算放大器的电压上升率和电缆引线电容决定。

下限频率人由Rf与Cf的乘积决定：儿=1/（2九/?（7）.

表7-3YE5850A电荷放大器的主要技术指标

参数名称指标

最大输入电荷量/pc106

直流分流电阻/Q约I0,4

电荷灵敏度pC/in-s-21-100

准确度（％）±2

最大输出电压/V±10

输出电流/mA0〜±5

输出阻抗/QW10

响应频率/kHz0.001-30

噪声-V<30

电源/VAC220±5%,或DC25

环境温度/℃0~40(20~90%RH)

尺寸（宽X深X高）/mm132X70X20

重量/kg2.5

例7-3某压电元件用于测量振动，灵敏度加=100X10」2C/N,电荷放大流的反馈

电容CGOOOpF,R尸100MQ,测得图7-9中A］的输出电压a>=0.2V,求：

1）压电元件的输出电荷量。的有效值为多少皮库伦？

2）被测振动力F的有效值为多少牛顿？

3）电荷放大器的灵敏度K为多少mV/pC?

4）电荷放大器的下限截止频率为多少赫？

解1）压电元件的输出电荷量Q的有效值

C=Ct(/o=(1000X10-12X0.2;C=200pC

2)被测振动力〃的有效值

F：Q=200x1072c

,1（X）X10-,2C/N

3）电荷放大器的灵敏度

£=200nW=1

。Q200pC

4)电荷放大器的下限截止频率

II

=1.6Hz

A=6,2

2TIR(C(2X3.14X100X10X1000X10S

四、压电式加速度传感锯的结构及应用

1.压电式加速度传感器探头

a）原理图b）中心压缩式c）环形剪切式d）三角剪切型e）外形

1一基座2―引出电极3—压电晶片4-质量块5—弹簧6—壳体

7—固定螺孔8一天持环

提问：图7-10中的弹簧起什么作用？

2.压电式加速度传感器的组成

积分器峰值检波器或

有效值检波器

量程自动眄f模拟指示器

加速度计探头AC输出

—DC蝴出

校准信号

<—微处理器<-A-D转换器

发生器

射数字黑示器

被测

旋转机械振动体

电源<—DC18-28V

±12V内部电源V—

逆变器<—AC220V

压电式加速度传感器原理图

图7-12便携压电式加速度仪外形及显示的频谱图

1一量程选择开关Sc2—压电传感器输入信号插座3—多路选择开关4一带宽选择开关SR

5一带背光的点阵液晶频谱显示器6—电池盒7—可变角度支架

提问：1.图7-12中量程选择开关Sc所对应的负反馈电容G的数值越大，灵敏度就

怎样？

2.图7-12中带宽选择开关SR所对应的负反馈电容Rf的数值越大，下限频率就怎样？

3.图7-12中的液晶屏的横轴是时间还是频率？所显示的波形图是时域图还是频域

图？

4.图7-12中，若多路选择开关至于“0”的位置，液晶屏显示状态？如果仪表有记

忆功能，则液晶屏显示状态又是怎样的？

5.如果压电传感器的输出电缆插到3个压电传感器输入信号插座的最左端的插孔

里，则多路选择开关应置于什么位置（0/1/2/3）?

6.如果欲刷新液晶屏，则应按一下那个键（ON/R）?

【电荷放大器参数填表训练】

便携压电式加速度计面板如图7-12所示，压电探头的灵敏度^II=I00X

10』2C/N=100pC/N,开关SR置于100MC档位，九二1/（2兀修。力请填写下表。

输入动态力/N电荷量Q/pC开关Sc位置输出电压UJV下限截止频率力/Hz

lOOpF

11001OOOpF

0.01pF0.10.16

100100000.016

1000.01pF1

3.压电式加速度传感器的主要技术特性

（1）灵敏度K；（2）频率范围：（3）动态范围；（4）线性度；（5）横向灵敏度。

表7・4HK910LJ压电式加速度传感器的主要技术指标

参数名称指标

灵敏度35

最大横向灵敏度比（％）5

加速度测量范圉/g-100-+100

频率范围/Hz0.2-8000

安裟谐振频率/kHz28i螺栓固定）

输出电压（隔直后的峰峰值）/V10

电源/VDC15〜24(3~10mA)

自动断电/min1

环境范围/℃-10-50,<90%RH

外形尺寸（宽X深X高）/mm185X68X30

重量/g19

安装螺栓M5

4.压电式振动加速度传感器的安装、使用方法

图7/4压电式振动加速度传感器的安装、使用方法

a）双头螺灯固定法b）磁铁吸附法c）胶水粘结法d）手持探针式法

1一压电式加速度传感器2一双头螺钉3-磁铁4一粘结剂5一顶针

提问：1.图7-14中，c图（胶水粘结法）与a图（螺钉固定法）比较，哪种方法可

以测量较大的振动？为什么？

2.d图（手持法）比较简单，但有何弊端？适宜于何种场合的振动测量？

表7-5RION-VM-63A便携压电式加速度传感器的主要技术指标

参数名称指标

探头型式压电剪切式

加速度/m,s-20.1-199.9

速度/mms"0.1799.9

位移（峰峰值）/min0.001->1.999

准确度（%）±5,土2个字

加速度1~15

频率范围/kHz速度0.01-1

位移0.01-1

显示3%位，更新速度Is

满量程信号输;MvAC2

耳机负载阻抗/kC1

电源9V电池，连续工作时间25h

自动断电时间/min1

环境温度/匕-10-50(<90%RH)

尺寸（宽X深X高）/mm68X30X185

重量/g250

5.轴承振动检测

图7-15压电式加速度传感器检测轴承振动的安装示意图

A-轴承的轴向振动加速度传感器B-轴承的径向振动加速度传感器C-•壳体振动加速度传感器

提问：为什么需要3个振动探头？

任务二涡流式位移传感器测量振动

一、认识涡流效应与涡流线圈的阻抗

1.涡流效应

涡流式传感器的基本工作原理是涡流效应。根据法拉第电磁感应定律，金属导体置

于变化的磁场中时，导体表面以及近表面就会产生感应电流。电流的流线在金属体内自

行闭合，这种由电磁感应原理产生的旋涡状感应电涡流（以下简称涡流），这种现象称

为涡流效应。

提问：为什么变压器和电动机的铁心多用硅钢片制作？

图7-17涡流效应

1一涡流线圈2—导电工件3—涡流

提问：欲对较厚、距离较远的金属工件进行检测，涡流探头可采用多少千赫的激励

电流？

2.涡流线圈的等效阻抗

Z=f（f.〃、。、r、（5）（7-10）

提问：涡流线圈的等效阻抗与这么多变量有关，说明什么问题？

二、涡流式传感器探头结构

涡流式传感器的传感元件主要是一个线圈，俗称涡流探头。涡流探头必须与被测金

属以及测量转换电路一起，才能构成完整的涡流式传感器.

1一涡流线圈2一探头壳体3—壳体上的位国调节螺纹4一印制电路板

5—夹持锁紧螺母6—电源指示灯7—阈值指示灯8一输出屏蔽电缆9一电缆插头

提问：1.图7-18中，探头的左端用金属材料制作行吗？为什么？

2.图7-18中，探头的两只夹持锁紧螺母同时逆时针旋转（宏观看,螺母是向右移动）,

此时探头的安装位置牛何种变化？

3.电缆插头有何种材料制作较好？

4.图7-18中，探头的右端尾部的电源指示灯不亮，说明什么？

5.图7-18中，探头的右端尾部的电源指示灯亮，但阈值指示灯不亮，说明什么？

三、泯流探头信号转换电路

涡流探头与被测金属之间的距离变化可以转换为探头线圈的等效阻抗（主要是等效

感抗）以及品质因数。（与等效电阻有关）等参数的变化。测量转换电路的任务是把这

些参数变换为电压、电流或频率，相应地有调幅式、调频式和电桥等电路。

1.定频调幅式信号转换电路

所谓调幅式电路也称为AM电路，它以输出高频信号的幅度来反映涡流探头与被

测金属导体之间的关系。定频、调幅式电路的原理框图如图7-19所示。

图7-19定频、调幅式电路的原理框图

提问：1.中波广播电台称为AM/FM?

2.图7-19中，为什么要用到石英晶体振荡器？

3.图7-19中，电阻R起什么作用？

4图7-19中,检波器起什么作用？

5.图7-19中，O.IRF电容起什么作用？

2.调频式电路

并联谐振回路的谐振频率为

f=——\=（7-11）

2兀JAC。

图7.21调频式测量转换电路原理框图及鉴频器特性

a）测量转换原理b）鉴频器特性

提问：1.调频电台是什么意思？

2.图7-21中，为什么要设置“限幅器”？

3.图7-21b中，输出电1K与什么变量成正比？没有金属被测物靠近调频式探头线圈

时，输出电压为什么？当金属被测物靠近调频式探头线圈时，输出电压如何变化？

四、涡流式测振传感器的特性

表7・6YD9800系列涡流式位移传感器技术指标①

壳体螺纹线圈直径线性范围最佳安装距离最小被测面直径分辨力

/mm/mm（量程）/mm/mm/mm/gm

M8X1510.5151

M14X1.51142354

MI6X1.52584708

M30X250251210010

①工作温度-50〜+175℃：线性误差：1%：灵敏度温温：0.05%/9C；稔定度：I%/年：互换性误

差W5%：频率响应：0〜10kHz。

提问：探头的直径越大，测量范围就越？分辨力也越？灵敏度也？

六、涡流式传感器用于振动位移的检测

图7-22非接触振幅测量方法

a）径向振动测量b）长轴振型测量c）叶片振动测量

I一涡流式传感器2—被测物

提问：涡流式测振传感器安装使用注意事项？

例7-4用涡流式测振仪检测轴向窜动如图7-23a所示。已知传感器的灵敏度

K=2.5V/mm,最大线性范闱（优于5%）、max=8mm。现将传感器安装在主轴的右侧.使

用计算机记录卜的振动波形如图7-23b所示。求：

1）主轴振动的基频/是多少赫兹？

2）轴向振动的振幅峰峰值与p为多少微米？

3）为了得到较好的线性度与最大的测量范围，传感器与被测金属的安装距离力应

为多少亳米？

4）振动波形不是正弦波的原因有哪些？

图7-23用涡流式测振仪检测轴向窜动

a）轴向窜动的检测b）振动波形

解1）主轴振动的基频上l/7-1：（40ins/2）-50H,。

2）轴向振动的振幅峰峰值xPp=Upp/K=5-T-（2.5V/mm）=2mmo

3）为了在动态下获得较好的线性度，间隙应为量程的一半，所以传感器与被测金

属的安装距离3（尸0.55；*0.5X8mm=4mm。

4）振动波形不是正弦波的原因有：①轴向振动本身就不是简谐振动，含有大量的

高次谐波；②被测面不平整；③涡流式传感器的支架与基座直径存在微小的共振等。

任务三磁电式传感器测量振动

图7・24磁电式速度传感器

a）动铁式结构b）动圈式结构

I一顶杆（与被测振动体接触＞2—限位器3、8—波纹膜片支撑4一磁铁5—铁心6一动圈

7一动圈引线9一壳体10—支撑弹簧11一固定线圈12一线圈框架13一被测振动体

二、动铁式磁电芍感器

提问：在图7-24a中，当被测基座的振动消失时，磁铁的振动是否立即消失？这个

特性对振动的检测有何不利影响？

任务四振动的激振与激振器

提问：激振器有哪几种类型？

被测

振动体

图7・25电动式激振器

a）结构b）外形

1一固定螺栓（或橡胶扎带）2—振动台面3一顶杆4一限位器5一下凹支撑弹簧片（两片）

6一动圈引线7一接线端子8一动圈9一永久磁铁10—环形软铁心

11一心杆12一上凸支撑弹簧片13—壳体14一刚性支架

提问：在图7-25中，如果激磁电流为100kHz,振动台面的振动也可以达到10（）kHz

吗？为什么？

表7-8JZQ・100永磁激振器的主要技术指标

参数名称指标

最大激振力/N1000

频率范围/Hz0-800

最大位移/mm±12

动圈直流电阻/C0.8

最大励磁电流伏30

力灵敏度/N-AT17

可动部件质量/kg1.2

总质量/kg70

尺寸/mm业60X360

被激振对象用螺栓紧冏在振动台面上

安装方式

或用椽胶带绑紧在振动台面上

2.电动式激振器的安装

测振传感及

传将器的力弃背校将A

芯（测振动体

振

图7-26电动式激振器的安装

a）激振器直接固定在地|力b）激振器用具有弹性的支撑固定在地面

c）激振器月具有抑性的支撑固定在顶面d）激振器固定在被测振动体上方

c）激振器固定在侧面k弹簧c阻尼

提问：在图7-26中，哪一种激振方式适应于较重质量体的1向激振？为什么？

什么叫做“背靠背”校验？

3.振动体振动参数的激光干涉检测方法

显不、

—大一|

图7-27激光干涉测振系统

1一氮笳激光罂2一分光镜3—反光膜4一被校测振传感器5—参考反射镜

oo—测量光束oi一振动体反射光束02—振动体光束eo—参考光束

效一参考镜反射光束e2一参考镜光束

提问：图7-27所示的干涉测振系统的最大特点是什么？

激光二、力锤激振

a）结构b）外形c）激振的时域波形

1一锤头垫2—测力传感器3一锤柄4一配重

被

测

振

计

动

算显示、

体

电荷机记录器

放大器

图7-29力锤法激振系统示意图

1一力锤2—压电式加速度计

提问：力锤敲击的力与被测工件的质量