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振动传感器的分类和应用

高度发展的现代工业中，现代测试技术向数字化、信息化方向发展已成必然发展趋势，而测试系统的最前端是传感器，它是整个测试系统的灵魂，被各国列为技术，特别是近几年快速发展的IC技术和计算机技术，为传感器的发展提供了良好与可靠的科学技术基础。使传感器的发展日新月益，且数字化、多功能与智能化是现代传感器发展的重要特征。

　　振动传感器是干什么的

　　振动传感器主要监测旋转机械的振动情况，每种设备都有自己的振动标准，超过振动值，表明机器出现故障，所以振动传感器是起到对振动的保护作用。

　　振动传感器分为磁电式与压电式两种，磁电式的结构简单、价格较低，但精度较差，现在常用的是压电式的传感器，测量精度较高。

　　振动传感器首先感应振动加速度，经过积分得到速度，二次积分得到位移，但加速度和位移会受频率的影响，同时国家振动标准称为振动烈度，也就是振动速度的有效值，所以，通常监测振动速度。

　　振动传感器工作原理介绍

　　1 振动参数分类及特性

　　振动传感器是由弹簧、阻尼器及惯性质量块组成的单自由振荡系统。利用质量块的惯性在惯性空间建立坐标，测定相对大地或惯性空间的振动加速度。它通过其中的换能元件，将机械振动转换为便于传递、变换、处理和储存的电信号。

　　振动传感器形式有很多种，常见的分类如图1所示。

　　1.1 压电式振动传感器的测试原理

　　压电式振动传感器是试验机振动测试常用的传感器之一。相应标准提出了振动加速度测量传感器改装要求，但是往往因为对其中的概念理解不透，造成一些不合理的安装方式，在一定程度上影响了测试精度。

　　要正确理解和贯彻标准要求，必须了解有关背景知识，如传感器的测试原理、构造和基本特性等方面。

　　一些介质在沿一定方向上施加机械压力而产生变形时，其内部会产生极化现象，同时其表面产生电荷，当外力去掉以后，材料内部的电场和表面电荷也随之消失，这种特性称为压电效应。压电式振动传感器是利用这一特性，把基体感受到的机械振动转化为电能量输出。

　　1.2 典型压电式振动传感器的基本构造

　　压电式振动传感器的典型结构如图2所示。

　　压电晶体被压紧在质量块和基体之间，当加速度计感受振动时，质量块施加一个振动力于压电晶体上，压电晶体中产生可变电势。通过适当的设计，可以保证在一定的频率范围内输入加速度与输出电势成比例。

　　1.3 压电式振动传感器的特性

　　1.3.1 频率响应

　　Mm是压在敏感元件上的质量块的质量；Mb是加速度计基体及壳体的质量；K是Mm与Mb间的系统的等效刚度。这一系统的自然频率为：

　　fo=fm

　　式中fm为质量Mm在弹簧K上的自然频率。

　　根据振动理论：fm= 。

　　假设加速度计刚性安装在比它重的多的结构上，此时Mm/Mb→0，fo→fm。从而得到加速度计的上限响应频率为fm。

　　压电式振动传感器能够精确地检测宽范围的动态加速度，因此可以用来测量瞬态冲击过程外， 还可用来测量正弦振动和随机振动。但是，压电式振动传感器不适用于稳态测量的场合，例如地球引力、惯性制导或诸如发动机加速度及制动等缓慢变化的瞬态过程。

　　1.3.2 灵敏度

　　加速度计的灵敏度定义为电输出与机械输入之比。从传感器结构可知，灵敏度是有方向性的。由于传感器的制造误差，其最大灵敏度方向与几何轴不一致，最大灵敏度矢量可分解成轴向灵敏度和横向灵敏度两部分。

　　真正代表压电式振动传感器灵敏度的是电荷灵敏度，它不受传感器内部电容变化和电缆长度变化的影响，只取决于压电材料的压电常数，一般电荷灵敏度每年下降小于1%。

　　压电式振动传感器实质上是固态器件，它们非常坚固和耐用，在误用的情况下一般也不会引起损坏。在传感器内部，没有调整部件，增加了传感器的可靠性和可重复性，能够用于极其恶劣的环境下。

　　2 压电式振动传感器的改装要求与测量精度

　　2.1 振动加速度测量传感器的改装要求

　　相应标准规定了振动加速度测量传感器的通用改装要求：

　　（1）传感器测量轴与被测轴线平行，横向灵敏轴应避开侧向加速度最大的方向。

　　（2）传感器安装支架质量小，刚度好，接触面接触弹簧的自然频率至少大于传感器自然频率的五倍。

　　（3）单极性传感器应与支架绝

　　2.2 影响测量精度的因素

　　（1）安装刚度不足会降低响应频率及使用范围的上限，这一影响在高频测量中尤其显著。

　　标准规定“接触面接触弹簧的自然频率至少大于传感器自然频率的五倍”；这对传感器安装支架的刚度及安装面的接触刚度提出了很高的要求。若传感器直接安装在被测结构上，其接触弹簧的自然频率可按接触弹簧静态变形求得：

　　fm=

　　因传感器的质量力一般很小，而接触弹簧刚度趋于无穷大；因此变形δ极小，接触频率可以满足标准要求。

　　若传感器通过转接支架安装在被测结构上，则必须同时考虑支架刚度及两个接触面的接触刚度，并要在满足安装刚度要求的前提下尽量减小支架的质量。若传感器与支架绝缘安装，采用绝缘螺桩及云母垫片可以获得最大安装刚度。

　　（2）安装支架质量太大，其质量载荷改变了结构的原有振动，导致测量结果失真；如果是在较轻或较薄的结构上测振，这一影响不可忽视。

　　（3）安装方向偏离传感器的校准状态，传感器轴向灵敏度轴方向与要求的测量方向应尽可能一致，一旦偏离将导致轴向响应降低，而横向响应增大加速度计应当安装在平坦、干净的表面上，横向灵敏轴（在壳体上以红点标出）应避开侧向加速度最大的方向。

　　（4）螺栓拧紧不当，螺栓拧入基体太深，引起基体拱弯变形，从而产生额外的电输出。拧紧力矩要适当，过大会损坏螺纹，太小将影响安装刚度。

　　2.3 压电式振动传感器的典型安装方式和关键点

　　压电式振动传感器有金属螺栓安装、对地绝缘转换螺栓连接、胶粘剂粘接和磁铁转换吸盘连接四种安装方式，其中金属螺栓安装和胶粘剂粘接尤为常见。利用钢制螺桩把传感器固定在抛光的金属面上，这种方式可以得到*高的响应频率，其它的安装方式会降低响应频率。

　　要做到数据结论准确，首先要正确使用和安装传感器。在设计振动传感器支架、紧固件及实施安装时应遵循以下几点：

　　（1）了解所测参数的基本情况，如振动加速度的振幅、频率范围；

　　（2）了解传感器的结构形式和特性，包括传感器质量，自然频率，安装尺寸等；

　　（3）根据被测结构的具体情况确定传器的安装方式，对低频测量应重点考虑附加质量对测量结果的影响；对高频测量则应保证安装刚度符合标准要求；

　　（4）传感器及转接支架的安装接触面应平整、光滑，以保证传感器安装精度和刚度；

　　（5）仔细调整传感器的安装方向。使轴向灵敏轴与所要测量方向一致，横向灵敏轴应避开侧向加速度最大的方向；

　　（6）控制螺栓拧入深度及拧紧力矩，适当的拧紧力矩为1.8N・m。