第三章 振动信号测取技术
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1、第三章第三章 振动信号测取技术振动信号测取技术安徽科技学院目录目录l传感器概述传感器概述l振动传感器分类振动传感器分类 l常用传感器常用传感器 传感器概述传感器概述l传感器:是指直接作用于被测量，并能按一定是指直接作用于被测量，并能按一定规律将其转换成同种或别种量值输出的器件规律将其转换成同种或别种量值输出的器件。 传感器处于测试装置的输入端，其性能将直接影响着整个测试装置的工作质量。接触型（如微动开关、行程开关、接触开关）非接触型（如光电开关、接近开关）传感器的分类传感器的分类 代码型（如旋转编码器、磁尺等）计数型（二值计数器）数字型电感、电容型（如电感、电容式位移传感器）电压、电流型（如热
2、电偶、光电池等）电阻型（如电位器、电阻应变片等）模拟型 开关型(二值型)传感器传感器的基本特性传感器的基本特性 传感器的基本特性通常分为传感器的基本特性通常分为静态特性和动态特性静态特性和动态特性u静态特性静态特性灵敏度灵敏度线性度线性度迟滞迟滞重复性重复性漂移漂移分辨力分辨力u动态特性动态特性瞬态响应特性瞬态响应特性频率响应特性频率响应特性静态特性参数静态特性参数 传感器静态特性数学模型传感器静态特性数学模型nnxaxaxaay2210a a0 0 零位输出零位输出a a1 1 线性灵敏度线性灵敏度a a2 2 a an n 非线性系数非线性系数理想情况下：理想情况下：特性无线性关系情况下：
3、特性无线性关系情况下：相对灵敏度：相对灵敏度： 在相同测量精度要求下，被测量越小，要求的在相同测量精度要求下，被测量越小，要求的 绝对灵敏度越高，相对灵敏度没有变化。绝对灵敏度越高，相对灵敏度没有变化。常数y/xy/xkdxdyxykx/lim0)/(xxykr静态灵敏度的确定静态灵敏度的确定1、灵敏度、灵敏度 指传感器的实际输入输出特性曲线对于理想线指传感器的实际输入输出特性曲线对于理想线性输入输出特性的接近或偏离程度。性输入输出特性的接近或偏离程度。%100maxFSLYLmaxLFSY满量程；满量程；最大偏差。最大偏差。xy0图图2-3 线性度示意图线性度示意图实际工作曲线实际工作曲线理
4、想工作曲线理想工作曲线YFSLmax2、非线性（线性度）、非线性（线性度）表征正行程与反行程静态特性的不一致程度。表征正行程与反行程静态特性的不一致程度。%100maxFSHYHmaxH各标定点上正、各标定点上正、反行程输出平均值反行程输出平均值之间的最大偏差之间的最大偏差正行程工作曲正行程工作曲线线反行程工作曲线反行程工作曲线y0Hmaxx迟滞示意图迟滞示意图YFS3、迟滞性、迟滞性 传感器在同一工作条件下，按同一方向作全量传感器在同一工作条件下，按同一方向作全量程多次测量时，对于同一个激励量，其测量结果的程多次测量时，对于同一个激励量，其测量结果的不一致程度。不一致程度。%100FSRYR
5、R 同一激励量对应同一激励量对应多次循环的同向行程响多次循环的同向行程响应量的绝对误差应量的绝对误差xy R0重复性示意图重复性示意图4 4、重复性、重复性 重复性指标定值的分散性，是一种随机误差。可重复性指标定值的分散性，是一种随机误差。可根据标准偏差来计算根据标准偏差来计算R R。KK置信因子置信因子K=2K=2，置信度，置信度95%95%；K=3K=3，置信度，置信度99.73%99.73%KR 分辨率是指传感器能测量到输入量最小变化的能力分辨率是指传感器能测量到输入量最小变化的能力 xmax-xmax-传感器全量程范围内最大的传感器全量程范围内最大的xx； Y YFSFS- -传感器满
6、量程输出值。传感器满量程输出值。 为了保证测量系统的测量准确度，为了保证测量系统的测量准确度，工程上规定：工程上规定：测量系统的分辨率应小于允许误差的测量系统的分辨率应小于允许误差的1/3,1/51/3,1/5或或1/101/10。可以通过提高仪器的敏感单元增益的方法来提。可以通过提高仪器的敏感单元增益的方法来提高分辨率。高分辨率。%100maxFSYxF5 5、分辨率、分辨率 作用在传感器上的激励不变时，响应量随时间作用在传感器上的激励不变时，响应量随时间的变化趋势。表征传感器的不稳定性。的变化趋势。表征传感器的不稳定性。产生漂移的原因：产生漂移的原因：1 1、传感器自身结构参数的变化；传感
7、器自身结构参数的变化； 2 2、外界工作环境参数的变化。、外界工作环境参数的变化。7 7、量程及测量范围、量程及测量范围测量上限值与下限值的代数差称为测量上限值与下限值的代数差称为量程量程。测量系统能测量的最小输入量（下限）至最大输入量测量系统能测量的最小输入量（下限）至最大输入量（上限）之间的范围称为（上限）之间的范围称为测量范围测量范围。6 6、漂移、漂移传感器动态特性传感器动态特性 被测量是时间的函数，或是频率的函数。被测量是时间的函数，或是频率的函数。 用时域法表示成：用时域法表示成： YtfXtYjfXj 用频域法表示为：用频域法表示为： 动态特性是指传感器输出对时间变化的输入量的动
8、态特性是指传感器输出对时间变化的输入量的响应特性；响应特性； 除理想状态，多数传感器的输入信号是随时间变除理想状态，多数传感器的输入信号是随时间变化的，输出信号一定不会与输入信号有相同的时间化的，输出信号一定不会与输入信号有相同的时间函数，这种输入输出之间的差异就是函数，这种输入输出之间的差异就是动态误差。动态误差。振动传感器振动传感器振动传感器分类l振动传感器按其功能可有以下几种：l按机械接收原理分：相对式、惯性式；l按机电变换原理分：电动式、压电式、电涡流式、电感式、电容式、电阻式、光电式；l振动传感器按所测机械量分：位移传感器、速度传感器、加速度传感器、力传感器、应变传感器、扭振传感器、
9、扭矩传感器。l以上三种分类法中的传感器是相容的。 某些物质如石英晶体，在受到冲击性外力作用后，不仅几何尺寸发生变化，而且其内部发生极化，相对的表面出现电荷，形成电场。外力消失后，又恢复原状。这种现象叫做压电效应压电效应。将这种物质置于电场中，其几何尺寸也会发生变化，叫做电致伸缩效应。多数人工压电陶瓷的压电常数比石英晶体大数百倍，也就是说灵敏度要高得多。利用压电效应，制成压电式加速度传感器，可用于检测机械运转中的加速度振动信号；利用电致伸缩效应，制成超声波探头，可用于探测构件内部缺陷。图31 加速度计加速度传感器加速度传感器压电式加速度传感器的内部结构压电式加速度传感器的内部结构图32 压电式加
10、速度计a)中心压缩型 b)环形剪切型 c)三角剪切型压电式加速度传感器的测量电路压电式加速度传感器的测量电路由于电荷是非常微弱的量，且因为漏电阻的存在，使之不能传输较长的距离。通常厂家提供的专用低噪声电缆只有35米，最长不过10米。因此需要在被测设备附近布置前置放大器，将电荷量放大数千倍后，再传输给显示计量仪表。前置放大器电路有两种形式：其一是电阻反馈的电压放大器，另一种是电容反馈的电荷放大器。电荷放大器是工业测量现场使用最多的前置放大器。但电路复杂，数千倍的放大倍数，对各级放大器的性能稳定性提出了极高的要求，因而价格较贵。目前，新型的压电式加速度传感器采用了内置IC电路的方案，由于内部空间极
11、小，内置IC电路实际完成阻抗变换的功能，需一个20mA的恒流源对其供电。测量电路如图33所示。 可以将内置IC电路看成一个随加速度值变动的电阻，加速度值升高，电阻值也线性升高，由于恒电流供电，20mA电流不能通过仪表端的隔直电容，通过变电阻的电流是常数，因此在变电阻的两端产生电压变化，这个电压因此也随加速度变化。变化的电压可以通过隔直电容输入给放大器A，最后输出测量电压。需要注意的是，隔直电容与后面的电阻构成一个高通滤波器，因此电容C与电阻R的值决定了该测量系统频率响应特性曲线的最低信号频率。图33 ICP型加速度计测量电路压电式加速度传感器的安装要求压电式加速度传感器的安装要求图34的左边是
