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1、机、电类传感器与检测技术项目教程模块七、振动检测 课件统一书号：ISBN 978-7-111-48817-0课程配套网站www.sensor-或 2015年2月第1版,（作者：梁森、黄杭美、王明霄、王侃夫）,本模块介绍“振动”的基本概念、各种测振传感器、激振的方法、各种激振器，简要介绍频谱图、振动的频谱分析，还介绍了MEMS加速度传感器。,内容简介,今天是：2023年7月30日星期日,模块七、振动检测（上）目录,知识链接 振动的基本概念项目一、测振传感器 项目二、振动的频谱分析与故障诊断拓展阅读 MEMS加速度传感器,現在時間是：12:44,知识链接 振动的基本概念,物体围绕平衡位置作往复运动
2、称为振动。振动分类：机械振动（例如机床、电机、泵、风机等运行时的振动）；土木结构振动（房屋、桥梁等的振动）；运输工具振动（汽车、飞机等的振动）以及地震、武器、爆炸引起的冲击振动。,一、振动的分类,振动的类型：自由振动、受迫振动、自激振动、简谐振动、周期振动、瞬态振动、随机振动、单自由度系统振动、,多自由度系统振动、线性振动、非线性振动、低频振动、中频振动、高频振动等。,表7-1 机械振动的分类与特征,表7-1 机械振动的分类与特征（续）,二、振动的描述与计算,振动的基本参数：振动频率、位移、速度、加速度、初相角来描述。振动频率 f 指物体每秒振动循环的次数，单位是赫兹（Hz）。振动角频率的单位
3、为弧度/秒（rad/s）。振动频率f的倒数称振动周期，用T表示，T1/f，单位是秒(s)。振幅：物体离开平衡位置的最大位移的绝对值，用xm表示，单位是m、mm或m。峰峰值（xpp）：整个振动历程的正峰与负峰之间的差值。单峰值（xp）：正峰或负峰的最大值；有效值（xrms）:振幅的均方根值。简谐振动时，单峰值等于峰峰值的1/2；有效值（xap或x）等于单峰值的0.707；平均值等于单峰值的0.637。,1简谐振动位移、速度、加速度的换算,将简谐振动的位移对时间 t 求导，可得振动速度；将速度对时间t求导（或对位移进行二次求导），可得振动加速度。x=xmcos(t+)（7-1）v=dxm/dt=-
4、xmsin(t+)=vmcos(t+/2)（7-2）a=d2xm/dt=dv/dt=-2xmcos(t+)=amcos(t+)（7-3）式中 xm振幅（m）；振动角频率（rad/s，=2f）；初相角（rad）；vm速度幅值（m/s，vm=xp）；am加速度幅值（m/s2，am=2xp）。也可将简谐振动的加速度a对时间积分，得到振动的速度v；再将振动速度v对时间积分（或将加速度a对时间双重积分），可得振动的位移x。,峰值=xm；峰峰值=2 xm；有效值=0.707 xm（峰值=1.414 有效值）；平均值=0.637 xm。,简谐振动的三个基本参数,图7-2 简谐振动的位移、速度、加速度变化曲线
5、,例7-1 弹簧振子的简谐振动如图7-3所示，弹簧振子在C、O、B间作无摩擦力、无阻尼的简谐运动。O为平衡位置，C、B分别为负的和正的终止位置。已知B、C的距离为100mm，CB运动的时间为1s，求：振动的周期T、频率f和振幅x m。,解 振动的周期T 等于弹簧振子从COBOC的过程所经历的时间，所以 T=2tCB=21s=2s，f=1/T=1/(2s)=0.5Hz 振幅xm等于CO的距离，或OB的距离，所以 xm=100mm/2=50mm。,2振动烈度与位移的换算,振动速度的有效值称为振动的烈度。振动烈度是以人可感觉到的0.071mm/s为起点，到71mm/s，共15个量级，相邻两个烈度量级
6、的比值约为1.6（相差4dB）。（7-5）,例7-2 利用磁电速度传感器测得振动烈度vF=4mm/s，测得旋转机械的转速n=3 000r/min（即3 000rpm），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f=n/60=(3000/60)Hz=50Hz,如果旋转机械的转速n=1500r/min，在用速度测振仪测得相同的烈度时，振幅将增大一倍。,三、测振传感器的分类,按照振动检测的目的，测振传感器可分为两大类：一类是测量设备在运行时的振动参量，检测目的是了解被测对象的振动状态、评定振动等级和寻找振源，以及
7、进行监测、识别、诊断和故障预估；,另一类是对设备或部件进行某种激振，使其产生受迫振动，以便测得被测对象的振动力学参量或动态性能，如固有频率、阻尼、阻抗、响应和模态等。,表7-2 测振传感器的种类及特点,1绝对式和相对式测振传感器,（1）绝对式测振传感器：将测振传感器外壳固定在振动体待测点上，传感器壳体的振动等于被测物的振动。传感器的主要力学组件是惯性质量块及弹性体。在一定的频率范围内，质量块相对于基座的运动，与位移、速度和加速度成正比。常见的绝对式测振传感器有压电式加速度计、电容式测振传感器等。（2）相对式测振传感器：将测振传感器壳体固定在不动的支架上（也称固定基准），传感器的敏感元件靠近被测
8、振动体表面，从而感受被测振动体表面的位移。也可以将传感器中质量很轻的“触杆”与被测振动体接触，触杆与敏感元件形成相对振动。常见的相对式测振传感器有涡流式加速度计及激光式测振传感器等。,图7-4 旋转机械的绝对式振动测量与相对式振动测量,a）绝对式振动测量 b）相对式振动测量,2测振系统力学模型,图7-5 测振系统力学模型1振动体基座 2壳体 3阻尼器 4惯性体 5弹簧 6标尺,阻尼衰减振动,振幅,测振系统力学模型,弹簧振子的简谐振动,f,f,f,f,f,测振系统力学模型分析,在图7-5所示的测振系统力学模型中，有质量块m、弹簧k、阻尼器c（包括弹性体的内耗及弹性滞后），称为惯性式测振系统。惯性
9、式测振系统必须紧固在被测振动体A上。当测振系统自身的固有振动频率f0=(1/2)(K/m)，远小于被测振动体A的振动频率f，即f05f时，质量块m相对于壳体的振动位移x将与被测振动体A的振动位移x成正比，这样的测振传感器称为振幅计。,1振动体基座 2壳体 3阻尼器 4惯性体 5弹簧 6标尺,测振系统力学模型分析（续）,当f0f、且阻尼c很大时，质量块m的振动位移x将与被测振动体A的振动速度v成正比，这样的测振传感器称为速度计，如电动式测振仪；当f05f时，质量块将与振动体A一起振动，质量块与被测振动体A所感受到的振动加速度基本一致，这样的测振传感器称为加速度计。,项目一 测振传感器,【项目教学
10、目标】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。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。,現在時間是：12:44,任务一 压电式加速度传感器测量振动,一、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）。在晶体的弹性限度内，压
11、电材料受力后，其表面产生的电荷Q与所施加的力Fx成正比，即：Q=d Fx（7-6）式中 d压电常数。,石英晶体的压电效应演示,当力的方向改变时，电荷的极性随之改变，输出电压的频率与动态力的频率相同；当施加静态力时，在初始瞬间，产生与力成正比的电荷，但由于表面漏电，所产生的电荷很快泄漏，并消失。,天然石英晶体外形,石英晶体的特性,石英（SiO2）是一种具有良好压电特性的压电晶体。其介电常数和压电系数的温度稳定性相当好,在常温范围内这两个参数几乎不随温度变化如下两图。在20200范围内，温度每升高1，压电系数仅减少0.016。但是当到573时，它突然完全失去了压电特性，这就是它的居里点。,石英的d
12、11系数相对于20的d11温度变化特性,石英在高温下相对介电常数的温度特性,天然石英晶体外形（续）,石英晶体的切片,石英晶体片及封装,石英晶体薄片,双面镀银并封装,清代诗人苏履吉赞颂鸣沙“雷送余音声袅袅，风生细响语喁喁”鸣沙山上的逆压电效应,鸣沙丘,交变外力作用在压电元件上，可以产生交变的电荷Q，在上下镀银的表面上产生交变电压。,对压电元件施加交变力，产生交变电荷,压电传感器产生的交变电荷的变化频率与交变力的频率相同，等效于交变电荷源。,二、压电材料的分类及特性,压电传感器中的压电元件材料常用的有三类：一类是：压电晶体（如上述的石英晶体）；第二类是：经过极化处理的 压电陶瓷；第三类是：经过极化
13、处理的高分子压电材料。,压电材料的分类,（1）石英晶体的特性,石英晶体在20200的范围内压电常数的变化量只有-0.0001/。还具有自振频率高、动态响应好、机械强度高、绝缘性能好、迟滞小、重复性好、线性范围宽等优点。石英晶体的不足之处是压电常数较小：d=2.3110-12C/N。因此石英晶体大多只在标准传感器、高准确度传感器或高温压电传感器中使用，而在一般要求的测量中，基本上采用压电陶瓷。,（2）压电陶瓷,压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料，它比石英晶体的压电灵敏度高得多，而制造成本却较低，因此目前国内外生产的压电元件绝大多数都采用压电陶瓷。常用的压电陶瓷材料有锆钛酸铅系列压电陶瓷（PZT）及
14、非铅系压电陶瓷(如BaTiO3等)。,压电陶瓷外形,压电陶瓷（多晶材料）的工作原理,某些陶瓷粉末原料，经1000以上高温烧结和机械加工，可以制成圆片或其他需要的形状。烧结而成的压电陶瓷由无数细微的电畴组成。在无外电场作用时，各个电畴在晶体中杂乱分布，它们的极化效应被相互抵消了，因此原始的压电陶瓷呈中性,不具有压电性质。为了使压电陶瓷具有压电效应，必须在高温下，用上千伏高电压施加在上下极板上，进行极化处理，使电畴的方向趋向一致，冷却后就具有压电效应。,压电陶瓷的极化处理,a）极化处理前电畴杂乱分布 b）在极化电压下的电畴分布 c）冷却、稳定后的电畴分布1镀银上电极 2压电陶瓷 3镀银下电极 4电
15、畴 5极化高压电源 细微的电畴极化方向,压电陶瓷极化的影响因素,极化电场和极化温度越高，促使电畴取向排列的作用越大，极化就越充分。常用压电陶瓷材料的极化温度取320420，极化时间从几分钟到几十分钟。,常用的压电陶瓷材料,（1）锆钛酸铅系列压电陶瓷（PZT）：是由钛酸铅和锆酸铅组成的固熔体。有较高的压电常数d（200500）10-12C/N。在上述材料中加入微量的镧（La）、铌（Nb）或锑（Sb）等，可以得到不同性能的PZT材料。（2）非铅系压电陶瓷：能减少制造过程中铅对环境的污染。BaTiO3基无铅压电陶瓷、BNT基无铅压电陶瓷、铌酸盐基无铅压电陶瓷、钛酸铋钠钾无铅压电陶瓷、钛酸铋锶钙无铅压
16、电陶瓷和钛酸钡钙压电陶瓷等，它们的多项性能都已超过含铅系列压电陶瓷，是今后压电陶瓷的发展方向。,压电陶瓷与石英晶体的特性比较,（3）高分子压电材料,典型的高分子压电材料有聚偏二氟乙烯（PVF2或PVDF）、聚氟乙烯（PVF）、改性聚氯乙烯（PVC）等。它是一种柔软的压电材料，可根据需要制成薄膜或电缆套管等形状。它不易破碎，具有防水性，可以大量连续拉制，制成较大面积或较长的尺度，价格便宜，频率响应范围较宽，测量动态范围可达80dB。,高分子压电材料简述,特点：柔性，密度低。可以在几十微米的PVDF压电膜上，两面蒸镀金、银等金属电极，电极厚度约0.1m，再层压在0.125mm聚酯基片上，并制作两个
17、压接端子，作为信号引脚。应用：医学测量脉动信号，例如：超声诊断仪、血压计、指脉膊计、心率计。工业中测量振动；机器人的触觉传感器、加速度传感器等。军事：水声探测器、边界振动报警、防盗报警系统等。,高分子压电材料的种类、加工,典型的高分子压电材料有聚偏二氟乙烯（PVF2或PVDF）、聚氟乙烯（PVF）、尼龙11等，输出脉冲电压可以直接驱动CMOS集成门电路。将PVDF树脂加热，用辊压机压制成膜或电缆套管。定向拉伸的温度约为120，在拉伸薄膜的两面蒸镀金、银等金属电极，电极厚度为0.1m。与压电陶瓷类似，必须用高电压进行极化处理。薄膜经极化处理后，分子偶极子就趋向一致的方向，显现出电压特性。极化场强
18、约5kV/mm，极化温度为80100，极化时间为3060min。,高分子压电薄膜及拉制、切片,高分子压电材料的特性,不易破碎，具有防水性，可以制成较大面积或较长的成品，因此价格便宜。其测量动态范围可达80dB，频率响应范围可从0.1Hz直至109Hz。工作温度一般低于100。温度升高时，灵敏度将降低。它的机械强度不够高，耐紫外线能力较差，不宜暴晒，以免老化。,高分子压电材料制作的压电垫和压电电缆,可用于波形分析及报警的高分子压电踏脚板,压电式脚踏报警器,压电式周界报警系统（用于重要位置出入口、周界安全防护等）,将长的压电电缆埋在泥土的浅表层，可起分布式地下麦克风或听音器的作用，可在几十米范围内
19、探测人的步行,对轮式或履带式车辆也可以通过信号处理系统分辨出来。测量系统的输出波形。,交通监测,（包括轴数、轴距、单双轮胎）、车速监测、收费站出、入口、闯红灯拍照、停车区域监控、交通数据信息采集（道路监控）及机场滑行道等。,将高分子压电电缆埋在公路上，可以获取车型分类信息：,高分子压电电缆的应用演示,压电式动态力传感器在车床中用于动态切削力的测量,一体化车刀动态力测量,三、电荷放大器,压电传感器的输出阻抗较大，要求电压放大器具有较大的输入阻抗。又由于压电传感器的输出电压与压电片的极间电容Ca以及传输线的对地分布电容Cc有关，如果接入普通的电压放大电路，将受到很多外界因素（主要是分布电容）的影响
20、。现在多采用“电荷放大器”来将压电传感器输出的电荷转换为电压，属于Q-U转换器，但并无放大电荷的作用，只是一种习惯叫法。,1压电元件的等效电路（图7-8）,a）结构示意图 b）压电元件的符号 c）压电元件的等效电路1镀银上电极 2压电晶体 3镀银下电极,压电传感器与二次仪表连接的等效电路,Ci、Ri为放大器的输入电容和输入电阻,2与压电式加速度计相匹配的前置放大器电荷放大器,电荷放大器是一个具有反馈电容Cf 的高增益运算放大器电路。当放大器开环增益A和输入电阻R i、反馈电阻Rf（用于防止放大器的直流饱和）相当大时，放大器的输出电压Uo正比于输入电荷Q，反比于反馈电容Cf，而基本上与Cc、Ca
21、、Ci无关：（7-9）,电荷放大器电路（图7-9）,1压电传感器 2屏蔽电缆线 3传输线分布电容 4电荷放大器SC灵敏度选择开关 SR带宽选择开关 CfCf 在放大器输入端的密勒等效电容 CfCf在放大器输出端的密勒等效电容,电荷放大器两级电路（放大图）,电荷放大器的四级电路框图,有源巴特沃斯低通滤波器,压电传感器与电荷放大器及后续仪表的连接,3反馈电容和反馈电阻的选取,当被测振动较小时，电荷放大器的反馈电容C f应取得小一些，可以获得较大的输出电压。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fL由Rf与Cf的乘积决定。当被测电荷信号的频率下降到fL时，电
22、荷放大器的输出电压降低到中频时的1/2，此时的下限频率fL=1/(2R fC f)。,电荷放大器的频率特性,.,|1/Cf|,压电传感器只能应用于动态测量,由于外力作用在压电元件上产生的电荷只有在无泄漏的情况下才能保存，即需要测量回路具有无限大的输入阻抗，这实际上是不可能的，因此压电式传感器不能用于静态测量。压电元件在交变力的作用下，电荷可以不断补充，可以供给测量回路以一定的电流，故只适用于动态测量（一般必须高于3Hz，但在30kHz以上时，灵敏度下降）。,例7-3 某压电元件用于测量振动，灵敏度d11=10010-12C/N，电荷放大器的反馈电容Cf=1000pF，Rf=100M，测得图7-
23、9中A1的输出电压Uo=0.2V，求：1）压电元件的输出电荷量Q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Q=CfUo=(100010-120.2)C=200pC2）被测振动力F的有效值3）电荷放大器的灵敏度4）电荷放大器的下限截止频率,四通道电荷放大器外形,.,某电荷放大器的前后面板,典型电荷放大器指标,灵 敏 度：0.11000mV/pC可调；频率范围：0.3100kHz；噪声(最大增益时)：折合至输入端，小于5V；准 确 度：1%；最大输出：10V或10
24、mA；电源：220V/50Hz；控制方式：计算机、遥控或手动。,超小型电荷放大器模块,灵 敏 度：1、10、100mV/pC（任选一档）频率范围：0.3100KHz（上、下限可选）噪声(最大灵敏度)：输出端小于1mV归 一 化：电容调整线性误差：1%最大输出：5V或10V电源：15V特点：可组成经济的多点测试系统。,主要性能指标:,焊接式 电荷放大器,其他电荷放大器外形,面板式电荷放大器,多通道电荷放大器外形,四、压电式加速度传感器的结构及应用,1压电式加速度传感器探头当压电式加速度传感器与被测振动的机件紧固在一起后，传感器受机械运动的振动加速度作用，压电晶片受到质量块惯性引起的交变力，其方向
25、与振动加速度方向相反，大小由F=ma决定。惯性引起的压力作用在压电晶片上产生电荷。电荷由引出电极输出，将振动加速度转换成电参量。弹簧给压电晶片施加预紧力。预紧力的大小基本不影响输出电荷的大小。若预紧力不够，而加速度又较大时，质量块将与压电晶片敲击碰撞；预紧力也不能太大，否则会引起压电晶片的非线性误差。,图7-10 常用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夹持环,常用的压电式振动加速度传感器,1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夹持环,
26、常用的压电式振动加速度传感器（图7-10）,压电式振动加速度传感器的结构及外形,横向振动测振器,纵向振动测振器,1,典型压电式振动加速度传感器的特性参数,（1）灵敏度K：压电式加速度传感器的输出为电荷量，以pC为单位（1pC=10-12C）。而输入量为加速度，单位为m/s2,所以灵敏度以pC/ms-2为单位,或用重力加速度pC/g。灵敏度的范围约为10100pC/g。目前许多压电加速度传感器的输出是电压，所以灵敏度单位也可以为mV/g，通常为101000mV/g。（2）频率范围：常见的压电加速度传感器的频率范围为0.01Hz20kHz。,压电振动加速度传感器的性能指标,（3）动态范围：常用的测
27、量范围为0.1100g，或1000m/s2。测量冲击振动时应选用10010000g的高频加速度传感器；而测量桥梁、地基等微弱振动往往要选择0.00110g的高灵敏度低频加速度传感器。（4）线性度：测量频率范围内，传感器灵敏度在理论上应为常数，即输出信号与被测振动成正比。实际上传感器只在一定幅值范围保持线性特性，偏离比例常数的范围称为非线性，在规定线性度内可测幅值范围称为线性范围。压电式传感器约有1%左右的非线性误差。,压电振动加速度传感器的性能指标（续）,某小型“内装IC的压电加速度传感器”性能指标,灵敏度：500mV/g 量程：10g 频率范围：4-4000Hz安装谐振点:15kHz 分辨力
28、：0.0001g 重量：40g 安装螺纹：M5 线性：1%,2压电式加速度传感器的组成,图7-11 压电式加速度传感器原理图将探头测得加速度a进行积分，可以得到简谐振动的速度v；二次积分，可以得到简谐振动的位移x。,图7-12 便携压电式加速度仪外形及显示的频谱图,1量程选择开关SC 2压电传感器输入信号插座 3多路选择开关 4带宽选择开关SR 5带背光的点阵液晶频谱显示器 6电池盒 7可变角度支架,【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d11=10010-12C/N=100pC/N，开关SR置于100M档位，fL=1/(2R fC f)，请填写下
29、表。,3压电式加速度传感器的主要技术特性,（1）灵敏度K：压电传感器的输出为电荷量，以pC为单位（1pC=10-12C）。而输入量为加速度，单位为m/s2，灵敏度的单位是pC/ms-2。经常用标准重力加速度g作为加速度的单位。灵敏度的范围约为10100pC/g。或mV/g，通常为101000mV/g。,灵敏度低的传感器可用于动态范围很宽的振动测量。而高灵敏度的压电传感器可用于测量微弱的振动。（2）频率范围：常见的压电加速度传感器的频率范围为0.1Hz20kHz。,图7-13,压电式加速度传感器的主要技术特性（续）,（3）动态范围：常用的测量范围为0.1100g，或1000m/s2。测量冲击振动
30、时应选用10010000g的高频加速度传感器；而测量桥梁、地基等微弱振动往往要选择0.00110g的高灵敏度低频加速度传感器。（4）线性度：测量频率范围内，传感器灵敏度、输出信号与被测振动加速度成正比，约有1%左右的误差。（5）横向灵敏度：理想的加速度传感器对与该轴垂直的方向振动无反应。横向灵敏度通常用主轴灵敏度的百分比来表示。一般要求横向灵敏度小于3%5%。,4压电式振动加速度传感器的安装、使用方法,图7-14 压电式振动加速度传感器的安装、使用方法a）双头螺钉固定法 b）磁铁吸附法 c）胶水粘结法 d）手持探针式法1压电式加速度传感器 2双头螺钉 3磁铁 4粘结剂 5顶针,压电加速度传感器
31、的使用,手持式测振仪,手持式压电加速度传感器听诊器,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,6汽车发动机爆震检测,汽车发动机中的气缸点火时刻必须十分精确。如果恰当地将点火时间提前一些，即有一个提前角（例如10度以内），就可使汽缸中汽油与空气的混合气体得到充分燃烧，使扭矩增大，排污减少。但提前角太大时，就会产生冲击波，发出尖锐的金属敲击声，称为爆震，可能使火花塞、活塞环熔化损坏，使缸盖、连杆、曲轴等部件过载、变形。可用压电传感器检测到爆震，并适当延迟之。,爆震波形,爆震测控原理（图7-16）,a）汽车爆震传感器 b）爆震波形 c）爆震控制 原理框图,爆震测量,压电陶瓷加速度传感器,休 息 一 下,拓展阅读网络资料列表网址：http:/,2023年7月30日星期日,現在時間是：12:44 休息一下！,
