振動(dòng)傳感器的原理及應(yīng)用 

在高度發(fā)展的現(xiàn)代工業(yè)中，現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)向數(shù)字化、信息化方向發(fā)展已成為必然發(fā)展趨勢(shì)，而測(cè)試系統(tǒng)的更前端是傳感器，它是整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的靈魂，被世界各國(guó)列為技術(shù)，特別是近幾年快速發(fā)展的ic技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)，為傳感器的發(fā)展提供了良好與可靠的科學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)。使傳感器的發(fā)展日新月異，且數(shù)字化、多功能與智能化是現(xiàn)代傳感器的重要特征。     

一．傳感器的機(jī)械接受原理     

振動(dòng)傳感器在測(cè)試技術(shù)中是關(guān)鍵部件之一，它的作用主要是將機(jī)械量接受下來(lái)，并轉(zhuǎn)換為與之成比例的電量。由于它也是一種機(jī)電轉(zhuǎn)換裝置。所以我們有時(shí)也稱它為換能器、拾振器等。  

振動(dòng)傳感器并不是直接將原始要測(cè)得機(jī)械量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏?，而是將原始要測(cè)的機(jī)械量作為振動(dòng)傳感器的輸入量，然后由機(jī)械接收部分加以接收，形成另一個(gè)適合于變換的機(jī)械量，更后由機(jī)電變換部分再將變換為電量。因此一個(gè)傳感器的工作性能是由機(jī)械接收部分和機(jī)電變換部分的工作性能來(lái)決定的。   

1、 相對(duì)式機(jī)械接收原理   

由于機(jī)械運(yùn)動(dòng)是物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的更簡(jiǎn)單的形式，因此人們更先想到的是用機(jī)械方法測(cè)量振動(dòng)，從而制造出來(lái)機(jī)械式測(cè)振儀（如蓋格爾測(cè)振儀等）。傳感器的機(jī)械接收原理就是建立在此基礎(chǔ)上的。相對(duì)式測(cè)振儀的工作接收原理是在測(cè)量時(shí)，把儀器固定在不動(dòng)的支架上，使觸桿與被測(cè)物體的振動(dòng)方向一致，并借彈簧的彈性力與被測(cè)物體表面相接觸，當(dāng)物體振動(dòng)時(shí)，觸桿就跟隨它一起運(yùn)動(dòng)，并推動(dòng)記錄筆桿在移動(dòng)的紙帶上描繪出振動(dòng)物體的位移隨時(shí)間的變化曲線，根據(jù)這個(gè)記錄曲線可以計(jì)算出位移的大小及頻率等參數(shù)。 

由此可知，相對(duì)式機(jī)械接收部分所測(cè)得的結(jié)果是被測(cè)物體相對(duì)于參考體的相對(duì)振動(dòng)，只是當(dāng)參考體不動(dòng)時(shí)。才能測(cè)得被測(cè)物體的振動(dòng)。這樣，就發(fā)生一個(gè)問(wèn)題，當(dāng)需要測(cè)的是振動(dòng)，但又找不到不動(dòng)的參考點(diǎn)時(shí)，這類儀器就無(wú)用武之地。例如：在行駛的內(nèi)燃機(jī)車上測(cè)試內(nèi)燃機(jī)車的振動(dòng)，在地震時(shí)測(cè)量地面及樓房的振動(dòng)。。。。。，都不存在一個(gè)不動(dòng)的參考點(diǎn)。在這種情況下，我們必須用另一種測(cè)量方式的測(cè)振儀進(jìn)行測(cè)量，即利用慣性式測(cè)振儀。 

2、 慣性式機(jī)械接收原理   

慣性式機(jī)械測(cè)振儀測(cè)振時(shí)，是將測(cè)振儀直接固定在被測(cè)振動(dòng)物體的測(cè)點(diǎn)上，當(dāng)傳感器外殼隨被測(cè)振動(dòng)物體運(yùn)動(dòng)時(shí)，由彈性支承的慣性質(zhì)量塊將于外殼發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，則裝在質(zhì)量塊上的記錄筆就可記錄下質(zhì)量元件與外殼的相對(duì)振動(dòng)位移幅值，然后利用慣性質(zhì)量塊與外殼的相對(duì)振動(dòng)位移的關(guān)系式，即可求出被測(cè)物體的振動(dòng)位移波形。 

二、振動(dòng)傳感器的機(jī)電變換原理 

一般來(lái)說(shuō)，振動(dòng)傳感器在機(jī)械接收原理方面，只有相對(duì)式，慣性式倆種，但在機(jī)電變換方面，由于變換方法和性質(zhì)不同，其種類繁多，應(yīng)用范圍也及其廣泛。 

在現(xiàn)代振動(dòng)測(cè)量中所用的傳感器，已不是傳統(tǒng)概念上獨(dú)立的機(jī)械測(cè)量裝置，它僅是整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)中的一個(gè)環(huán)節(jié)，且與后續(xù)的電子線路緊密相關(guān)。 

由于傳感器內(nèi)部機(jī)電變換原理的不同，輸出的電量也各不相同，有的是將機(jī)械量的變化換為電動(dòng)勢(shì)、電荷的變化，有的是將機(jī)械振動(dòng)量的變化變?yōu)殡娮?、電感等電參量的變化。一般說(shuō)來(lái)，這些電量并不能直接被后續(xù)的顯示、記錄、分析儀器所接受。因此針對(duì)不同機(jī)電變換原理的傳感器，必須附以專配的測(cè)量線路。測(cè)量線路的作用是將傳感器的輸出電量更后變?yōu)楹罄m(xù)顯示、分析儀器所能接受的一般電壓信號(hào)。因此，振動(dòng)傳感器按其功能可以有以下幾種分類方法： 

按機(jī)械接收原理分：相對(duì)式、慣性式： 

按機(jī)電變換原理分：電動(dòng)式、壓電式、電渦流式、電感式、電容式、電阻式、光電式：  

按所測(cè)機(jī)械量分：位移傳感器、速度傳感器、加速度傳感器、力傳感器、應(yīng)變傳感器、扭振動(dòng)傳感器、扭矩傳感器： 

以上三種分類法中的傳感器是相容的。  

1、 相對(duì)式電動(dòng)傳感器 

電動(dòng)式傳感器基于電磁感應(yīng)原理，即當(dāng)運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)體在固定的磁場(chǎng)里切割磁力線時(shí)，導(dǎo)體兩端就感生出電動(dòng)勢(shì)，因此利用這一原理而生產(chǎn)的傳感器稱為電動(dòng)式傳感器。  

相對(duì)式電動(dòng)傳感器從機(jī)械接收原理來(lái)說(shuō)，是一個(gè)位移傳感器，由于在機(jī)電變換原理中應(yīng)用的是電磁感應(yīng)電律，其產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)同被測(cè)振動(dòng)成正比，所以它實(shí)際上是一個(gè)速度傳感器。   

2、電渦流式傳感器 

電渦流傳感器是一種相對(duì)式非接觸式傳感器，它是通過(guò)傳感器端部與被測(cè)物體之間的距離變化來(lái)測(cè)量物體的振動(dòng)位移或幅值的。電渦流傳感器具有頻率范圍寬（0~10khz），線性工作范圍大、靈敏度高以及非接觸式測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，主要應(yīng)用于靜位移的測(cè)量、振動(dòng)位移的測(cè)量、旋轉(zhuǎn)機(jī)械中監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)軸的振動(dòng)測(cè)量。   

3、 電感式傳感器  

依據(jù)傳感器的相對(duì)式機(jī)械接收原理。電感式傳感器能把被測(cè)的機(jī)械振動(dòng)參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換成為電參量信號(hào)的變化。因此，電感傳感器有二種形式，一是可變間隙，二是可變導(dǎo)磁面積。   

4、 電容式傳感器  

電容式傳感器一般分為兩種類型。即可變間隙式和可變公共面積式?？勺冮g隙式可以測(cè)量直線振動(dòng)的位移?？勺兠娣e式可以測(cè)量扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的角位移。    

5、 慣性式電動(dòng)傳感器   

慣性式電動(dòng)傳感器由固定部分、可動(dòng)部分以及支承彈簧部分所組成。為了使傳感器工作在位移傳感器狀態(tài)，其可動(dòng)部分的質(zhì)量應(yīng)該足夠的大，而支承彈簧的剛度應(yīng)該足夠的小，也就是讓傳感器具有足夠低的固有頻率。 

根據(jù)電磁感應(yīng)定律，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為：u=blx&r   式中b為磁通密度，l 為線圈在磁場(chǎng)內(nèi)的有效長(zhǎng)度，r x&為線圈在磁場(chǎng)中的相對(duì)速度。   

從傳感器的結(jié)構(gòu)上來(lái)說(shuō)，慣性式電動(dòng)傳感器是一個(gè)位移傳感器，然而由于其輸出的電信號(hào)是由電磁感應(yīng)產(chǎn)生，根據(jù)電磁感應(yīng)電律，當(dāng)線圈在磁場(chǎng)中作相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，所感生的電動(dòng)勢(shì)與線圈切割磁力線的速度成正比。因此就傳感器的輸出信號(hào)來(lái)說(shuō)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)是同被測(cè)振動(dòng)速度成正比的，所所以它實(shí)際上是一個(gè)速度傳感器。   

6、 壓電式加速度傳感器 

壓電式加速度傳感器的機(jī)械接收部分是慣性式加速度機(jī)械接收原理，機(jī)電部分利用的是壓電晶體的正壓電效應(yīng)。其原理是某些晶體（如人工好化陶瓷、壓電石英晶體等，不同的壓電材料具有不同的壓電系數(shù)，一般都可以在壓電材料性能表中查到。）在一定方向的外力作用下或承受變形時(shí)，它的晶體面或好化面上將有電荷產(chǎn)生，這種從機(jī)械能（力，變形）到電能（電荷，電場(chǎng)）的變換稱為正壓電效應(yīng)。而從電能（電場(chǎng)，電壓）到機(jī)械能（變形，力）的變換稱為逆壓電效應(yīng)。  

因此利用晶體的壓電效應(yīng)，可以制成測(cè)力傳感器，在振動(dòng)測(cè)量中，由于壓電晶體所受的力是慣性質(zhì)量塊的牽連慣性力，所產(chǎn)生的電荷數(shù)與加速度大小成正比，所以壓電式傳感器是加速度傳感器。   

7、 壓電式力傳感器  

在振動(dòng)試驗(yàn)中，除了測(cè)量振動(dòng)，還經(jīng)常需要測(cè)量對(duì)試件施加的動(dòng)態(tài)激振力。壓電式力傳感器具有頻率范圍寬、動(dòng)態(tài)范圍大、體積小和重量輕等優(yōu)點(diǎn)，因而獲得廣泛應(yīng)用。壓電式力傳感器的工作原理是利用壓電晶體的壓電效應(yīng)，即壓電式力傳感器的輸出電荷信號(hào)與外力成正比。  

    8、阻抗頭  

阻抗頭是一種綜合性傳感器。它集壓電式力傳感器和壓電式加速度傳感器于一體，其作用是在力傳遞點(diǎn)測(cè)量激振力的同時(shí)測(cè)量該點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。因此阻抗頭由兩部分組成，一部分是力傳感器，另一部分是加速度傳感器，它的優(yōu)點(diǎn)是，保證測(cè)量點(diǎn)的響應(yīng)就是激振點(diǎn)的響應(yīng)。使用時(shí)將小頭（測(cè)力端）連向結(jié)構(gòu)，大頭（測(cè)量加速度）與激振器的施力桿相連。從“力信號(hào)輸出端”測(cè)量激振力的信號(hào)，從“加速度信號(hào)輸出端”測(cè)量加速度的響應(yīng)信號(hào)。 

注意，阻抗頭一班只能承受輕載荷，因而只可以用于輕型的結(jié)構(gòu)、機(jī)械部件以及材料試樣的測(cè)量。無(wú)論是力傳感器還是阻抗頭，其信號(hào)轉(zhuǎn)換元件都是壓電晶體，因而其測(cè)量線路均應(yīng)是電壓放大器或電荷放大器。   

9、 電阻應(yīng)變式傳感器 

電阻式應(yīng)變式傳感器是將被測(cè)的機(jī)械振動(dòng)量轉(zhuǎn)換成傳感元件電阻的變化量。實(shí)現(xiàn)這種機(jī)電轉(zhuǎn)換的傳感元件有多種形式，其中更常見的是電阻應(yīng)變式的傳感器。  

電阻應(yīng)變片的工作原理為：應(yīng)變片粘貼在某試件上時(shí)，試件受力變形，應(yīng)變片原長(zhǎng)變化，從而應(yīng)變片阻值變化，試驗(yàn)證明，在試件的彈性變化范圍內(nèi)，應(yīng)變片電阻相對(duì)變化和其長(zhǎng)度的相對(duì)變化成正比。