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公司新闻

振动加速度传感器

作者: 时间:2020-03-25 11:20

一、振荡参数丈量的内容与振荡测验体系的组成

振荡测验是动态测验的典型内容之一,一般包含以下三个方面的内容。

(1)振荡体系振荡参数的测验,包含丈量振荡物体 上某点的位移、振荡速度、振荡加速度、功率和相位等参数,了解被测目标的振荡状况,鉴定等级和寻觅振源,对设备进行监测、剖析、确诊和猜测。

(2)振荡体系特性参数的测验。以某种激振力效果在被测目标上,使它发作受迫振荡,丈量输入(鼓励)和输出(被测目标振荡呼应),然后确认被测目标的振荡力学参数或动态功能,如固有频率、阻尼、刚度、频率呼应和模态等参数。

(3)机械动力强度和模仿环境振荡实验,即按规则的振荡条件,对设备进行振荡例行实验,用以查看设备的耐振寿数、功能稳定性以及规划、制作、设备的合理性。

不同的振荡测验体系,运用不同类型的振荡加速度w66.com利来最老牌传感器,如磁电式速度传感器配用微积分扩大器进行测验;压电式加速度传感器,配用电荷扩大器进行振荡参数测验。

本篇只介绍现在最常用的压电式加速度传感器与电荷扩大器组成的振荡测验体系。压电式加速度传感器的作业原理是依据压电效应。

二、压电效应与逆压电效应

某些电介质,当沿着必定方向对其施力使它变形时,其内部就发作极化现象,一起在它的表面上便发作符号相反的电荷,当外力去掉后,又从头康复到不带电状况,这种现象称为压电效应。当效果力方向改动时,电荷的极性也随之改动。有时人们把这种机械能转化为电能的现象,称为“正压电效应”。相反,当在电介质极化方向施加电场时,这些电介质也会发作变形,这种现象称为“逆压电效应”(电致伸缩放应)。压电资料能完成机电能量的彼此转化。

晶体的压电效应可用图1加以阐明。图1(a)所示是晶体具有压电效应的示意图。一些晶体不受外力效果时,晶体的正负电荷中心相重合,单位体积中的电矩(极化强度)等于零,晶体对外不呈现极性。而在外力效果下晶体变形时,正负电荷的中心发作别离,这时单位体积的电矩不再为零,晶体表现出极性。图1(b)中,别的一些晶体由于具有中心对称的结构,不管外力怎么效果,晶体正负电荷的中心总是重合在一起,因而这些晶体不会呈现压电效应。

图1(a)具有压电效应的晶体


图1(b)不具有压电效应的晶体

压电资料能够分为两大类:压电晶体和压电陶瓷。压电资料的首要特性参数如下。

① 压电常数。它是衡量资料压电效应强弱的参数,直接联系到压电输出的灵敏度。

② 弹性常数。压电资料的弹性常数、刚度决议着压电器材的固有频率相动态特性。

③ 介电常数。关于必定形状、尺度的压电元件,其固有电容与介电常数有关,而固有电容又影响着压电传感器的频率下限。

④ 机械耦合系数。在压电效应中,其值等于转化输出能量(如电能)与输入能量(如机械能)之比的平方根,它是衡量压电资料电能量转化功率的一个重要参数。

⑤ 电阻。压电资料的绝缘电阻将削减电荷走漏,然后改进压电传感器的低频特性。

⑥ 居里点。压电资料开端损失压电特性的温度。

三、压电式加速度传感器的结构与运用

压电式加速度传感器是依据某种晶体资料的压电效应而制成的惯性传感器。传感器受振时,质量块加在压电元件上的力随之改变,当被测振荡频率远低于传感器的固有频率时,这个力的改变与被测振荡的加速度成正比。由于压电效应.在压电元件中便发作了与被测加速度成正比的电荷量。

(1)压电式加速度传感器的结构

如图2所示,压电式加速度传感器首要由压电元件P、质量块M、压紧绷簧S和基座B等组成。压电式加速度传感器方式较多,图(a)为外缘固定型,其绷簧外缘固定在壳体上,此结构因底座与壳体构成了绷簧质量体系的一部分,故易遭到外界温度与噪声的影响,以及设备紧固时底座变形引起的影响,这些都直接影响加速度的输出;图(b)为中心固定型,压电元件、质量块和压紧绷簧固定在一个中心杆上,压电元件的预紧力由中心杆上部的蝶形绷簧调整,壳体仅起屏蔽效果,消除了壳体变形带来的影响;图(c)为倒置中心固定型,这种结构的中心杆不直接与基座相衔接,能够避免基座变形带来的影响,但其壳体壁部分也简单发作弹性变形,故其共振频率较低;图(d)为剪切型,它是将一个圆筒状压电元件粘结在中心架上,并在压电元件的外圆又粘结一个圆筒状质量块,当传感器遭到沿轴向的振荡时,压电元件遭到剪切应力而发作电荷,这种结构有利于下降基座变形及外界温度改变与噪声的影响,有很高的共振频率和灵敏度,且横向灵敏度小。

图2 压电式加速度传感器结构方式

(2)压电式加速度传感器的首要功能参数

① 灵敏度。压电式加速度传感器既可当作一个电荷源,又能够当作一个电压源,故其灵敏度也能够别离用电荷灵敏度和电压灵敏度来表明。电荷灵敏度是指单位加速度所发作的电荷量值巨细,可表明为:

式中

Sq——电荷灵敏度(Pc/g);

q——加速度传感器输出电荷(Pc);

a——传感器所受加速度(g为重力加速度本位)。

电压灵敏度是指单位加速度所发作的电压量值巨细,可表明为

式中

Su——电压灵敏度(mV/g);

U——加速度传感器输出电压(mV)。

关于某一给定压电资料的压电式加速度传感器,其灵敏度随质量块的增大而增大。一般说来,加速度传感器尺度越大,灵敏度越高,其固有频率越低。

② 频率呼应规模。由惯性式加速度传感器的呼应条件的剖析可知,加速度传感器的运用频率上限取决于其共振频率。由于压电式加速度传感器的阻尼甚小(一般ξ ≤0.1),上限频率约为共振频率的30%时,幅值误差可小于10%;上限频率约为共振频率的20%时,幅值误差可小于5%;所以,压电式加速度传感器的固有频率越高,其可用的频率规模越宽。质量小的传感器,其固有频率高,则高频功能好,但由于其灵敏度低,故低频功能差;质量大的传感器则相反。振荡测验时可依据实践测验要求挑选。

压电式加速度传感器可丈量的下限频率不取决于传感器自身,而取决于所选用丈量体系的低频特性。压电元件作业时发作的电荷量是极端弱小的,而丈量体系不可避免地要发作电荷走漏,然后构成丈量误差。关键是要测定这样弱小的电荷(或电压),以及怎么把电荷走漏削减到丈量准确度所要求的极限以内。电压扩大器实践便是一个高输入阻抗的份额扩大器,其电路比较简单,但输出受衔接电缆对地电容的影响,适用于一般振荡丈量。电荷扩大器以电容作负反馈,运用中根本上不受电缆电容的影响,输入阻抗也更高,其下限截止频率更低。一般电荷扩大器可到达0.01Hz数量级,最低的可到达准静态的程度。

图3所示是某压电式加速度传感器的幅频特性曲线,其可用的频率规模在特性曲线平直段。关于某些测验项目,如结构传递函数的丈量、现场动平衡测验等,不只要求满意幅值丈量精度,而且要求相移也在容许规模内。考虑相移后,运用频率规模要比只考虑幅值时更窄些。

图3 压电式加速度传感器幅频特性曲线

③ 横向灵敏度。由于压电资料自身的下均匀性与不规则性,所以当压电式加速度传感器横向受振时,也会发作必定的输出,其巨细用横向灵敏度表明。一般规则,横向灵敏度不得大于主灵敏度的3%。

(3)压电式加速度传感器的设备

压电式加速度传感器的运用上限频率受其共振频率的约束,所以出厂时均给出频率呼应曲线。由于频率呼应曲线与设备办法联系很大,所以若设备办法不妥,如结合力不行、组合面粗糙、设备螺钉孔与设备面不笔直等,都会使共振频率下降,然后下降传感器的运用上限频率。常用于固定加速度传感器的设备办法许多,如图4所示,用钢制双头螺栓将传感器固定于光亮平面上是最好的办法,拧紧螺栓时,应避免基座变形而影响输出。在结合面之间涂一薄层硅脂,能够添加设备刚度,有利于高频呼应。需求绝缘时,可用绝缘螺栓和极薄的云母垫圈来固定传感器。用粘接螺栓和粘接剂固定传感器的办法也很便利,其可测的上限频率不得高于5kHz。在低温条件下可用一层薄蜡来黏附传感器。用双面胶纸代替粘接剂来固定传感器也是卓有成效的办法。手持探针测振的办法只能用于1kHz以下的近似勘探,多测点时比较便利。选用专用永久磁铁来固定传感器运用便利,多在低频丈量中运用。当然,探针与磁铁会构成附加质量,在轻小体系上测验时要留意其影响。

图4 加速度传感器的固定办法

四、振荡加速度丈量体系的根本组成

(1)测振体系的组成

由于振荡根本参数的丈量其被测目标是振荡的,所以这类测验的振荡传感器可依据测验的要求设备在被测目标测点上。常用测振体系原理如图5所示。

图5 测振体系原理图

关于压电加速度传感器,作业受振后直接有电荷或电压输出,但由于传感器输出的电信号均较弱小,所以为了能够推进记载设备,有必要对信号进行扩大。测振扩大器是测验体系中传感器与记载器的中心环节,其输入特性有必要满意传感器的要求,而其输出特性又有必要与记载仪器相匹配。压电式加速度传感器,其输出电信号有必要进行预扩大再输入扩大器,由于压电式加速度传感器是一个能发作电荷的高内阻发电元件,但由于发作的电荷的总量级较小,难以直接传输;一起,一般丈量仪器的输入阻抗不可能很高,此弱小电荷又极易在丈量电路的输入电阻上被释放掉,所以要求衔接压电式加速度传感器的丈量或扩大设备(如电压扩大器或电荷扩大器)有必要有较高的输入阻抗,而且将压电式加速度传感器的高输出阻抗变换为低输出阻抗,以便与主扩大器衔接。由于这类预扩大设备都是作为丈量体系的前级扩大,故统称为前置扩大器。测振扩大器除了有扩大效果外,常兼有积分、微分和滤波等功能。

依据振荡测验的意图和要求,能够把通过扩大的电信号直接输入指示记载仪器,将振荡的时刻进程记载显现出来;也能够把该信号先输入到剖析仪器进行必要的参数统计剖析,如频谱剖析、相关剖析及功率谱剖析等,然后再记载显现。

(2)测验体系与测验仪器的挑选

在振荡加速度测验中合理挑选测振仪器与测验体系十分重要,挑选不妥往往会得出过错的成果。这儿首要考虑以下几个方面。

① 频率规模。依据被测目标振荡的频率规模确认各测验环节(振荡传感器、前置扩大器、主扩大器及指示记载仪器等)的频率呼应特性。选用加速度传感器时,传感器固有频率应该是被测振荡信号中最高频率的3~5倍,其他各测验环节中,不同的测验仪器其频率呼应特性不同,能够丈量的频率规模也不一样,挑选仪器时应留意。相位有要求的测验项目(如作真假频频谱、幅相图、振型等丈量),除了应该留意传感器的相频特性外,还要留意扩大器,特别是带微积分网络的扩大器的相频特性和测验体系中所有其他仪器的相频特性,由于所测得的鼓励和呼应之间的相位已包含了测验体系中所有仪器的相移。

② 振级巨细和测验精度要求。依据被测振荡幅值的最大值和最小值确认各环节的动态规模,并确认各环节及总的测验精度;不能片面选用高灵敏度的仪器,加速度传感器灵敏度随质量块的增大而增大。可是其固有频率却随之下降,这就意味着运用上限频率的下降,对试件而言附加质量也增大了。此外,仪器的灵敏度越高,量程规模也越小,抗干扰才能越差,选用时应特别留意。

③ 试件质量与刚度巨细。以此确认传感器型式、质量及有关固定办法。

④ 测验环境。如温度、湿度等,以此确认传感器的安装办法及体系接地等。

此外,还应该考虑测验体系内各个环节之间的合作联系,包含各环节间的阻抗匹配联系、灵敏度匹配联系、测验精度匹配联系等。

(来历:互联网)