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1、振动传感器认知与校准实验 一、振动测试仪器简介l1、激振系统、激振系统l2、传感器、传感器l3、电荷放大器、电荷放大器l4、数据采集系统、数据采集系统二、实验报告要求 1、实验目的、实验目的（1 1）学学习习压压电电晶晶体体型型加加速速度度传传感感器器和和电涡流传感器的基本工作原理；电涡流传感器的基本工作原理；（2 2）学学习习压压电电晶晶体体型型加加速速度度传传感感器器电电荷荷灵灵敏敏度度的的标标定定，ICPICP型型加加速速度度传传感感器器电电压压灵灵敏敏度度的的标标定定，并并与与该该传传感感器器出出厂厂指指标标比比 较；较；（3 3）学学习习非非接接触触型型电电涡涡流流传传感感器器的的线
2、线性工作段及最佳安装位置的确定；性工作段及最佳安装位置的确定；（4 4）了解力锤及力传感器的使用。）了解力锤及力传感器的使用。2、实验内容、实验内容（1 1）压电型加速度传感器电荷（包括）压电型加速度传感器电荷（包括 ICPICP传感器电压）灵敏度的标定，传感器电压）灵敏度的标定，并与该传感器出厂时的数值相比并与该传感器出厂时的数值相比 较；较；（2 2）非接触型电涡流传感器的线性工）非接触型电涡流传感器的线性工 作段及最佳安装位置的的确定；作段及最佳安装位置的的确定；（3 3）力传感器的简单使用等。）力传感器的简单使用等。3、实验仪器、实验仪器（1 1）YE5501TYE5501T传感器校准
3、仪；传感器校准仪；（2 2）BK4384BK4384压电型加速度传感器；压电型加速度传感器；（3 3）CA-YD-189CA-YD-189型型ICPICP传感器；传感器；（4 4）ST-1ST-1非接触式电涡流传感器；非接触式电涡流传感器；（5 5）LCLC系列力锤及力传感器；系列力锤及力传感器；（6 6）YE5858AYE5858A电荷放大器；电荷放大器；（7 7）TDS-2012TDS-2012存储示波器等。存储示波器等。三、传感器简介 常常用用的的传传感感器器是是将将被被测测试试的的机机械械量量变变换换为为电电量量，以以便便为为后后续续仪仪表表进进行行显显示示、记记录录和和处处理理。由由
4、于于传传感感器器内内部部机机电电变变换换原原理理的的不不同同，输输出出的的电电量量也也各各不不相相同同。有有的的是是将将机机械械量量的的变变化化变变换换为为电电动动势势或或电电荷荷的的变变化化，有有的的是是将将机机械械振振动动量量的的变变化变换为电阻或电感等电参量的变化。化变换为电阻或电感等电参量的变化。传感器的种类繁多，应用范围也极其广泛。传感器的种类繁多，应用范围也极其广泛。但是在现代振动测量中所用的传感器，已不是传但是在现代振动测量中所用的传感器，已不是传统概念上独立的机械测量装置，而仅是整个测量统概念上独立的机械测量装置，而仅是整个测量系统中的一个环节，且与后续的电子线路紧密相系统中的
5、一个环节，且与后续的电子线路紧密相关。关。一般说来，由于传感器直接变换的电量并不一般说来，由于传感器直接变换的电量并不能直接被后续仪表显示、记录或分析仪器所接受。能直接被后续仪表显示、记录或分析仪器所接受。因此针对不同变换原理的传感器，须配附专用的因此针对不同变换原理的传感器，须配附专用的测量线路。测量线路的作用是将传感器的输出电测量线路。测量线路的作用是将传感器的输出电量变为后续显示或分析仪器所能接受的一般电压量变为后续显示或分析仪器所能接受的一般电压量。因此，传感器按其功能可有以下几种分类方量。因此，传感器按其功能可有以下几种分类方法：法：1.1.按机械接收按机械接收按机械接收按机械接收原
6、理分原理分原理分原理分相对式：顶杆式，非接触式相对式：顶杆式，非接触式相对式：顶杆式，非接触式相对式：顶杆式，非接触式惯性式惯性式惯性式惯性式(绝对式绝对式绝对式绝对式)2.2.按机电变换按机电变换按机电变换按机电变换原理分原理分原理分原理分电动式电动式电动式电动式(磁电式磁电式磁电式磁电式)电感式电感式电感式电感式压电式压电式压电式压电式 电容式电容式电容式电容式压阻式压阻式压阻式压阻式 电阻式电阻式电阻式电阻式3.3.按所测机械按所测机械按所测机械按所测机械量分量分量分量分位移传感器位移传感器位移传感器位移传感器 应变传感器应变传感器应变传感器应变传感器速度传感器速度传感器速度传感器速度传
7、感器 扭振传感器扭振传感器扭振传感器扭振传感器加速度传感器加速度传感器加速度传感器加速度传感器 扭矩传感器扭矩传感器扭矩传感器扭矩传感器力传感器力传感器力传感器力传感器 1.压电型加速度传感器 压电式加速度传感器最常见的类型有三种，即中压电式加速度传感器最常见的类型有三种，即中压电式加速度传感器最常见的类型有三种，即中压电式加速度传感器最常见的类型有三种，即中心压缩型、剪切型和三角剪切型。中心压缩型压电加心压缩型、剪切型和三角剪切型。中心压缩型压电加心压缩型、剪切型和三角剪切型。中心压缩型压电加心压缩型、剪切型和三角剪切型。中心压缩型压电加速度传感器的敏感元件由两个压电晶体片组成，其上速度传感
8、器的敏感元件由两个压电晶体片组成，其上速度传感器的敏感元件由两个压电晶体片组成，其上速度传感器的敏感元件由两个压电晶体片组成，其上放有一重金属制成的惯性质量块，用一预紧硬弹簧板放有一重金属制成的惯性质量块，用一预紧硬弹簧板放有一重金属制成的惯性质量块，用一预紧硬弹簧板放有一重金属制成的惯性质量块，用一预紧硬弹簧板将惯性质量块和压电元件片压紧在基座上。整个组件将惯性质量块和压电元件片压紧在基座上。整个组件将惯性质量块和压电元件片压紧在基座上。整个组件将惯性质量块和压电元件片压紧在基座上。整个组件就构成了一个惯性传感器（见图就构成了一个惯性传感器（见图就构成了一个惯性传感器（见图就构成了一个惯性传
9、感器（见图1 1 1 1）。为了使加速度）。为了使加速度）。为了使加速度）。为了使加速度传感器能正常工作，被测系统振动的频率应该远低于传感器能正常工作，被测系统振动的频率应该远低于传感器能正常工作，被测系统振动的频率应该远低于传感器能正常工作，被测系统振动的频率应该远低于加速度传感器的固有频率。根据牛顿第二定律，由于加速度传感器的固有频率。根据牛顿第二定律，由于加速度传感器的固有频率。根据牛顿第二定律，由于加速度传感器的固有频率。根据牛顿第二定律，由于惯性质量块和基座之间的相对运动，压电元件片就受惯性质量块和基座之间的相对运动，压电元件片就受惯性质量块和基座之间的相对运动，压电元件片就受惯性质
10、量块和基座之间的相对运动，压电元件片就受到与之相应的交变压力的作用，因此加速度传感器就到与之相应的交变压力的作用，因此加速度传感器就到与之相应的交变压力的作用，因此加速度传感器就到与之相应的交变压力的作用，因此加速度传感器就能输出与被测振动加速度信号成比例的电荷量。这就能输出与被测振动加速度信号成比例的电荷量。这就能输出与被测振动加速度信号成比例的电荷量。这就能输出与被测振动加速度信号成比例的电荷量。这就是压电式加速度传感器的工作原理。是压电式加速度传感器的工作原理。是压电式加速度传感器的工作原理。是压电式加速度传感器的工作原理。图图1 12.电涡流传感器 电涡流传感器是一种相电涡流传感器是一
11、种相电涡流传感器是一种相电涡流传感器是一种相对式非接触型传感器，它是对式非接触型传感器，它是对式非接触型传感器，它是对式非接触型传感器，它是通过传感器端部与被测物体通过传感器端部与被测物体通过传感器端部与被测物体通过传感器端部与被测物体之间的距离变化来测量物体之间的距离变化来测量物体之间的距离变化来测量物体之间的距离变化来测量物体的振动位移或幅值。电涡流的振动位移或幅值。电涡流的振动位移或幅值。电涡流的振动位移或幅值。电涡流传感器具有频率范围宽传感器具有频率范围宽传感器具有频率范围宽传感器具有频率范围宽(0(0(0(010kHZ)10kHZ)10kHZ)10kHZ)、线性工作范围大、线性工作范
12、围大、线性工作范围大、线性工作范围大、灵敏度高、结构简单以及非灵敏度高、结构简单以及非灵敏度高、结构简单以及非灵敏度高、结构简单以及非接触式测量等优点，主要应接触式测量等优点，主要应接触式测量等优点，主要应接触式测量等优点，主要应用于静位移的测量、振动位用于静位移的测量、振动位用于静位移的测量、振动位用于静位移的测量、振动位移的测量、旋转机械中监测移的测量、旋转机械中监测移的测量、旋转机械中监测移的测量、旋转机械中监测转轴的振动测量等。转轴的振动测量等。转轴的振动测量等。转轴的振动测量等。图图2 2 电电涡涡流流传传感感器器的的工工作作原原理理如如图图2 2所所示示。当当通通有有交交变变电电流
13、流i i的的线线圈圈靠靠近近导导体体表表面面时时，由由于于交交变变磁磁场场的的作作用用，在在导导体体表表面面层层就就感感生生电电动动势势，并并产产生生闭闭合合环环流流i ie e，称称为为电电涡涡流流。电电涡涡流流传传感感器器中中有有一一线线圈圈，当当给给传传感感器器线线圈圈通通以以高高频频激激励励电电流流i i时时，其其周周围围就就产产生生一一高高频频交交变变磁磁场场。当当被被测测的的导导体体靠靠近近传传感感器器线线圈圈时时，由由于于受受到到高高频频交交变变磁磁场场的的作作用用，在在其其表表面面产产生生电电涡涡流流i ie e，这这个个电电涡涡流产生的磁通又穿过原来的线圈，根据电流产生的磁通
14、又穿过原来的线圈，根据电磁感应定律，它总是抵抗主磁场的变化。磁感应定律，它总是抵抗主磁场的变化。因此，传感器线圈与导体表层产生的涡流因此，传感器线圈与导体表层产生的涡流相当于存在互感的两个线圈。互感的大小相当于存在互感的两个线圈。互感的大小与原线圈和导体表面的间隙有关，这样间与原线圈和导体表面的间隙有关，这样间隙的变化就转换为电感量的变化，然后再隙的变化就转换为电感量的变化，然后再通过测量线路将电感量的变化转换为电压通过测量线路将电感量的变化转换为电压的变化。因此，只要测出电压的变化，也的变化。因此，只要测出电压的变化，也就间接地求出了间隙的变化。这就是非接就间接地求出了间隙的变化。这就是非接
15、触式电涡流传感器的工作原理。触式电涡流传感器的工作原理。四、实验过程 1.加速度传感器（加速度传感器（ICP传感器）电荷（电传感器）电荷（电 压）灵敏度的校准压）灵敏度的校准 将将加加速速度度传传感感器器（或或ICP传传感感器器）旋旋紧紧在在YE5501T传传感感器器校校准准仪仪振振动动台台螺螺孔孔中中，连连接接导导线线从从传传感感器器至至校校准准仪仪测测试试面面板板部部分分的的Q（或或ICP）插插孔孔中中（注注意意Q和和ICP孔孔不不要要插插错错），将将校校准准部部分分的的调调节节旋旋钮钮逆逆时时针针旋旋到到底底，并并检检查查导导线连接是否牢固。线连接是否牢固。打打开开电电源源开开关关，预预
16、热热几几分分钟钟，按按下下校校准准按按钮钮，待待面面板板数数码码显显示示稳稳定定后后，缓缓慢慢顺顺时时针针调调节节旋旋钮钮至至10ms-2，显显示示稳稳定定后后，按按下下面面板板测测试试部部分分的的Q（或或ICP）按按钮钮，记记录录显显示示的的数数值值，即即为为压压电电型型加加速速度度传传感感器器的的电电荷荷灵灵敏敏度度（或或ICP传传感感器器的电压灵敏度）。的电压灵敏度）。反反复复调调整整校校准准和和测测试试按按钮钮三三次次，取取三三次次测测量量的平均值并记录下来。的平均值并记录下来。整整理理实实验验报报告告时时，将将测测试试的的结结果果与与该该传传感感器器出出厂厂时时的的相相关关数数值值进
17、进行行比比较较，计计算算出出灵灵敏敏度度的的变化百分比，并分析灵敏度变化的原因。变化百分比，并分析灵敏度变化的原因。加速度传感器灵敏度校准仪器见图加速度传感器灵敏度校准仪器见图3。(b)ICP型(a)压电型图3 加速度传感器灵敏度的校准 加速度传感器型号传感器机号出厂时灵敏度（PC/ms-2）测试灵敏度（PC/ms-2）误差=(ICP传感器型号传感器机号出厂时灵敏度（mv/ms-2）测试灵敏度（mv/ms-2）误差=(2.ST-1电涡流传感器的线性工作段及最佳安装电涡流传感器的线性工作段及最佳安装 位置的确定位置的确定 电电涡涡流流传传感感器器(加加上上专专用用的的前前置置器器)的的输输出出电
18、电压压与与间间隙隙的的关关系系曲曲线线称称为为间间隙隙电电压压曲曲线线，在在曲曲线线上上基基本本接接近近直直线线的的部部分分称称之之为为传传感感器器的的线线性性范范围围，线线性性段段的的斜斜率率即即为为间间隙隙电电压压灵灵敏敏度度，它它对应于每单位间隙变化时的输出电压的变化。对应于每单位间隙变化时的输出电压的变化。基于电涡流传感器的工作原理，由于被测对象基于电涡流传感器的工作原理，由于被测对象的材料不同，所以在测试之前可以采用静态标的材料不同，所以在测试之前可以采用静态标定的方法对传感器进行标定。而其中一项主要定的方法对传感器进行标定。而其中一项主要的内容就是确定传感器的安装位置。的内容就是确
19、定传感器的安装位置。电涡流传感器静态校准仪器照片见图电涡流传感器静态校准仪器照片见图4。a连接电涡流传感器至前置放大器，将传感器固定在静校器上，然后将前置器的直流输出接入存储示波器。b定好静校器的参考点，使传感器轻轻接触静校器的顶点（即间隙为零），然后打开仪器的电源，观察此时的电压值并记录。c选择若干值（建议每改变一次为0.1mm），缓慢增加千分表的间隙（即改变位移），记录示波器的电压值和频率值。（位移改变为2mm左右。）d最后确定最佳的传感器安装位置。图图4 4线性工作段及最佳安装位置l最佳安装位置为 l式中 1线性工作段起点；l 2线性工作段终点。位 移（mm）00.10.20.30.40
20、.50.60.70.8电压（V）电压差u（V）位移（mm）0.91.01.11.21.31.41.51.61.7电压（V）电压差u（V）位移（mm）1.81.92.02.12.22.32.42.52.6电压（V）电压差u（V）注：数字存贮示波器的调整注：数字存贮示波器的调整注：数字存贮示波器的调整注：数字存贮示波器的调整 1.将将将将变变变变换换换换器器器器的的的的直直直直流流流流输输输输出出出出连连连连接接接接于于于于示示示示波波波波器器器器通通通通道道道道1 1上上上上，打打打打开电源；开电源；开电源；开电源；2.2.按按按按“自动设置（自动设置（自动设置（自动设置（AUTO SETAUT
21、O SET）”按钮按钮按钮按钮 3.3.按按按按黄黄黄黄色色色色按按按按钮钮钮钮（CH1CH1菜菜菜菜单单单单），将将将将“耦耦耦耦合合合合”选选选选为为为为“直流直流直流直流”；“探头探头探头探头”为为为为“1X”1X”；4.4.按按按按“测测测测量量量量（MEASUREMEASURE）”，将将将将第第第第一一一一组组组组测测测测量量量量选选选选为为为为“最大值最大值最大值最大值”；5.5.调调调调整整整整第第第第一一一一通通通通道道道道“伏伏伏伏/格格格格”为为为为5.00V5.00V（屏屏屏屏幕幕幕幕左左左左下下下下角角角角显示；显示；显示；显示；“秒秒秒秒/格格格格”为为为为500ns
22、(500ns(屏幕下中显示）；屏幕下中显示）；屏幕下中显示）；屏幕下中显示）；6.6.按按按按“测量（测量（测量（测量（MEASUREMEASURE）”即可测试。即可测试。即可测试。即可测试。3.3.用力锤及力传感器测试力的大小用力锤及力传感器测试力的大小用力锤及力传感器测试力的大小用力锤及力传感器测试力的大小 a.a.将力锤及电荷放大器按实验要求连接将力锤及电荷放大器按实验要求连接将力锤及电荷放大器按实验要求连接将力锤及电荷放大器按实验要求连接 好，将参数设置好；好，将参数设置好；好，将参数设置好；好，将参数设置好；b.b.用力锤敲击某点，在数字存储示波器用力锤敲击某点，在数字存储示波器用力
23、锤敲击某点，在数字存储示波器用力锤敲击某点，在数字存储示波器 中观察力脉冲的时间历程。记录力的电压值中观察力脉冲的时间历程。记录力的电压值中观察力脉冲的时间历程。记录力的电压值中观察力脉冲的时间历程。记录力的电压值 并根据所设定的参数计算出力的大小；然后并根据所设定的参数计算出力的大小；然后并根据所设定的参数计算出力的大小；然后并根据所设定的参数计算出力的大小；然后 改用不同的力度及换用不同的锤帽敲击；分改用不同的力度及换用不同的锤帽敲击；分改用不同的力度及换用不同的锤帽敲击；分改用不同的力度及换用不同的锤帽敲击；分 别观察并记录数据。将结果填入下表中别观察并记录数据。将结果填入下表中别观察并
24、记录数据。将结果填入下表中别观察并记录数据。将结果填入下表中 力传感器 序列号电荷放大器 放大倍数锤 帽测试电压值（V）换算冲击力值（N）灵敏度 PC/N mv/N 3.冲击力测试时数字存贮示波器的调整冲击力测试时数字存贮示波器的调整 1.将力锤、电荷放大器和示波器按实验要求连接好，将力锤、电荷放大器和示波器按实验要求连接好，将力锤、电荷放大器和示波器按实验要求连接好，将力锤、电荷放大器和示波器按实验要求连接好，打开各仪器电源；打开各仪器电源；打开各仪器电源；打开各仪器电源；2.2.按按按按“自动设置（自动设置（自动设置（自动设置（AUTO SETAUTO SET）”按钮；按钮；按钮；按钮；3
25、.3.按按按按采采采采集集集集按按按按钮钮钮钮（ACQUIREACQUIRE），将将将将第第第第二二二二测测测测量量量量”选选选选为为为为“峰峰峰峰 值值值值检检检检测测测测”，按按按按“触触触触发发发发菜菜菜菜单单单单”（TRIG TRIG MENUMENU），将将将将触触触触 发方式选为发方式选为发方式选为发方式选为“正常正常正常正常”；4.4.调整第一通道调整第一通道调整第一通道调整第一通道“伏伏伏伏/格格格格”为为为为1.00V1.00V（屏幕左下角显示，屏幕左下角显示，屏幕左下角显示，屏幕左下角显示，“秒秒秒秒/格格格格”为为为为25ms(25ms(屏幕下中显示）；屏幕下中显示）；屏幕下中显示）；屏幕下中显示）；5.5.按按按按“单步测量（单步测量（单步测量（单步测量（SINGLE SEQSINGLE SEQ）”即可敲击测试。即可敲击测试。即可敲击测试。即可敲击测试。六、注意事项六、注意事项1.拔插传感器导线时，一定要关闭仪器电源，否则容易将放大器输入端烧毁。2.调节各输出旋钮时要缓慢，调节过程中应随时观察仪器是否有异常情况，如有异常应立即关闭仪器电源。3.记录测试数据时应待仪器显示稳定后再读数，并能分析并剔除测试结果的异常数据。4.实验结束后应检查实验数据，各仪器旋钮复位，关闭各仪器电源，整理实验现场。5.按实验教学要求及时认真整理实验报告并总结学习体会。