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1、4.14.1惯性式测振传感器的力学模型和特性分析（绝对式）（一）力学模型和运动方程式（一）力学模型和运动方程式（二）惯性式位移传感器的响应条件（二）惯性式位移传感器的响应条件惯性式位移传感器的惯性式位移传感器的输出位移输出位移zm反映反映被测振动被测振动的位移量的位移量xm。n位移传感器的上限测量频率上限测量频率在理论上是无限的，但实际上受具体仪器结构和元器件特性、后继放大电路频响等条件的限制，不能太高。n下限测量频率下限测量频率则受弹性元件的强度和质量块尺寸、重量等因素的限制，使n不能太小。n因此位移传感器的频率范围是有限的。（三）惯性式加速度传感器的响应条件（三）惯性式加速度传感器的响应条
2、件惯惯性性式式加加速速度度传传感感器器的的质质量量块块相相对对位位移移Zm与与被被测测振振动动的的加加速速度度成成正正比比，因因而而可可用用质质量量块块的的位位移移来反映被测振动的加速度大小。来反映被测振动的加速度大小。加速度传感器幅频特性的表达式加速度传感器幅频特性的表达式:1.惯惯性性式式加加速速度度传传感感器器的的最最大大优优点点是是它它具具有有零零频频率率持持性性,理理论论下下限限测测量量频频率率为为零零，实实际际下下限限测测量量频频率极低。率极低。2.为为使使 n远远大大于于被被测测振振动动频频率率，加加速速度度传传感感器器的的尺尺寸寸、质质量量可可做做得得很很小小（小小于于1g），
3、从从而而对对被被测对象的附加影响也小。测对象的附加影响也小。3.传感器的影响：传感器的影响：固定在被测对象上的惯性式传感器将作为附加质量使整个系统的振动特性发生变化。4.2压电式加速度传感器压电式加速度传感器n当壳体连同基座和被测对象一起运动时，惯性质量块相对于壳体或基座产生位移，由此位移产生的弹性力加于压电元件上，在压电元件的两个端面上就产生了极性相反的电荷。n属于惯性式传感器属于惯性式传感器 其中k1为弹簧刚度，k2为压电元件的刚度；其中ms为惯性质量，mb为壳体或其座的质量。K为等效刚度，为等效刚度，M为折算质量为折算质量。压电式传感器通常不用阻尼元件，且其元件的内部阻尼也很小（(C+C
4、f)K为放大器的开环放大倍数灵敏度：质量块灵敏度：质量块质量越大，灵敏度越高；质量越大，灵敏度越高；频频率率响响应应范范围围：传感器的固有频率越高，则其可测频率范围越宽，目前可测的最低频率达0.1Hz。压电式加速度计常用的安装方法：压电式加速度计常用的安装方法：安装状态直接影响可测的频率范围安装状态直接影响可测的频率范围。一般用粘结法固定的可测频率不超过5kHz。手持探针法只能用于1Hz以下的近似测量。压电式加速度传感器的主要特性压电式加速度传感器的主要特性4.2压电式加速度传感器压电式加速度传感器用螺栓固定是最好的方法，尤其适用于测冲击波及高频振动。4.2压电式加速度传感器压电式加速度传感器
5、压电式阻抗头的结构和安装安装表面激振平台4.2压电式加速度传感器压电式加速度传感器4.3磁电式速度传感器磁电式速度传感器磁电式传感器是利用电磁感应原理，将输入运动速度变换成感应电势输出的传感器。对恒恒磁磁通通磁磁电电式式传传感感器器而言，工作气隙中的磁通恒定，感应电势是由于永久磁铁与线圈之间有相对运动线圈切割磁力线而产生。这类结构有两种：（a）动圈式；）动圈式；（b）动铁式）动铁式常用的是动圈式。1弹簧弹簧2壳体壳体3阻尼环阻尼环4磁钢磁钢5线圈线圈6芯轴芯轴要尽量降低n，采用薄片式弹性元件，并配以阻尼环3加大阻尼，使阻尼比达0.6-0.7，以增加低频段的测量范围。属于的受迫振动磁电式绝对速度
6、传感器4.3磁电式速度传感器磁电式速度传感器1顶杆顶杆2弹簧片弹簧片3磁钢磁钢4线圈线圈5引出线引出线6壳体壳体磁电式相对速度传感器磁电式相对速度传感器测量振动系统中两部件之间的相对振动速度；测量振动系统中两部件之间的相对振动速度；壳壳体体固固定定于于一一部部件件上上，而而顶顶杆杆与与另另一一部部件件相相连连接接，使使传传感感器器内部线圈与磁钢产生相对运动，发出相应的电动势。内部线圈与磁钢产生相对运动，发出相应的电动势。4.3磁电式速度传感器磁电式速度传感器灵敏度：灵敏度：频率范围：频率范围：下限：下限：10-15Hz，上限：，上限：1000Hz非线性度：非线性度：速度越大，失真越严重速度越大
7、，失真越严重温度误差：温度误差：温度变化引起温度变化引起B、L、R都会变化，使灵敏都会变化，使灵敏度下降。度下降。4.3磁电式速度传感器磁电式速度传感器性能指标：4.4电涡流测振传感器电涡流测振传感器4.5激光测振仪激光测振仪当光程差每变化半个光波波长时，明暗条纹变化一次。设一个振动周当光程差每变化半个光波波长时，明暗条纹变化一次。设一个振动周期内，计得干涉条纹变化数为期内，计得干涉条纹变化数为N，则：，则：迈迈克克尔尔逊逊干干涉涉仪仪第五节第五节振动测量系统振动测量系统5.1振动量的测量振动量的测量振动量：振动量：通常指反映振动的强弱程度的量，亦即指振动振动位移位移，振动速度振动速度和振动加
8、速度振动加速度的大小。这三者之间存在着确定的微分或积分关系。究竟测量哪个振动量是振动测量中必须考虑的问题之一。加速度加速度速速 度度位位 移移振动位移、振动速度和振动加速度三者的幅值之间的关系与频率有关。在低频振动场合，加速度的幅值不大，宜选用振动位移测量；在中频振动场合，宜选择振动速度测量，在高频振动场合，加速度幅值较大，宜选择加速度测量。第五节第五节振动测量系统振动测量系统（1）正弦测量系统）正弦测量系统振动量测量通常有以下几种系统：振动量测量通常有以下几种系统：正弦测量系统图正弦测量系统图n正弦测量系统适用于按简谐振动规律的系统。正弦测量系统适用于按简谐振动规律的系统。n应用正弦测量系统
9、，除了测量振幅外，有时还要求测量振幅对于激励应用正弦测量系统，除了测量振幅外，有时还要求测量振幅对于激励力的相位差，以及观察振动波形的畸变情况。力的相位差，以及观察振动波形的畸变情况。第五节第五节振动测量系统振动测量系统（2）动态应变测量系统）动态应变测量系统动动态态应应变变测测量量系系统统将将电电阻阻应应变变片片贴贴在在结结构构的的测测振振点点处处，或或直直接接制制成成应应变变片片式式位位移移计计或或加加速速度度计计，安安装装在在测测振振点点处处，将将应应变变片片接接入入电电桥桥，电电桥桥由由动动态态应应变变仪仪的的振振荡荡器器供供给给稳稳定定的的载载波波电电压压。测测振振时时由由于于振振动
10、动位位移移引引起起电电桥桥失失衡衡而而输输出出一电压，经放大并转一电压，经放大并转换成电流，由表头指示，或由光学示波器、计算机记录。换成电流，由表头指示，或由光学示波器、计算机记录。图图8.23动态应变测量系统的组成动态应变测量系统的组成第五节第五节振动测量系统振动测量系统第五节第五节振动测量系统振动测量系统模拟量频谱分析系统模拟量频谱分析系统传感器经微/积分放大器后，进入模拟量频谱分析仪。模拟式频谱分析仪，由跟踪滤波器或一系列窄带带通滤波器构成，随着滤波器中心频率的变化，信号中的相应频率的谐波分量得以通过，从而可以得到不同频率的谐波分量的幅值或功率的值，由仪表显示或记录；数字频谱分析系统数字
11、频谱分析系统现代振动分析系统大都是数字式分析系统。将来自传感器的模拟信号经过A/D转换，把模拟信号转换成数字序列信号，然后通过快速傅里叶（FFT）的运算，获得被测系统的频谱。（3）频谱分析系统）频谱分析系统第五节第五节振动测量系统振动测量系统5.2机械振动参数的估计机械振动参数的估计:单自由度系统固有频率和阻尼的测量单自由度系统固有频率和阻尼的测量1.自由振动法自由振动法一个单自由度振动系统，若给予初始冲击（其初速度为dz(0)dt)或初始位移z0）,则系统将在阻尼作用下作衰减自由振动。机械振动参数估计的目的是用以确定被测结构的固有频率、阻尼比、振型等振动模态参数。u自由振动法自由振动法u共振
12、法共振法第五节第五节振动测量系统振动测量系统第五节第五节振动测量系统振动测量系统阻尼比：阻尼比：Mi、Mi+1分别为阻尼自由振动的相邻超调量。d为阻尼自由振动的圆频率，为阻尼自由振动的圆频率，第五节第五节振动测量系统振动测量系统2.共振法共振法单自由度系统的受迫振动。当激振频率接近于系统的固有频率时，振动响应就急剧增大。位移共振：位移共振：第五节第五节振动测量系统振动测量系统例例1:惯性式位移传感器具有1HZ的固有频率，认为是无阻尼的振动系统，当它受到频率为2HZ的振动时，仪表指示振幅为1.25mm，求该振动系统的真实振幅是多少？（1）惯性式位移传感器的幅频特性（2）W=2Hz，Wn=1Hz，c=0，y0=1.25mm例例2：图是用压电式加速度传感器与电荷放大器测量某机器的振动。已知，传 感 器 的 灵 敏 度 为 100（pC/g），电 荷 放 大 器 的 反 馈 电 容C=0.01(F)，测 得 输 出 电 压 的 峰 值 Uom=0.4(V)，振 动 频 率 为100(HZ)。(1)求机器振动加速度的最大值A(m/s2);(2)假定振动为正弦波，求振动速度v(t);(3)求振动幅度的最大值X.（2）已知 a(t)=Asinwt,w=2f=628(rad/s)（3）（1）振幅X=0.001(m)