振动传感器

什么是振动传感器

一般来说,振动传 感器在机械接收原理方面,只有相对式、惯性式两种,但在机电变换方面,由于变 换方法和性质不同,其种类繁多,应用范围也极其广泛。
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,它仅是 整个测量系统中的一个环节,且与后 续的电子线路紧密相关。
由于传 感器内部机电变换原理的不同,输出的 电量也各不相同。有的是 将机械量的变化变换为电动势、电荷的变化,有的是 将机械振动量的变化变换为电阻、电感等电参量的变化。一般说来,这些电 量并不能直接被后续的显示、记录、分析仪器所接受。因此针 对不同机电变换原理的传感器,必须附 以专配的测量线路。测量线 路的作用是将传感器的输出电量最后变为后续显示、分析仪 器所能接受的一般电压信号。因此,振动传 感器按其功能可有以下几种分类方法:
按机械接收原理分:相对式、惯性式;
按机电变换原理分:电动式、压电式、电涡流式、电感式、电容式、电阻式、光电式;
按所测机械量分:位移传感器、速度传感器、加速度传感器、力传感器、应变传感器、扭振传感器、扭矩传感器。
以上三 种分类法中的传感器是相容的。

振动传感器的分类

相对式
电动式 传感器基于电磁感应原理,即当运 动的导体在固定的磁场里切割磁力线时,导体两 端就感生出电动势,因此利 用这一原理而生产的传感器称为电动式传感器。
相对式 电动传感器从机械接收原理来说,是一个位移传感器,由于在 机电变换原理中应用的是电磁感应定律,其产生 的电动势同被测振动速度成正比,所以它 实际上是一个速度传感器。
电涡流式
电涡流 传感器是一种相对式非接触式传感器,它是通 过传感器端部与被测物体之间的距离变化来测量物体的振动位移或幅值的。电涡流 传感器具有频率范围宽(0~10 kHZ),线性工作范围大、灵敏度 高以及非接触式测量等优点,主要应 用于静位移的测量、振动位移的测量、旋转机 械中监测转轴的振动测量。
电感式
依据传 感器的相对式机械接收原理,电感式 传感器能把被测的机械振动参数的变化转换成为电参量信号的变化。因此,电感传 感器有二种形式,一是可变间隙,二是可变导磁面积。
电容式
电容式 传感器一般分为两种类型。即可变 间隙式和可变公共面积式。可变间 隙式可以测量直线振动的位移。可变面 积式可以测量扭转振动的角位移。
惯性式
惯性式 电动传感器由固定部分、可动部 分以及支承弹簧部分所组成。为了使 传感器工作在位移传感器状态,其可动 部分的质量应该足够的大,而支承 弹簧的刚度应该足够的小,也就是 让传感器具有足够低的固有频率。
根据电磁感应定律,感应电动势为:u=Blx&r
式中B为磁通密度,l为线圈 在磁场内的有效长度, r x&为线圈 在磁场中的相对速度。
从传感 器的结构上来说,惯性式 电动传感器是一个位移传感器。然而由 于其输出的电信号是由电磁感应产生,根据电磁感应电律,当线圈 在磁场中作相对运动时,所感生 的电动势与线圈切割磁力线的速度成正比。因此就 传感器的输出信号来说,感应电 动势是同被测振动速度成正比的,所以它 实际上是一个速度传感器。
压电式
压电式 加速度传感器的机械接收部分是惯性式加速度机械接收原理,机电部 分利用的是压电晶体的正压电效应。其原理是某些晶体(如人工极化陶瓷、压电石英晶体等,不同的 压电材料具有不同的压电系数,一般都 可以在压电材料性能表中查到。)在一定 方向的外力作用下或承受变形时,它的晶 体面或极化面上将有电荷产生,这种从机械能(力,变形)到电能(电荷,电场)的变换 称为正压电效应。而从电能(电场,电压)到机械能(变形,力)的变换 称为逆压电效应。
因此利 用晶体的压电效应,可以制成测力传感器,在振动测量中,由于压 电晶体所受的力是惯性质量块的牵连惯性力,所产生 的电荷数与加速度大小成正比,所以压 电式传感器是加速度传感器。
压电式力
在振动试验中,除了测量振动,还经常 需要测量对试件施加的动态激振力。压电式 力传感器具有频率范围宽、动态范围大、体积小 和重量轻等优点,因而获得广泛应用。压电式 力传感器的工作原理是利用压电晶体的压电效应,即压电 式力传感器的输出电荷信号与外力成正比。
阻抗头
阻抗头 是一种综合性传感器。它集压 电式力传感器和压电式加速度传感器于一体,其作用 是在力传递点测量激振力的同时测量该点的运动响应。因此阻 抗头由两部分组成,一部分是力传感器,另一部 分是加速度传感器,它的优点是,保证测 量点的响应就是激振点的响应。使用时将小头(测力端)连向结构,大头(测量加速度)与激振 器的施力杆相连。从"力信号输出端"测量激振力的信号,从"加速度信号输出端"测量加 速度的响应信号。
注意,阻抗头 一般只能承受轻载荷,因而只 可以用于轻型的结构、机械部 件以及材料试样的测量。无论是 力传感器还是阻抗头,其信号 转换元件都是压电晶体,因而其 测量线路均应是电压放大器或电荷放大器。
电阻应变式
电阻式 应变式传感器是将被测的机械振动量转换成传感元件电阻的变化量。实现这 种机电转换的传感元件有多种形式,其中最 常见的是电阻应变式的传感器。
电阻应 变片的工作原理为:应变片 粘贴在某试件上时,试件受力变形,应变片原长变化,从而应变片阻值变化,实验证明,在试件 的弹性变化范围内,应变片 电阻的相对变化和其长度的相对变化成正比。
激光
激光传 感器利用激光技术进行测量的传感器。它由激光器、激光检 测器和测量电路组成。激光传 感器是新型测量仪表,它的优 点是能实现无接触远距离测量,速度快,精度高,量程大,抗光、电干扰能力强等,极适合 于工业和实验室的非接触测量应用。


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