振動傳感器

1.引入新技術發展新功能 ^[1] 

隨着人們對自然認識的深化，會不斷髮現一些新的物理效應、化學效應、生物效應等。利用這些新的效應可開發出相應的新型傳感器，從而為提高傳感器性能和拓展傳感器的應用範圍提供新的可能。圖爾克市場技術部產品經理兼技術支持主管楊德友向記者表示，“目前傳感器界的最大特點就是不斷引入新技術發展新功能。”如檢測金屬產品位置的電感式接近開關，它利用金屬物體接近能產生電磁場的振盪感應頭時在被測金屬上形成的渦流效應來檢測金屬產品的位置。由於不同金屬渦流效應的效果不同，因此不同金屬的檢測距離是不一樣的，尤其是面對各類合金時，普通的電感式接近開關就顯得力不從心，這就要求生產廠商在提高產品功能上下功夫。由於電感式接近開關其內部結構是在鐵氧體磁芯上繞制線圈作為電感線圈，而鐵氧體磁芯自身的限制使得電感式傳感器不可能在已有的設計理念下發展，那麼只能在技術上開發出可以替代鐵氧體線圈的產品來提高產品的性能。圖爾克公司的電感式接近開關就摒棄了鐵氧體磁芯，從而去掉了磁芯的限制。這樣在檢測不同金屬時可以通過電路調節提高產品的檢測距離，並且全金屬檢測距離無衰減，抗干擾能力也有所提升。

2. 利用新材料發展新產品

傳感器材料是傳感器技術的重要基礎，隨着材料科學的進步，人們可製造出各種新型傳感器。例如用高分子聚合物薄膜製成温度傳感器，光導纖維能製成壓力、流量、温度、位移等多種傳感器，用陶瓷製成壓力傳感器。高分子聚合物能隨周圍環境的相對濕度大小成比例地吸附和釋放水分子。將高分子電介質做成電容器，測定電容容量的變化，即可得出相對濕度。利用這個原理製成的等離子聚合法聚苯乙烯薄膜温度傳感器，具有測濕範圍寬、温度範圍寬、響應速度快、尺寸小、可用於小空間測濕、温度係數小等特點。陶瓷電容式壓力傳感器是一種無中介液的乾式壓力傳感器。採用先進的陶瓷技術，厚膜電子技術，其技術性能穩定，年漂移量的滿量程誤差不超過0.1%，温漂小，抗過載更可達量程的數百倍。

光導纖維的應用是傳感材料的重大突破，光纖傳感器與傳統傳感器相比有許多特點：靈敏度高、結構簡單、體積小、耐腐蝕、電絕緣性好、光路可彎曲、便於實現遙測等。而光纖傳感器與集成光路技術的結合，加速了光纖傳感器技術的發展。將集成光路器件代替原有光學元件和無源光器件，光纖傳感器又具有了高帶寬、低信號處理電壓、可靠性高、成本低等特點。

在工程振動測試領域中，測試手段與方法多種多樣，但是按各種參數的測量方法及測量過程的物理性質來分，可以分成三類。

將工程振動的參量轉換成機械信號，再經機械系統放大後，進行測量、記錄，常用的儀器有槓桿式測振儀和蓋格爾測振儀，它能測量的頻率較低，精度也較差。但在現場測試時較為簡單方便。

將工程振動的參量轉換為光學信號，經光學系統放大後顯示和記錄。如讀數顯微鏡和激光測振儀等。

將工程振動的參量轉換成電信號，經電子線路放大後顯示和記錄。電測法的要點在於先將機械振動量轉換為電量（電動勢、電荷、及其它電量），然後再對電量進行測量，從而得到所要測量的機械量。這是目前應用得最廣泛的測量方法。

上述三種測量方法的物理性質雖然各不相同，但是，組成的測量系統基本相同，它們都包含拾振、測量放大線路和顯示記錄三個環節。

1、拾振環節。把被測的機械振動量轉換為機械的、光學的或電的信號，完成這項轉換工作的器件叫傳感器。

2、測量線路。測量線路的種類甚多，它們都是針對各種傳感器的變換原理而設計的。比如，專配壓電式傳感器的測量線路有電壓放大器、電荷放大器等；此外，還有積分線路、微分線路、濾波線路、歸一化裝置等等。

3、信號分析及顯示、記錄環節。從測量線路輸出的電壓信號，可按測量的要求輸入給信號分析儀或輸送給顯示儀器（如電子電壓表、示波器、相位計等）、記錄設備（如光線示波器、磁帶記錄儀、X—Y 記錄儀等）等。也可在必要時記錄在磁帶上，然後再輸入到信號分析儀進行各種分析處理，從而得到最終結果。

振動傳感器在測試技術中是關鍵部件之一，它的作用主要是將機械量接收下來，並轉換為與之成比例的電量。由於它也是一種機電轉換裝置。所以我們有時也稱它為換能器、拾振器等。

振動傳感器並不是直接將原始要測的機械量轉變為電量，而是將原始要測的機械量做為振動傳感器的輸入量，然後由機械接收部分加以接收，形成另一個適合於變換的機械量，最後由機電變換部分再將變換為電量。因此一個傳感器的工作性能是由機械接收部分和機電變換部分的工作性能來決定的。

1、相對式機械接收原理

由於機械運動是物質運動的最簡單的形式，因此人們最先想到的是用機械方法測量振動，從而製造出了機械式測振儀（如蓋格爾測振儀等）。傳感器的機械接收原理就是建立在此基礎上的。相對式測振儀的工作接收原理是在測量時，把儀器固定在不動的支架上，使觸杆與被測物體的振動方向一致，並借彈簧的彈性力與被測物體表面相接觸，當物體振動時，觸杆就跟隨它一起運動，並推動記錄筆桿在移動的紙帶上描繪出振動物體的位移隨時間的變化曲線，根據這個記錄曲線可以計算出位移的大小及頻率等參數。

由此可知，相對式機械接收部分所測得的結果是被測物體相對於參考體的相對振動，只有當參考體絕對不動時，才能測得被測物體的絕對振動。這樣，就發生一個問題，當需要測的是絕對振動，但又找不到不動的參考點時，這類儀器就無用武之地。例如：在行駛的內燃機車上測試內燃機車的振動，在地震時測量地面及樓房的振動……，都不存在一個不動的參考點。在這種情況下，我們必須用另一種測量方式的測振儀進行測量，即利用慣性式測振儀。

2、慣性式機械接收原理

慣性式機械測振儀測振時，是將測振儀直接固定在被測振動物體的測點上，當傳感器外殼隨被測振動物體運動時，由彈性支承的慣性質量塊將與外殼發生相對運動，則裝在質量塊上的記錄筆就可記錄下質量元件與外殼的相對振動位移幅值，然後利用慣性質量塊與外殼的相對振動位移的關係式，即可求出被測物體的絕對振動位移波形。

一般來説，振動傳感器在機械接收原理方面，只有相對式、慣性式兩種，但在機電變換方面，由於變換方法和性質不同，其種類繁多，應用範圍也極其廣泛。

在現代振動測量中所用的傳感器，已不是傳統概念上獨立的機械測量裝置，它僅是整個測量系統中的一個環節，且與後續的電子線路緊密相關。

由於傳感器內部機電變換原理的不同，輸出的電量也各不相同。有的是將機械量的變化變換為電動勢、電荷的變化，有的是將機械振動量的變化變換為電阻、電感等電參量的變化。一般説來，這些電量並不能直接被後續的顯示、記錄、分析儀器所接受。因此針對不同機電變換原理的傳感器，必須附以專配的測量線路。測量線路的作用是將傳感器的輸出電量最後變為後續顯示、分析儀器所能接受的一般電壓信號。因此，振動傳感器按其功能可有以下幾種分類方法：

按機械接收原理分：相對式、慣性式；

按機電變換原理分：電動式、壓電式、電渦流式、電感式、電容式、電阻式、光電式；

按所測機械量分：位移傳感器、速度傳感器、加速度傳感器、力傳感器、應變傳感器、扭振傳感器、扭矩傳感器。

以上三種分類法中的傳感器是相容的。

電動式傳感器基於電磁感應原理，即當運動的導體在固定的磁場裏切割磁力線時，導體兩端就感生出電動勢，因此利用這一原理而生產的傳感器稱為電動式傳感器。

相對式電動傳感器從機械接收原理來説，是一個位移傳感器，由於在機電變換原理中應用的是電磁感應定律，其產生的電動勢同被測振動速度成正比，所以它實際上是一個速度傳感器。

電渦流傳感器是一種相對式非接觸式傳感器，它是通過傳感器端部與被測物體之間的距離變化來測量物體的振動位移或幅值的。電渦流傳感器具有頻率範圍寬（0～10 kHZ），線性工作範圍大、靈敏度高以及非接觸式測量等優點，主要應用於靜位移的測量、振動位移的測量、旋轉機械中監測轉軸的振動測量。

依據傳感器的相對式機械接收原理，電感式傳感器能把被測的機械振動參數的變化轉換成為電參量信號的變化。因此，電感傳感器有二種形式，一是可變間隙，二是可變導磁面積。

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。可變間隙式可以測量直線振動的位移。可變面積式可以測量扭轉振動的角位移。

慣性式電動傳感器由固定部分、可動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，其可動部分的質量應該足夠的大，而支承彈簧的剛度應該足夠的小，也就是讓傳感器具有足夠低的固有頻率。

根據電磁感應定律，感應電動勢為：u=Blx&r

式中B為磁通密度，l為線圈在磁場內的有效長度， r x&為線圈在磁場中的相對速度。

從傳感器的結構上來説，慣性式電動傳感器是一個位移傳感器。然而由於其輸出的電信號是由電磁感應產生，根據電磁感應電律，當線圈在磁場中作相對運動時，所感生的電動勢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來説，感應電動勢是同被測振動速度成正比的，所以它實際上是一個速度傳感器。

壓電式加速度傳感器的機械接收部分是慣性式加速度機械接收原理，機電部分利用的是壓電晶體的正壓電效應。其原理是某些晶體（如人工極化陶瓷、壓電石英晶體等，不同的壓電材料具有不同的壓電係數，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，它的晶體面或極化面上將有電荷產生，這種從機械能（力，變形）到電能（電荷，電場）的變換稱為正壓電效應。而從電能（電場，電壓）到機械能（變形，力）的變換稱為逆壓電效應。

因此利用晶體的壓電效應，可以製成測力傳感器，在振動測量中，由於壓電晶體所受的力是慣性質量塊的牽連慣性力，所產生的電荷數與加速度大小成正比，所以壓電式傳感器是加速度傳感器。

在振動試驗中，除了測量振動，還經常需要測量對試件施加的動態激振力。壓電式力傳感器具有頻率範圍寬、動態範圍大、體積小和重量輕等優點，因而獲得廣泛應用。壓電式力傳感器的工作原理是利用壓電晶體的壓電效應，即壓電式力傳感器的輸出電荷信號與外力成正比。

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於一體，其作用是在力傳遞點測量激振力的同時測量該點的運動響應。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，它的優點是，保證測量點的響應就是激振點的響應。使用時將小頭（測力端）連向結構，大頭（測量加速度）與激振器的施力杆相連。從“力信號輸出端”測量激振力的信號，從“加速度信號輸出端”測量加速度的響應信號。

注意，阻抗頭一般只能承受輕載荷，因而只可以用於輕型的結構、機械部件以及材料試樣的測量。無論是力傳感器還是阻抗頭，其信號轉換元件都是壓電晶體，因而其測量線路均應是電壓放大器或電荷放大器。

電阻式應變式傳感器是將被測的機械振動量轉換成傳感元件電阻的變化量。實現這種機電轉換的傳感元件有多種形式，其中最常見的是電阻應變式的傳感器。

電阻應變片的工作原理為：應變片粘貼在某試件上時，試件受力變形，應變片原長變化，從而應變片阻值變化，實驗證明，在試件的彈性變化範圍內，應變片電阻的相對變化和其長度的相對變化成正比。

激光傳感器利用激光技術進行測量的傳感器。它由激光器、激光檢測器和測量電路組成。激光傳感器是新型測量儀表，它的優點是能實現無接觸遠距離測量，速度快，精度高，量程大，抗光、電干擾能力強等，極適合於工業和實驗室的非接觸測量應用。