南宁无线振动传感器

微型振动传感元件F是一种采用新型高灵敏度振动传感器，具有全向检测、灵敏度可调、高抗干扰能力、产品一致性和互换性好、体积小、可靠性高、价格低、全密封式封裝可防水防尘等特点。


微型振动传感元件的内部结构，有一根金属棒架在两个电极中间，当无振动或倾斜时，传感器的导通电阻稳定，当检测到振动时电极间导电电阻迅速增大并和振动信号幅度成正比，从而触发电路。输出开关信号可直接与TTL电路和或者单片机电路接口，具有电路结构简单、输出阻抗高、静态工作电流小的优点。
典型应用：


1、传感器上接电路如图2所示。输出波形如图4所示，静态输出状态不定。R1是电路的偏置电阻，阻值取值范围为200K-2M欧姆，OUT是经过阻抗变换的输出端，如果负载电路输入阻抗很高，也可直接从传感器与偏置电阻的连接点输出。


性能参数：


1、大工作电压：48V
2、大工作电流：40毫安
3、工作温度：不**过100度
4、体积：直径5毫米长10毫米


适用范围：已经被大批量用于电动车报警器和防盗报警器及保险柜等产品中，可替代昂贵的振动传感器。

传感器分类


在这主要介绍两种分类，一类是有源与无源，另一类是隔离与非隔离。




有源传感器是指将传感器将非电能量转化为电能量输出，只转化能量本身，并不转化能量信号的传感器，也称为能量转换性传感器或换能器。因而，这类传感器工作时需要外部能量源激励，如激励电压，才能正常工作。由于需要进行能量转化，因而，传感器内部封装了电子元器件，测量过程中会带来噪声。这类传感器如ICP型（也称为IEPE型）加速度度传感器，零频加速度传感器等。




无源传感器是指不需要使用外接电源就能正常工作的传感器，且可以通过外部获取到无限制的能源。这类传感器对测量系统无噪声影响，或者影响很小，如应变片（花）、压电式传感器等。




隔离传感器是指传感器与待测结构之间相隔离，电流不能在二者之间流通。隔离传感器从电气角度与被测结构相分离，如应变片（花）通常与被测结构是相隔离的。传感器实现隔离的通常做法是在传感器底部安装了隔离器件，使电流不能流通


由于传感器应用十分广泛，类型多种多样，在各行各业都有应用。因此，在这里主要介绍用于振动测试的振动传感器的选型。按测量振动参量分类可分为三大类：位移传感器、速度传感器和加速度传感器（也称为加速度计）。一般来说，位移传感器适用于低频测量，速度传感器适用于中频测量，加速度传感器适用于中高频测量。由于加速度传感器具有生产工艺成熟、频响范围宽、动态范围大、安装方便等特点，因而在振动测试中应用广。因此，在这里主要介绍加速度传感器的选型。


 


本文主要内容包括：


1.    传感器分类；


2.    常见的加速计类型；


3.    选型指标；


4.    选型原则。




1. 传感器分类


在这主要介绍两种分类，一类是有源与无源，另一类是隔离与非隔离。




有源传感器是指将传感器将非电能量转化为电能量输出，只转化能量本身，并不转化能量信号的传感器，也称为能量转换性传感器或换能器。因而，这类传感器工作时需要外部能量源激励，如激励电压，才能正常工作。由于需要进行能量转化，因而，传感器内部封装了电子元器件，测量过程中会带来噪声。这类传感器如ICP型（也称为IEPE型）加速度度传感器，零频加速度传感器等。




无源传感器是指不需要使用外接电源就能正常工作的传感器，且可以通过外部获取到无限制的能源。这类传感器对测量系统无噪声影响，或者影响很小，如应变片（花）、压电式传感器等。




隔离传感器是指传感器与待测结构之间相隔离，电流不能在二者之间流通。隔离传感器从电气角度与被测结构相分离，如应变片（花）通常与被测结构是相隔离的。传感器实现隔离的通常做法是在传感器底部安装了隔离器件，使电流不能流通，如图1所示红色器件即是隔离器件。
非隔离传感器是指传感器与被测结构之间无隔离，电流可以在二者之间进行流通。这类传感器像热电偶，某些加速度传感器等。这类非隔离的传感器通常要求采用浮地或隔离地线，以避免接地循环，关于接地循环，请阅读《采样过程中存在的误差，您肯定不全知道！》。如果传感器自身不隔离，用户可以自行使用电气隔离器件实现隔离，这类器件如云母片、玻璃片和环氧树脂等。当对处于工作状态下的待测结构进行测量时，推荐使用“隔离”传感器。

常见加速度计类型


振动测量一般使用加速度计，是因为加速度计具有以下优点：生产工艺成熟、动态范围大、频率范围宽、线性度好、稳定性高、安装方便等特点。常用于中小结构的模态试验、汽车试验、旋转机械故障诊断试验和振动控制试验等。在这主要介绍两种类型的加速度传感器：压电式和ICP型加速度传感器。




压电式加速度传感器：是一种无源传感器，属于惯性式传感器。利用压电晶体，如石英晶体、压电陶瓷等的“压电效应”：在加速度计感受到振动时，质量块加在压电元件上的力也随之变化。压电晶体受力变形后，其内部会产生较化现象，同时在它的两个表面产生符号相反的电荷，当被测振动频率远低于加速度计的固有频率（谐振频率）时，则力的变化与被测加速度成正比。当外力去除后，又重新恢复到不带电状态，这种现象称为“压电效应”，具有“压电效应”的晶体称为压电晶体。关于压电更多详细，请阅读公众号“咖客电子工程”的《我们眼中的世界之压电》一文，以下为该文的二维码。





压电加速度计输出为电荷类型，故需要与电荷放大器配合使用，然后信号再传输到采集仪或者与内置电荷调理的采集仪直接连接。电荷放大器以电容作负反馈，使用中基本不受电缆电容的影响，但会受到静电场的影响。在电荷放大器中，通常用高质量的元器件，输入阻抗高，因而价格也比较贵，一般用的比较少。




ICP型加速度传感器：由于压电式传感器的输出电信号是微弱的电荷，而且传感器本身有很大内阻，故输出能量甚微，这给后接电路带来一定困难。为此，通常把传感器信号先输到高输入阻抗的前置放大器。经过阻抗变换以后，电荷量转换成电压量，然后再输出给后续的纪录仪器。目前，制造厂家已有把压电式加速度传感器与前置放大器集成在一起的加速度传感器，即：ICP型加速度传感器，也称IEPE加速度传感器，不仅方便了使用，而且也大大降低了成本。




ICP型加速度传感器由于内置了专门的集成调理电路，因此，属于有源传感器。而该电路要正常工作需要恒流源供电。当今普遍使用的24位采集仪一般都自带恒流功能，因而可直接与ICP型传感器连接使用。




内置集成电路的ICP型优势是低价位，抗干扰好，可长导线使用，但它的耐高温、可靠性不如电荷输出的压电加速度传感器，且动态范围也因输出电压和偏置电压的影响而受到限制。ICP型传感器的低频频响主要受传感器的放电时间常数影响，因此大多数信号适调器都采用交流耦合。

振动是自然界普遍的现象之一，大至宇宙小至原子粒子，无不存在振动现象。在工程技术领域中振动现象比比皆是，但在很多情况下振动是有害的，例如：振动降低加工精度和光洁度，加剧结构件的疲劳和磨损，在车辆和航空领域中机体及结构件的振动不但会影响驾驶员的操作和舒适度，严重情况下还会引起机体、结构件的断裂甚至解体。


 


振动传感器是用于检测冲击力或者加速度的传感器 ，通常使用的是加上应力就会产生电荷的压电器件，也有采用别的材料和方法可以进行检测的传感器。
振动传感器可用于机械中的振动和位移、转子与机壳的热膨胀量的长期监测；生产线的在线自动检测和自动控制；科学研究中的多种微小距离和微小运动的测量等。振动传感器广泛应用于能源、化工、医学、汽车、冶金，机器制造，**，科研教学等诸多领域。
振动传感器测量振动的方式很多，但总结起来，原理大多都采用以下三种：


 


机械式测量方法：将工程振动的变化量转换成机械信号，再经机械系统放大后，进行测量、记录，常用的仪器有杠杆式测振仪和盖格尔测振仪，这种方法测量频率较，精度差，但操作起来很方便。


 


光学式测量方法：将工程振动的变化量转换为光学信号，经光学系统放大后显示和记录。象激光测振仪就是采用这种方法。


 


电测方法：将工程振动的变化量转换成电信号，经线路放大后显示和记录。它是先将机械振动量转化成电量，然后对其进行测量，根据对应关系，知道振动量的大小，这是目前应用得广泛的震动测量方法。


 


从上面三种测量方法可以看出，它们都是经过振动传感器、信号放大电路和显示记录三个环节来完成的。


 


振动传感器的分类


 


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，应用范围也较其广泛。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 后变为后续显示、分析仪器所能接受的一般电压信号。
一般情况下，振动传感器按其功能不同可以有以下几种几种分法：


 


按机械接收原理分为相对式、惯性式；




按机电变换原理分为电动式、压电式、电涡流式、电感式、电容式、电阻式、光电式； 




按所测机械量分为位移传感器、速度传感器、加速度传感器。




相对式和惯性式振动传感器


相对式振动传感器主要用于测量振动体相对其振动参照点的运动（例如机床转轴相对于机床底座的振动等）；
惯性式振动传感器主要用于测量振动体相对于大地或惯性空间的运动（例如机床底座的振动、地面的振动、天空中飞机的振动等）。**式测振传感器因为内部包含惯性质量块，故又称为惯性式测振传感器。


 


惯性式式振动传感器必须与被测振动体接触安装，相对式传感器可以是接触式，亦可以是非接触式的。


 


电动式振动传感器




电动式振动传感器又分为相对式电动传感器和惯性式电动电动传感器


 
相对式电动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。



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，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。


 


压电式振动传感器




压电式振动传感器还可以分为压电式加速度传感器、压电式力传感器和阻抗头


 


压电式加速度传感器


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（如人工较化陶瓷、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，它的晶体面或较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。


 


压电式力传感器


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。


 


电涡流式振动传感器




电涡流振动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。


 


电感式振动传感器
电感式振动传感器是依据电磁感应原理设计的一种振动传感器。电感式振动传感器设置有磁铁和导磁体，对物体进行振动测量时，能将机械振动参数转化为电参量信号。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。电感式振动传感器能应用于振动速度、加速度等参数的测量。


 


电容式振动传感器
电容式振动传感器是通过间隙或公共面积的改变来获得可变电容，再对电容量进行测定而后得到机械振动参数的。电容式振动传感器可以分为可变间隙式和可变公共面积式两种，前者可以用来测量直线振动位移，后者可用于扭转振动的角位移测定。


 


电阻应变式振动传感器


 


电阻式应变式振动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，其中常见的是电阻应变式片。


 
电阻应变片的基本构造如图，它一般由敏感栅、基底、引线、盖片等组成。敏感栅由直径为0.01-0.05mm、高电阻系数的细丝弯曲而成栅状，它实际上是一个电阻元件，是电阻应变片感受构件应变的敏感部分。敏感栅用粘合剂将其固定在基底上。基底的作用应保证将构件上应变准确地传递到敏感栅上去。




当试件受力变形时，应变片的敏感栅也获得同样的变形，从而使其电阻随之发生变化，而此电阻变化是与试件应变成比例的，因此如果通过一定测量线路将这种电阻变化转换为电压或电流变化，然后再用显示记录仪表将其显示记录下来，就能知道被测试件应变量的大小。


 


光纤振动传感器


 


随着光纤和光电子器件技术研究的不断深入，光纤传感技术得到了突飞猛进的发展。由于光纤传感器的体积小、质量轻、精度高、响应快、动态范围宽、响应快等优点，并且它具有良好的抗电磁干扰、耐腐蚀性和不导电性，所以在很多领域都应用广泛。


 
光纤振动传感器的出现已有30来年的历史，它是测量振动信号的。初的光纤振动传感器是采用干涉式的结构，利用振动产生的光纤应变导致干涉仪信号臂的相位发生变化，但这种传感器结构比较复杂，不利于重复用。


 


相位调制型光纤振动传感器


位调制型光纤振动传感器运用一个相干激光光源和两个单模光纤。光线被分束后入射到光纤。如果干扰影响两根相关光纤的其中一根、就会引起位相差，这个位相差可精确地检测出。位相差可用干涉仪测量。有四种干涉仪结构。它们包括：马赫—泽德尔、迈克尔逊、法布里—帕罗和赛格纳克干涉仪。


 


下面是基于光纤Sagnac干涉原理。A和B是干涉仪的两个传感臂，起到传输光的作用。C是一段被绕成圆环状的光纤，是用来接收或感应外接信息的变化，22光纤3dB耦合器被用来分解和合成干涉光束。




注入的光经过耦合器被分为两束，一束光由A到C再到B，后传回到耦合器中；另一束由B到C再到A，后传回到耦合器中，两束光相遇产生干涉。
光纤Sagnac干涉振动传感器，是以光学Sagnac干涉仪为基础，利用单模光纤和3dB耦合器构成。该传感器能够探测微弱振动，当信号在固体中传播并作用于传感器的敏感元件时，传感器的输出光强度受到了信号的调制。通过检测输出光强度，并利用Fourier变换，获得信号的频率特征。


 


光强调制型光纤振动传感器


在光纤通信中，光纤耦合技术成熟的基础上，人们研制成功了一种全光纤器件的高性能耦合型光纤声振动传感器，以其测量带宽，灵敏度高，解调、制作成本低，使用简单等优点，受到很多人的关注。




为使单模光纤耦合器可作为传感器应用，研究人员分析了单模光纤耦合传感器的敏感机理，根据传感器耦合输出与传感器耦合区长度及耦合区振动频率存在一定的关系这一原理，可以制成光纤振动传感器，实现振动的检测。
当入射光P0 进入输入端时，随着两个光波导逐渐靠近，两个传导模开始发生重叠现象，在双锥体结构的耦合区，光功率再分配，一部分光功率从“直通臂”继续传输，另一部分则是由“耦合臂”传到另一光路。




耦合器两输出端的输出功率之差与激振源的振动加速度成线性关系。因此，可以通过测量耦合器输出功率的变化，求出传感器加速度的值，实现对振动的测量。


 


此类传感器对应变的响应非常灵敏,耦合比的线性关系良好,且温度漂移影响可以稳定在0. 5 %以内。与压电振动传感器的测试对比,该传感器可更好地实现0～50 Hz 低频和4 kHz 高频振动检测。


 


波长调制型光纤振动传感器的原理及结构


 


波长调制传感原理为被测场/参量与敏感光纤相互作用，引起光纤中传输光的波长改变，进而通过测量光波长的变化量来确定被测参量。


 


由布拉格中心波长的数学表达式3.1.3，通过外界参量对布拉格中心波长的调制来获取传感信息，这个过程是光纤光栅的传感原理。



两个相同特质的光纤光栅，一个安装在悬梁臂下表面的对称位置作为信号解调光栅，另一个安装在机械悬梁臂的上表面上作为传感光栅。




由振动惯性力的作用下悬臂梁发生机械振动，带动两个光栅产生周期性的应变拉伸或收缩，从而引起FBG的布拉格波长发生变化，通过探测波长的信息前后是否一致，就能实现振动测量。


光通过2×2 光纤耦合器，送到传感头1上。之后，反射光信号返回又经2×2 光纤耦合器，经过传感头2上，传感头2的透射光强经光电转化，由光信号转换为振动的电信号，此时传感头2的作用是用作传感头1的光波长滤波器，将传感头1的波长改变转化成为光强信号变化。


 
此光纤光栅振动传感器特点是用一种新的简单易行的解调技术，可以有效消除光纤光栅敏感信号的啁啾现象，有效减弱传感器的温度交叉敏感的问题，振动测量精度有显著的提高。
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