振動感測器

在高度發展的現代工業中，現代測試技術向數位化、信息化方向發展已成必然發展趨勢，而測試系統的最前端是感測器，它是整個測試系統的靈魂，被世界各國列為尖端技術，特別是近幾年快速發展的IC技術和計算機技術，為感測器的發展提供了良好與可靠的科學技術基礎。使感測器的發展日新月益，且數位化、多功能與智慧型化是現代感測器發展的重要特徵。

基本介紹

• 中文名：振動感測器
• 測試方法：機械式，光學式，電測
• 分類：相對式，電感式，電流式等
• 別稱：換能器、拾振器
• 屬於：一種機電轉換裝置

發展趨勢

1.引入新技術發展新功能

隨著人們對自然認識的深化，會不斷發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感測器，從而為提高感測器性能和拓展感測器的套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，“目前感測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感測器不可能在已有的設計理念下發展，那么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

感測器材料是感測器技術的重要基礎，隨著材料科學的進步，人們可製造出各種新型感測器。例如用高分子聚合物薄膜製成溫度感測器，光導纖維能製成壓力、流量、溫度、位移等多種感測器，用陶瓷製成壓力感測器。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溫度感測器，具有測濕範圍寬、溫度範圍寬、回響速度快、尺寸小、可用於小空間測濕、溫度係數小等特點。陶瓷電容式壓力感測器是一種無中介液的乾式壓力感測器。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%，溫漂小，抗過載更可達量程的數百倍。

光導纖維的套用是感測材料的重大突破，光纖感測器與傳統感測器相比有許多特點：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。而光纖感測器與集成光路技術的結合，加速了光纖感測器技術的發展。將集成光路器件代替原有光學元件和無源光器件，光纖感測器又具有了高頻寬、低信號處理電壓、可靠性高、成本低等特點。

測試方法

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。

機械式

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。

光學式

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。如讀數顯微鏡和雷射測振儀等。

電測

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。這是目前套用得最廣泛的測量方法。

振動感測器

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感測器。

2、測量線路。測量線路的種類甚多，它們都是針對各種感測器的變換原理而設計的。比如，專配壓電式感測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。

接收原理

振動感測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。

振動感測器 原理

振動感測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感測器的輸入量，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。因此一個感測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）。感測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，使觸桿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，觸桿就跟隨它一起運動，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，當感測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。

機電變換

一般來說，振動感測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，套用範圍也極其廣泛。

在現代振動測量中所用的感測器，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。

由於感測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。一般說來，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感測器，必須附以專配的測量線路。測量線路的作用是將感測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，振動感測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：位移感測器、速度感測器、加速度感測器、力感測器、應變感測器、扭振感測器、扭矩感測器。

以上三種分類法中的感測器是相容的。

分類

相對式

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

相對式電動感測器從機械接收原理來說，是一個位移感測器，由於在機電變換原理中套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感測器。

電渦流式

電渦流感測器是一種相對式非接觸式感測器，它是通過感測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。電渦流感測器具有頻率範圍寬（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，主要套用於靜位移的測量、振動位移的測量、旋轉機械中監測轉軸的振動測量。

電感式

依據感測器的相對式機械接收原理，電感式感測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，電感感測器有二種形式，一是可變間隙，二是可變導磁面積。

電容式

電容式感測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

慣性式電動感測器由固定部分、可動部分以及支承彈簧部分所組成。為了使感測器工作在位移感測器狀態，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，也就是讓感測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。

從感測器的結構上來說，慣性式電動感測器是一個位移感測器。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。因此就感測器的輸出信號來說，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感測器。

壓電式

壓電式加速度感測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，可以製成測力感測器，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，所以壓電式感測器是加速度感測器。

壓電式力

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。壓電式力感測器具有頻率範圍寬、動態範圍大、體積小和重量輕等優點，因而獲得廣泛套用。壓電式力感測器的工作原理是利用壓電晶體的壓電效應，即壓電式力感測器的輸出電荷信號與外力成正比。

阻抗頭

阻抗頭是一種綜合性感測器。它集壓電式力感測器和壓電式加速度感測器於一體，其作用是在力傳遞點測量激振力的同時測量該點的運動回響。因此阻抗頭由兩部分組成，一部分是力感測器，另一部分是加速度感測器，它的優點是，保證測量點的回響就是激振點的回響。使用時將小頭（測力端）連向結構，大頭（測量加速度）與激振器的施力桿相連。從“力信號輸出端”測量激振力的信號，從“加速度信號輸出端”測量加速度的回響信號。

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。無論是力感測器還是阻抗頭，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。

電阻應變式

電阻式應變式感測器是將被測的機械振動量轉換成感測元件電阻的變化量。實現這種機電轉換的感測元件有多種形式，其中最常見的是電阻應變式的感測器。

電阻應變片的工作原理為：應變片貼上在某試件上時，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。

雷射

雷射感測器利用雷射技術進行測量的感測器。它由雷射器、雷射檢測器和測量電路組成。雷射感測器是新型測量儀表，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套用。