第 4 章 传感测量技术

1. 分析系统 测量系统 被测对象 激振系统 反馈系统 信号调理器或放大器 传感器 被测对象 激振系统 动态信号分析仪 第4章 传感测量技术

2. 4.1 传感器的力学原理 • 4.1.1 传感器的作用 振动传感器是将机械振动转化为电信号的换能器。 振动传感器从功能上说由两部分组成的，即机械接收部分和机电变换部分。

3. 1、按机械接收原理，可分： （按坐标系） 相对式接收原理（相对坐标） 惯性式接收原理（绝对坐标） • 4.1.2 传感器分类 2、按被测物理量可分： 位移式传感器、速度式传感器、加速度传感器 力传感器 （指传感器输出电量和所测物理量之间成正比）

4. 3、按测量原理可分： （即按振动传感器的变换原理） 变换电阻：应变式，压阻式（单晶扩散硅） 变换磁阻：电感式，电涡流式，差动变压器式 变换电容：电容式 电荷：压电式，电压：电动式 • 4.1.2 传感器分类 4、常用的传感器： 压电式、应变式、压阻式加速度传感器 电涡流式、差动式位移传感器 磁电式速度传感器（电动式） 压电式、应变式力传感器、应变式扭矩传感器

5. 顶杆式、非接触式 • 4.1.3 相对式机械接收原理 光电式传感器 机械式传感器

6. 线性差动变压器 LVDT-linear variable differential transformer

7. 线性差动变压器 LVDT-linear variable differential transformer

8. 惯性式（绝对式） • 4.1.4 惯性式机械接收原理 • 惯性式传感器是利用弹簧质量系统的强迫振动特性，来进行振动测量的 • 直接固定在被测振动体上，它不需要相对固定点 • 测量所得结果，直接以固结于地球上的惯性系坐标为参考坐标 • 绝对式拾振仪器。

9. 4.2激光测振仪 Laser vibrometer LDV- Laser doppler vibrometer

10. 4.2 Laser vibrometer 激光测振仪LDV- Laser doppler vibrometer x Measurement beam DL Light Source Reference beam Detector

11. 4.2 Laser vibrometer 激光测振仪LDV- Laser doppler vibrometer • 多普勒效应The Doppler Effect • Doppler’s experiment • Doppler used two sets of trumpeters: one set stationary at a train station and one set on a train

12. 多普勒效应The Doppler Effect • 拍频Beat frequency

13. 光学中多普勒效应Doppler Effect in Optics

14. 光的干涉Interferometer • M = Measured (moving) object • R = Reference

15. 干涉Interferometer

16. Intensity I l/2 Displacement x 信号检测Signal at the Detector If the distance x to the target changes continuously, then the light intensity I at the detector varies in a periodic manner. The periodicity is equivalent to a change in x ofl/2 or the phasefof 2p. The photodetector is only sensitive to the intensity I of the light. The signal at the detector has the form: I = Imax/2 {1 + cos( Dj)} The phase difference Dj is a function of the optical path difference DL according to: Dj = 4p (DL /l)

17. |v| 2 * |v| l/2 l 多普勒频率The Doppler Frequency When the object moves at a constant velocity v, the optical path difference DL becomes a function of the time t. DL = DL(t) The intensity at the detector changes periodically . The length of this period is l/2. The frequency that is produced as a function of velocity is called Doppler frequency fD. fD = = According to the theory of relativity light the only movement which can be recognized is the relative motion between the target and the interferometer. There is no directional sensitivity.

18. f0 Bragg cell f0 +fD f0 + 40 MHz Direction Detection Heterodyne In a heterodyne interferometer the light in one arm of the interferometer is frequency shifted with respect to the other. Signal at the detector has the form I = Imax/2 {1 + cos( 2p(fB +fDt)}

19. 激光多普勒振动测量技术的特点 测量定义：光学粗糙表面物体振动速度或振幅在激光束方向上的投影分量。表面形状引起的位移量被视为背景噪声。 特点：测量方便快捷 非接触,无附加质量影响 抗干扰能力强,可现场应用 极大的动态范围和高精度 指标：频率: DC to 20MHZ 速度: <1µm/s to 30m/s 加速度: 1,000,000g 以上 振幅: 0.1nm (100KHz) to 10m above

20. 应用及类型： 轻巧，柔性或微型结构 高温，腐蚀，放射，高压等恶劣环境 大型构件整体 大振幅，高g值振动，冲击 极低频或极高频振动

21. 4.3 电涡流传感器的原理与构成 • 4.3.1 基本原理

22. 4.3 电涡流传感器 • 4.3.1 基本原理

23. 4.4 电涡流传感器 • 4.4.1 基本原理

24. 4.3 电涡流传感器 • 4.3.1 基本原理

25. 电涡流传感器 涡流式传感器是利用金属导体在交流磁场中的电涡流效应。若一金属板置于一只线圈的附近，它们之间相互的间距为δ，当线圈输入一交变电流i 时，便产生交变磁通量Φ，金属板在此交变磁场中会产生感应电流i1， i1在金属体内是闭合的，所以称之为电涡流或涡流。涡流的大小与金属板的电阻率ρ、磁导率μ、厚度h、金属板与线圈的距离δ、激励电流角频率ω等参数有关。若固定某些参数，就可根据涡流的变化测量另一个参数。

26. 电涡流传感器工作示意图

27. 4.3 电涡流传感器 • 4.3.1 基本原理 铜 铝

28. 4.3 电涡流传感器 • 4.3.2 电涡流传感器的使用 • 初始间隙的选择 • 被测物体材料对电涡流传感器灵敏度的影响 • 涡流传感器的安装要求

29. 特点： 非接触式测量 频率范围：DC-10kHz

30. 4.3 电涡流传感器 • 4.3.3 电涡流传感器的标定

32. 4.4 惯性式传感器的力学原理

34. 当频率高于传感器固有频率时，D2的值趋进于1，表明结构振动的位移和速度与传感器内部惯性质量接收的位移和速度趋于相同，所以传感器的工作频率在固有频率之上。当频率高于传感器固有频率时，D2的值趋进于1，表明结构振动的位移和速度与传感器内部惯性质量接收的位移和速度趋于相同，所以传感器的工作频率在固有频率之上。 随阻尼比的增大， D2曲线的峰值下降，当阻尼比在最佳阻尼比0.6-0.7之间时， D2曲线在固有频率处的值接近于1，可拓宽传感器的使用下限频率。 位移传感器的构成条件

36. 当频率低于传感器固有频率时，D0的值趋近于1，表明结构振动的加速度与传感器内部惯性质量接收的位移趋于相同，所以传感器的工作频率在固有频率之下。当频率低于传感器固有频率时，D0的值趋近于1，表明结构振动的加速度与传感器内部惯性质量接收的位移趋于相同，所以传感器的工作频率在固有频率之下。 随阻尼比的增大， D0曲线的峰值下降，当阻尼比在最佳阻尼比0.6-0.7之间时， D0曲线在固有频率处的值接近于1，可拓宽传感器的使用上限频率。 加速度传感器的构成条件

37. 相对阻尼系数 对位移计和加速度计的影响 1.增加阻尼 ，能够加快传感器系统本身自由振动的衰减。 2.对幅频特性的影响。 适当增大阻尼 ，可使幅频特性曲线在共振区附近变得平直。 位移计：使其使用频率下限更低，比较理想 许可误差2％， ， ， 加速计：使其使用频率上限更高，比较理想 许可误差2％， ， 实际 ，误差12％(1dB)， 误差6％(0.5dB)， 3. 对相频特性曲线的影响。

38. 4.5 磁电式速度拾振器的力学原理 工作原理：将它和被测振动体固结在一起，使传感器的轴线与测振方向一致；振动体的振动引起芯杆、线圈运动，由于线圈放在磁场中间，运动的线圈切割磁力线，使线圈中感生电动势。

39. 根据电磁学原理，这一电动势的大小为：

40. 磁电式传感器（惯性式）

41. 磁电式传感器特点： 优点：a. 不需外部电源，使用方便 b. 输入阻抗低，从外部引入的电噪声小，可使用长导线 c. 内阻小，不需要高输入阻抗的放大器，对仪器要求低 d. 使用空气阻尼或电阻尼，受湿度影响较小 e. 输出信号和振动速度成正比，故低频测量时输出较大 缺点：a. 没有静态灵敏度，不能做静标定 b. 由于使用磁路，体积和重量大 c. 使用频率范围低，10-100Hz，低频0.5,1Hz，高频 1000Hz

42. 4.6 压电式加速度计 • 4.6.1 结构与工作原理 压电式加速度采用压电晶体的压电效应来实现信号转换。 图a，受剪加速度计，图b，受压加速度计 根据构成加速度计条件的要求，这一固有频率应远大于被测振动频率的上限。

43. 4.6 压电式加速度计 • 4.6.1 结构与工作原理 压电晶体片通常用钛酸钡、锆钛酸铅等材料制成。

49. 4.6 压电式加速度计 • 4.6.1 结构与工作原理 压电晶体片通常用钛酸钡、锆钛酸铅等材料制成。 R为压电系数 若晶体片两表面之间的电容为 ，则两表面之间的电压将为（开路电压）

50. 4.6 压电式加速度计 • 4.6.1 结构与工作原理 在图受压型结构中，由于晶体片的刚度为，因此，当质量块产生的位移为 时，晶体片说受到的压力将是