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傳感器，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，為傳感器的發展提供了良好與可靠的科學技術基礎。使傳感器的發展日新月益，且數位化、多功能與智能化是現代傳感器發展的重要特徵。
振動傳感器主要監測旋轉機械的振動情況，每種設備都有自己的振動標準，超過振動值，表明機器出現故障，所以振動傳感器是起到對振動的保護作用。
振動傳感器分為磁電式與壓電式兩種，磁電式的結構簡單、價格較低，但精度較差，現在常用的是壓電式的傳感器，測量精度較高。
振動傳感器首先感應振動加速度，經過積分得到速度，二次積分得到位移，但加速度和位移會受頻率的影響，同時國家振動標準稱為振動烈度，也就是振動速度的有效值，所以，通常監測振動速度。
1 振動參數分類及特性
振動傳感器是由彈簧、阻尼器及慣性質量塊組成的單自由振蕩系統。利用質量塊的慣性在慣性空間建立坐標，測定相對大地或慣性空間的振動加速度。它通過其中的換能元件，將機械振動轉換為便於傳遞、變換、處理和儲存的電信號。
振動傳感器形式有很多種，常見的分類如圖1所示。
1.1 壓電式振動傳感器的測試原理
壓電式振動傳感器是試驗機振動測試常用的傳感器之一。相應標準提出了振動加速度測量傳感器改裝要求，但是往往因為對其中的概念理解不透，造成一些不合理的安裝方式，在一定程度上影響了測試精度。
要正確理解和貫徹標準要求，必須了解有關背景知識，如傳感器的測試原理、構造和基本特性等方面。
一些介質在沿一定方向上施加機械壓力而產生變形時，其內部會產生極化現象，同時其表面產生電荷，當外力去掉以後，材料內部的電場和表面電荷也隨之消失，這種特性稱為壓電效應。壓電式振動傳感器是利用這一特性，把基體感受到的機械振動轉化為電能量輸出。
1.2 典型壓電式振動傳感器的基本構造
壓電式振動傳感器的典型結構如圖2所示。
壓電晶體被壓緊在質量塊和基體之間，當加速度計感受振動時，質量塊施加一個振動力於壓電晶體上，壓電晶體中產生可變電勢。通過適當的設計，可以保證在一定的頻率範圍內輸入加速度與輸出電勢成比例。
1.3 壓電式振動傳感器的特性
1.3.1 頻率響應
Mm是壓在敏感元件上的質量塊的質量；Mb是加速度計基體及殼體的質量；K是Mm與Mb間的系統的等效剛度。這一系統的自然頻率為：
fo=fm
式中fm為質量Mm在彈簧K上的自然頻率。
根據振動理論：fm= 。
假設加速度計剛性安裝在比它重的多的結構上，此時Mm/Mb→0，fo→fm。從而得到加速度計的上限響應頻率為fm。
壓電式振動傳感器能夠精確地檢測寬範圍的動態加速度，因此可以用來測量瞬態衝擊過程外， 還可用來測量正弦振動和隨機振動。但是，壓電式振動傳感器不適用於穩態測量的場合，例如地球引力、慣性制導或諸如發動機加速度及制動等緩慢變化的瞬態過程。
1.3.2 靈敏度
加速度計的靈敏度定義為電輸出與機械輸入之比。從傳感器結構可知，靈敏度是有方向性的。由於傳感器的製造誤差，其最大靈敏度方向與幾何軸不一致，最大靈敏度矢量可分解成軸向靈敏度和橫向靈敏度兩部分。
真正代表壓電式振動傳感器靈敏度的是電荷靈敏度，它不受傳感器內部電容變化和電纜長度變化的影響，只取決於壓電材料的壓電常數，一般電荷靈敏度每年下降小於1%。
壓電式振動傳感器實質上是固態器件，它們非常堅固和耐用，在誤用的情況下一般也不會引起損壞。在傳感器內部，沒有調整部件，增加了傳感器的可靠性和可重複性，能夠用於極其惡劣的環境下。
2 壓電式振動傳感器的改裝要求與測量精度
2.1 振動加速度測量傳感器的改裝要求
相應標準規定了振動加速度測量傳感器的通用改裝要求：
（1）傳感器測量軸與被測軸線平行，橫向靈敏軸應避開側向加速度最大的方向。
（2）傳感器安裝支架質量小，剛度好，接觸面接觸彈簧的自然頻率至少大於傳感器自然頻率的五倍。
（3）單極性傳感器應與支架絕緣安裝。
2.2 影響測量精度的因素
（1）安裝剛度不足會降低響應頻率及使用範圍的上限，這一影響在高頻測量中尤其顯著。
標準規定「接觸面接觸彈簧的自然頻率至少大於傳感器自然頻率的五倍」；這對傳感器安裝支架的剛度及安裝面的接觸剛度提出了很高的要求。若傳感器直接安裝在被測結構上，其接觸彈簧的自然頻率可按接觸彈簧靜態變形求得：
fm=
因傳感器的質量力一般很小，而接觸彈簧剛度趨於無窮大；因此變形δ極小，接觸頻率可以滿足標準要求。
若傳感器通過轉接支架安裝在被測結構上，則必須同時考慮支架剛度及兩個接觸面的接觸剛度，並要在滿足安裝剛度要求的前提下儘量減小支架的質量。若傳感器與支架絕緣安裝，採用絕緣螺樁及雲母墊片可以獲得最大安裝剛度。
（2）安裝支架質量太大，其質量載荷改變了結構的原有振動，導致測量結果失真；如果是在較輕或較薄的結構上測振，這一影響不可忽視。
（3）安裝方向偏離傳感器的校準狀態，傳感器軸向靈敏度軸方向與要求的測量方向應儘可能一致，一旦偏離將導致軸向響應降低，而橫向響應增大加速度計應當安裝在平坦、乾淨的表面上，橫向靈敏軸（在殼體上以紅點標出）應避開側向加速度最大的方向。
（4）螺栓擰緊不當，螺栓擰入基體太深，引起基體拱彎變形，從而產生額外的電輸出。擰緊力矩要適當，過大會損壞螺紋，太小將影響安裝剛度。
2.3 壓電式振動傳感器的典型安裝方式和關鍵點
壓電式振動傳感器有金屬螺栓安裝、對地絕緣轉換螺栓連接、膠粘劑粘接和磁鐵轉換吸盤連接四種安裝方式，其中金屬螺栓安裝和膠粘劑粘接最為常見。利用鋼製螺樁把傳感器固定在拋光的金屬面上，這種方式可以得到最高的響應頻率，其它的安裝方式會降低響應頻率。
要做到數據結論準確，首先要正確使用和安裝傳感器。在設計振動傳感器支架、緊固件及實施安裝時應遵循以下幾點：
（1）了解所測參數的基本情況，如振動加速度的振幅、頻率範圍；
（2）了解傳感器的結構形式和特性，包括傳感器質量，自然頻率，安裝尺寸等；
（3）根據被測結構的具體情況確定傳器的安裝方式，對低頻測量應重點考慮附加質量對測量結果的影響；對高頻測量則應保證安裝剛度符合標準要求；
（4）傳感器及轉接支架的安裝接觸面應平整、光滑，以保證傳感器安裝精度和剛度；
（5）仔細調整傳感器的安裝方向。使軸向靈敏軸與所要測量方向一致，橫向靈敏軸應避開側向加速度最大的方向；
（6）控制螺栓擰入深度及擰緊力矩，適當的擰緊力矩為1.8N・m。
3 結論
為了得到最真實、可靠的被試數據，需要深度挖掘試驗的各個環節；本文從改裝環節剖析了一型振動傳感器的相關特性並由此提出了改裝關鍵點，以便能夠更好、更真實的得出試驗數據為被試對象提供數據支持。
打開APP閱讀更多精彩內容聲明：本文內容及配圖由入駐作者撰寫或者入駐合作網站授權轉載。文章觀點僅代表作者本人，不代表電子發燒友網立場。文章及其配圖僅供工程師學習之用，如有內容圖片侵權或者其他問題，請聯繫本站作侵刪。 侵權投訴