振動測量傳感器的發(fā)展現(xiàn)狀

1、現(xiàn)代計量測試1997年第5期振動測量傳感器的發(fā)展現(xiàn)狀谷毅 (中國計量科學研究院, 摘要:、和分析, 。進入九十年代以來, 隨著半導(dǎo)體加工工藝的日完美, 微電子技術(shù)的迅速發(fā)展, 微機化機械加工技術(shù)和工藝的不斷更新, 現(xiàn)代振動與沖擊測量傳感器正朝著更小、更輕、更價廉物美、更高可靠性和更堅固耐用的方向發(fā)展。也正是因為具有了這些優(yōu)點, 才使得振動傳感器在更多的領(lǐng)域得以應(yīng)用。航空、航天等尖端技術(shù)的發(fā)展促進了振動測量傳感器的研制與開發(fā), 采用新的微工藝加工的振動傳感器無疑是對原有傳感器的一次重大變革。而與此同時, 傳統(tǒng)的壓阻、壓電式加速度傳感器的加工水平也在不斷改進提高, 這就使得測振傳感器的發(fā)展和應(yīng)用有

2、了更廣闊的空間。二、加速度傳感器加速度傳感器的應(yīng)用幾乎涉及了所有現(xiàn)代化工業(yè)領(lǐng)域, 其中包括航空、航天、船舶制造、建筑、交通、能源工業(yè)、化工、機械和軍工, 它是結(jié)構(gòu)模態(tài)分析、振動性能試驗、振動控制工程所必需的基礎(chǔ)元件。11微電容式加速度傳感器圖1微電容式加速度傳感器結(jié)構(gòu)原理圖圖1所示的結(jié)構(gòu)是微電容式加速度傳感器中最常用的一種。這種采用差動電容式原理的設(shè)計提高了傳感器的靈敏度和抗干擾能力。將微結(jié)構(gòu)的質(zhì)量塊沉積在犧牲層的多晶硅膜上, 并經(jīng)化學蝕刻形成。兩固定電極是在玻璃板表面上測射沉積的一層金屬。此外, 質(zhì)量塊表面也需進行金屬化處理, 這樣它與兩固定電極之間便形成了具有公共電極的兩個電容。上述所有步

3、驟都是在微米量級的加工下完成的。當有加速度運動時, 兩個電容的電容量發(fā)生差動變化, 輸出一個正比于加速度的電信號, 而這一電信號經(jīng)一個與之一體的厚膜放大器放大后輸出。傳感器的重量僅10克左右, 并且具有-55+125的工作溫區(qū), 測量范圍<±500m s 2, 工作頻率范圍為02kH z , 靈敏度則高達1000mV g 以上。它除了可以很方便地與計算機聯(lián)機對汽車、火箭、機車等結(jié)構(gòu)進行模態(tài)分析和測試外, 還可以用在電梯性能方面的測試。生產(chǎn)這類傳感器的主6要廠家有美國的AD 公司、法國的C rouzet 公司和瑞士的K istler 公司等。21微應(yīng)變式加速度傳感器微應(yīng)變式加速度

4、傳感器又稱為壓阻式加速度傳感器。這類傳感器是在應(yīng)變計式傳感器的基礎(chǔ)上發(fā)展而成的, 即通過微電子技術(shù)將壓敏電阻用離子注入法注入于硅片上,并用化學藥劑蝕刻的懸臂梁構(gòu)成質(zhì)量彈簧系統(tǒng), 如圖2所示。當被支撐的硅質(zhì)量系統(tǒng)運動造成梁內(nèi)的應(yīng)力變化 使梁端壓敏電阻阻值發(fā)生變化時, 的微放大器輸出這一應(yīng)變加速度信號。帶放大器, +10001000m s 2; 靈敏度1000mV g 以下。這里尤其要提。因此, 除了進行結(jié)構(gòu)模態(tài)、運輸振動監(jiān)控、工業(yè)振動監(jiān)控和機床振動監(jiān)控等眾多領(lǐng)域。生產(chǎn)這類傳感器的廠家有美國EG&G公司、美國Endevco 公司等。31石英振梁式加速度傳感器 圖3石英振梁式加速度傳感器結(jié)構(gòu)

5、原理圖石英振梁式加速度傳感器是利用石英振梁或稱石英諧振器作為加速度的檢測元件, 其典型結(jié)構(gòu)如圖3所示。它與壓阻式懸臂梁結(jié)構(gòu)所不同的是, 振梁本身即是敏感元件。在受外力作用后, 梁的電荷極性和電荷量發(fā)生變化, 這一變化經(jīng)與之一體的放大器放大后輸出與之成正比的電信號。用這一原理設(shè)計的加速度傳感器可以做得非常小巧, 重量僅有5克左右。它還可以設(shè)計成差動輸出方式。其主要技術(shù)性能如下:測量范圍±500m s 2; 工作頻率范圍015H z5kH z ; 溫度范圍0+65; 靈敏度1000mV g 。這類傳感器也有很多應(yīng)用領(lǐng)域, 不僅能用來測試線加速度同時還能夠測量角加速度。生產(chǎn)這類傳感器的廠家

6、有瑞士K istler 公司、美國Sundstrand 公司等。41靜電力平衡式加速度傳感器圖4靜電力平衡式加速度傳感器結(jié)構(gòu)原理圖靜電力平衡式加速度傳感器利用力平衡回路產(chǎn)生的靜電力來平衡加速度所引起的作用在檢測質(zhì)量上的慣性力。閉環(huán)式的工作方式使這類傳感器克服了交叉耦合誤差, 而且由于靜電力的大小與所施電場強度的平方成正比, 所以它有很高的靈敏度和抗干擾能力。圖4是這類加速度傳感器的典型方案。它的結(jié)構(gòu)與差動電容式結(jié)構(gòu)大致相同, 只是電路上增加了靜電力平衡回路和檢測輸出電路。生產(chǎn)這類傳感器的廠家有美國N o rthop 公司, B ell A ero space 公司, 法國C rouzet 公司

7、等。除了上述幾種產(chǎn)品化的新型加速度傳感器, 目前正在開發(fā)的加速度傳感器還有很多, 例如超導(dǎo)加速度傳感器, 光纖加速度傳感器, 擺式積分陀螺加速7度傳感器等。加速度測量做為動態(tài)測量中一個非常重要的技術(shù)指標, 其測試精度或不確定度的大小主要取決于傳感器的技術(shù)指標, 所以要求加速度傳感器具有高靈敏度、寬頻率范圍和寬工作溫區(qū)。除此之外, 還有很多環(huán)境條件和技術(shù)指標的要求。三、速度傳感器對于機械振動測量而言, , 、發(fā)機電、大型鼓風機、飛機發(fā)動機、空氣壓縮機和兵器等, , 同時它還具備以下優(yōu)點:11, 。21, 3。, 即線圈和磁鐵。盡管在結(jié)構(gòu)上有慣性式和直接式(或稱絕對式與相對式 及動圈型和動鋼型之分

8、, 但在加工工藝方面卻有了根本性的突破。如美國CEC 公司生產(chǎn)的CEC 4-130型傳感器采用了先進的陶瓷耐磨系統(tǒng), 大大提高了使用壽命, 可連續(xù)工作12000小時。這類傳感器的結(jié)構(gòu)原理決定了它的動態(tài)范圍和工作頻率范圍, 即它必須工作在其固有頻率以上, 通常是10H z 左右, 上限能達到2kH z 。測量范圍小于1m s 。在這類傳感器中, 由溫度變化而造成的測量誤差是一個非常重要的問題。由于磁鐵的磁感應(yīng)強度隨溫度增加而減小, 所以, 一般高精密的速度傳感器都要進行溫度補償, 這樣才可以使其工作在-25+300的溫度范圍內(nèi)。只有那些經(jīng)過特殊處理的速度傳感器, 如CEC 4-131, 才可工作

9、于480的溫度下。相對式速度傳感器主要以接觸式為主。由于它的參考坐標為傳感器的殼體, 所以在實際應(yīng)用中安裝需格外注意。目前大部分手持式測振儀表仍然選用這類相對式速度傳感器, 在電路上只需經(jīng)簡單的微、積分電路處理就可同時得出振動位移和振動加速度。生產(chǎn)這類傳感器的有美國B en tly 和CEC 公司、日本的I M V 、荷蘭的飛利浦、法國的P robera 等公司。四、位移傳感器用來測量振動位移的傳感器多以非接觸式為主, 如激光測振儀、光纖位移測振傳感器、電渦流式傳感器、電容式振動位移傳感器、應(yīng)變式振動位移傳感器, 等。隨著激光光源的小型化和半導(dǎo)體激光光源的不斷發(fā)展, 激光測振儀也日趨產(chǎn)品化,

10、并在更多的領(lǐng)域中得到了應(yīng)用, 如計量方面的量值傳遞、實驗室等。但這種傳感器的高造價和在安裝等方面的限制使得它的應(yīng)用有了很大的局限性。從低成本和工業(yè)應(yīng)用來說, 電渦流式傳感器仍是目前應(yīng)用最廣和最普及的振動位移傳感器。這種傳感器的原理很簡單:在通有交變電流的線圈上(1-2M H z 接近被測物體, 它與被測物體之間的相對位移變化將產(chǎn)生一個電渦流, 而此電渦流又將產(chǎn)生一個新磁場, 從而導(dǎo)致原線圈上電感量、阻抗和品質(zhì)因數(shù)發(fā)生改變, 依據(jù)這一變化就可以檢測出物體的位移大小。這種傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、頻率響應(yīng)寬、靈敏度高、線性范圍大、抗干擾能力強、體積小等諸多優(yōu)點。但它對于不同的導(dǎo)磁材料有不同的靈敏度, 這

11、是使用者需特別注意的地方。因此, 在應(yīng)用這種傳感器之前最好先根據(jù)材料做一下校準。另外安裝的正確與否也對靈敏度和測試精度有很大影響。這類傳感器的主要技術(shù)指標如8下:測量范圍0500mm , 工作頻率范圍DC 20kH z , 工作溫度-20+350。這類傳感器的生產(chǎn)廠家有:美國B en tly 、荷蘭Ph ili p s 、中國608廠等。五、結(jié)論模生產(chǎn)和應(yīng)用, , 標準提出了更新、更高的要求。與此同時, 傳統(tǒng)的壓電、, 、動態(tài)范圍寬等, 總之, , 使得振動測量更加完善, 工作頻率范圍從零頻響至50z , 1000000m s 2。這就是當前振動測量傳感器發(fā)展的現(xiàn)狀參考文獻11A cceler

12、ati on &V ibrati on Instrum ents , M easurem ents &Contro l , D ec . 1995D evelopm en t of the V ib rati on T ran sducersGu Y i(N ati onal In stitu te of M etro logy , B eijing 100013A b stract :In th is paper , the m ain typ es , structu ral p rinci p les , p rocessing techno logy , perfo r

13、 2m ance specificati on s of the m odern vib rati on tran sducers , as w ell as their developm en t , are b riefly in troduced and analyzed . T he app licati on s of the vib rati on tran sducers in m odern indu stri 2al fields are also described .(上接第5頁O n 2line D en sitom eter T ubu lar V ib rati o

14、nD en sitom eter ( L i X inhua(N ati onal In stitu te of M etro logy A b stract :B eing si m p le , stab le and accu rate , the vib rati on 2typ e den sitom eters have been w ide 2ly u sed in indu strial p rocesses fo r on 2line m easu rem en ts of differen t k inds of sam p les and a w ide range of den sity . T