第三章振動(dòng)信號(hào)測(cè)取技術(shù)

第三章振動(dòng)信號(hào)測(cè)取技術(shù)安徽科技學(xué)院目錄傳感器概述振動(dòng)傳感器分類(lèi)

常用傳感器

傳感器概述傳感器:是指直接作用于被測(cè)量，并能按一定規(guī)律將其轉(zhuǎn)換成同種或別種量值輸出的器件。傳感器處于測(cè)試裝置的輸入端，其性能將直接影響著整個(gè)測(cè)試裝置的工作質(zhì)量。接觸型（如微動(dòng)開(kāi)關(guān)、行程開(kāi)關(guān)、接觸開(kāi)關(guān)）非接觸型（如光電開(kāi)關(guān)、接近開(kāi)關(guān)）傳感器的分類(lèi)

代碼型（如旋轉(zhuǎn)編碼器、磁尺等）計(jì)數(shù)型（二值＋計(jì)數(shù)器）數(shù)字型電感、電容型（如電感、電容式位移傳感器）電壓、電流型（如熱電偶、光電池等）電阻型（如電位器、電阻應(yīng)變片等）模擬型開(kāi)關(guān)型(二值型)傳感器傳感器的基本特性

傳感器的基本特性通常分為靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性靜態(tài)特性 靈敏度 線(xiàn)性度 遲滯 重復(fù)性 漂移 分辨力動(dòng)態(tài)特性 瞬態(tài)響應(yīng)特性 頻率響應(yīng)特性靜態(tài)特性參數(shù)傳感器靜態(tài)特性數(shù)學(xué)模型a0━零位輸出a1━線(xiàn)性靈敏度a2～

an━非線(xiàn)性系數(shù)理想情況下：特性無(wú)線(xiàn)性關(guān)系情況下：相對(duì)靈敏度：

在相同測(cè)量精度要求下，被測(cè)量越小，要求的絕對(duì)靈敏度越高，相對(duì)靈敏度沒(méi)有變化。靜態(tài)靈敏度的確定1、靈敏度指?jìng)鞲衅鞯膶?shí)際輸入輸出特性曲線(xiàn)對(duì)于理想線(xiàn)性輸入輸出特性的接近或偏離程度。－滿(mǎn)量程；－最大偏差。xy0圖2-3線(xiàn)性度示意圖實(shí)際工作曲線(xiàn)理想工作曲線(xiàn)YFSΔLmax2、非線(xiàn)性（線(xiàn)性度）表征正行程與反行程靜態(tài)特性的不一致程度。—各標(biāo)定點(diǎn)上正、反行程輸出平均值之間的最大偏差正行程工作曲線(xiàn)反行程工作曲線(xiàn)y0ΔHmaxx遲滯示意圖YFS3、遲滯性

傳感器在同一工作條件下，按同一方向作全量程多次測(cè)量時(shí)，對(duì)于同一個(gè)激勵(lì)量，其測(cè)量結(jié)果的不一致程度。?R—同一激勵(lì)量對(duì)應(yīng)多次循環(huán)的同向行程響應(yīng)量的絕對(duì)誤差xy

ΔR0重復(fù)性示意圖4、重復(fù)性重復(fù)性指標(biāo)定值的分散性，是一種隨機(jī)誤差?？筛鶕?jù)標(biāo)準(zhǔn)偏差來(lái)計(jì)算△R。K—置信因子K=2，置信度95%；K=3，置信度99.73%分辨率是指?jìng)鞲衅髂軠y(cè)量到輸入量最小變化的能力

△xmax-傳感器全量程范圍內(nèi)最大的Δx；

YFS-傳感器滿(mǎn)量程輸出值。

為了保證測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量準(zhǔn)確度，工程上規(guī)定：測(cè)量系統(tǒng)的分辨率應(yīng)小于允許誤差的1/3,1/5或1/10?？梢酝ㄟ^(guò)提高儀器的敏感單元增益的方法來(lái)提高分辨率。5、分辨率

作用在傳感器上的激勵(lì)不變時(shí)，響應(yīng)量隨時(shí)間的變化趨勢(shì)。表征傳感器的不穩(wěn)定性。產(chǎn)生漂移的原因：1、傳感器自身結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化；

2、外界工作環(huán)境參數(shù)的變化。7、量程及測(cè)量范圍測(cè)量上限值與下限值的代數(shù)差稱(chēng)為量程。測(cè)量系統(tǒng)能測(cè)量的最小輸入量（下限）至最大輸入量（上限）之間的范圍稱(chēng)為測(cè)量范圍。6、漂移傳感器動(dòng)態(tài)特性被測(cè)量是時(shí)間的函數(shù)，或是頻率的函數(shù)。用時(shí)域法表示成：用頻域法表示為：

動(dòng)態(tài)特性是指?jìng)鞲衅鬏敵鰧?duì)時(shí)間變化的輸入量的響應(yīng)特性；除理想狀態(tài)，多數(shù)傳感器的輸入信號(hào)是隨時(shí)間變化的，輸出信號(hào)一定不會(huì)與輸入信號(hào)有相同的時(shí)間函數(shù)，這種輸入輸出之間的差異就是動(dòng)態(tài)誤差。振動(dòng)傳感器振動(dòng)傳感器分類(lèi)振動(dòng)傳感器按其功能可有以下幾種：按機(jī)械接收原理分：相對(duì)式、慣性式；按機(jī)電變換原理分：電動(dòng)式、壓電式、電渦流式、電感式、電容式、電阻式、光電式；振動(dòng)傳感器按所測(cè)機(jī)械量分：位移傳感器、速度傳感器、加速度傳感器、力傳感器、應(yīng)變傳感器、扭振傳感器、扭矩傳感器。以上三種分類(lèi)法中的傳感器是相容的。某些物質(zhì)如石英晶體，在受到?jīng)_擊性外力作用后，不僅幾何尺寸發(fā)生變化，而且其內(nèi)部發(fā)生極化，相對(duì)的表面出現(xiàn)電荷，形成電場(chǎng)。外力消失后，又恢復(fù)原狀。這種現(xiàn)象叫做壓電效應(yīng)。將這種物質(zhì)置于電場(chǎng)中，其幾何尺寸也會(huì)發(fā)生變化，叫做電致伸縮效應(yīng)。多數(shù)人工壓電陶瓷的壓電常數(shù)比石英晶體大數(shù)百倍，也就是說(shuō)靈敏度要高得多。利用壓電效應(yīng)，制成壓電式加速度傳感器，可用于檢測(cè)機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)中的加速度振動(dòng)信號(hào)；利用電致伸縮效應(yīng)，制成超聲波探頭，可用于探測(cè)構(gòu)件內(nèi)部缺陷。圖3—1加速度計(jì)加速度傳感器壓電式加速度傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖3—2壓電式加速度計(jì)a)中心壓縮型b)環(huán)形剪切型c)三角剪切型壓電式加速度傳感器的測(cè)量電路由于電荷是非常微弱的量，且因?yàn)槁╇娮璧拇嬖?，使之不能傳輸較長(zhǎng)的距離。通常廠家提供的專(zhuān)用低噪聲電纜只有3～5米，最長(zhǎng)不過(guò)10米。因此需要在被測(cè)設(shè)備附近布置前置放大器，將電荷量放大數(shù)千倍后，再傳輸給顯示計(jì)量?jī)x表。前置放大器電路有兩種形式：其一是電阻反饋的電壓放大器，另一種是電容反饋的電荷放大器。電荷放大器是工業(yè)測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)使用最多的前置放大器。但電路復(fù)雜，數(shù)千倍的放大倍數(shù)，對(duì)各級(jí)放大器的性能穩(wěn)定性提出了極高的要求，因而價(jià)格較貴。目前，新型的壓電式加速度傳感器采用了內(nèi)置IC電路的方案，由于內(nèi)部空間極小，內(nèi)置IC電路實(shí)際完成阻抗變換的功能，需一個(gè)20mA的恒流源對(duì)其供電。測(cè)量電路如圖3—3所示。

可以將內(nèi)置IC電路看成一個(gè)隨加速度值變動(dòng)的電阻，加速度值升高，電阻值也線(xiàn)性升高，由于恒電流供電，20mA電流不能通過(guò)儀表端的隔直電容，通過(guò)變電阻的電流是常數(shù)，因此在變電阻的兩端產(chǎn)生電壓變化，這個(gè)電壓因此也隨加速度變化。變化的電壓可以通過(guò)隔直電容輸入給放大器A，最后輸出測(cè)量電壓。需要注意的是，隔直電容與后面的電阻構(gòu)成一個(gè)高通濾波器，因此電容C與電阻R的值決定了該測(cè)量系統(tǒng)頻率響應(yīng)特性曲線(xiàn)的最低信號(hào)頻率。圖3—3ICP型加速度計(jì)測(cè)量電路壓電式加速度傳感器的安裝要求

圖3—4的左邊是幅頻特性曲線(xiàn)，它反映信號(hào)的頻率在1Hz到3KHz這一段，加速度計(jì)能比較好的復(fù)現(xiàn)信號(hào)的波形。幅頻特性曲線(xiàn)告訴我們，測(cè)量裝置對(duì)信號(hào)中不同的頻率波形有不同的放大倍數(shù)。為了測(cè)得的電信號(hào)波形能真實(shí)地復(fù)現(xiàn)振動(dòng)波形，就必需使所測(cè)信號(hào)中最高的頻率位于幅頻特性曲線(xiàn)上的水平段。為此，要使安裝后的加速度計(jì)特性具有足夠高的共振頻率。圖3—4加速度計(jì)的幅頻特性壓電式加速度傳感器的安裝

此外，低噪聲專(zhuān)用電纜的敷設(shè)也要注意。對(duì)于內(nèi)置IC的集成加速度傳感器，由于恒流供電阻抗變換方式，對(duì)電纜的敷設(shè)要求不高。但非集成式加速度傳感器，因電纜與機(jī)殼構(gòu)成耦合電容，是電壓干擾的進(jìn)入通道，所以要求該電容不隨機(jī)殼的振動(dòng)而變化。因此電纜必需緊貼機(jī)殼固定，使耦合電容值最小且不變。速度傳感器速度傳感器又稱(chēng)為磁電式變換器，有時(shí)也叫作“電動(dòng)力式變換器”或“感應(yīng)式變換器”，它利用電磁感應(yīng)原理，將運(yùn)動(dòng)速度轉(zhuǎn)換成線(xiàn)圈中的感應(yīng)電勢(shì)輸出。它的工作不需要電源，而是直接從被測(cè)物體吸取機(jī)械能量并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出，是一種典型的發(fā)生器型變換器。由于它的輸出功率較大，因而大大簡(jiǎn)化了后續(xù)電路，且性能穩(wěn)定，又具有一定的工作帶寬(一般為10～1000Hz)，所以獲得了較普遍的應(yīng)用。磁電式速度傳感器有絕對(duì)式和相對(duì)式兩種，前者測(cè)量被測(cè)對(duì)象的絕對(duì)振動(dòng)速度，后者測(cè)量?jī)蓚€(gè)運(yùn)動(dòng)部件之間的相對(duì)振動(dòng)速度。磁電式絕對(duì)速度傳感器圖3—6磁電式絕對(duì)速度傳感器1—彈簧片、2—?dú)んw、3—阻尼環(huán)、4—永磁鐵、5—線(xiàn)圈、6—心軸、7—彈簧銅制的阻尼環(huán)一方面可增加慣性系統(tǒng)的質(zhì)量，降低固有頻率；另一方面又利用閉合銅環(huán)在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的磁阻尼力，使振動(dòng)系統(tǒng)具有合理的阻尼，從而減小共振對(duì)測(cè)量精度的影響。磁電式相對(duì)速度傳感器圖3—7磁電式相對(duì)速度傳感器1—?dú)んw、2—心軸殼體、3—彈簧片、4—永磁鐵、5—線(xiàn)圈、6—彈簧片、7—引出線(xiàn)磁電式速度傳感器的選用在選擇速度傳感器時(shí)首先要注意傳感器的最低工作頻率，它告訴我們被測(cè)設(shè)備的頻譜圖中低于這個(gè)頻率的信號(hào)是失真的，可信度低。其次是傳感器的靈敏度，例如20mv/mm/s（美國(guó)本特利公司）、100mv/mm/s（德國(guó)申克公司），這個(gè)參數(shù)用于將測(cè)得的電壓值換算成速度值，也是估計(jì)傳感器最大輸出電壓的重要參數(shù)。由于要克服自重的影響，速度傳感器分為水平安裝（H型）與垂直安裝（V型）兩種。垂直安裝的速度傳感器與水平安裝的速度傳感器內(nèi)部機(jī)械結(jié)構(gòu)參數(shù)是不同的，在使用時(shí)必須注意，不能混用。位移傳感器位移測(cè)量應(yīng)用很廣，是最基本的測(cè)試技術(shù)之一。如物體位置的移動(dòng)量，物體的變形量，零部件的位置、厚度、距離等。還可以通過(guò)測(cè)最位移量，來(lái)反映其他參數(shù)，如力、扭矩、速度、加速度等的變化。位移測(cè)量可以是絕對(duì)位置和相對(duì)位置的測(cè)量。位移測(cè)量分為線(xiàn)位移測(cè)量和角位移測(cè)量。常用的位移測(cè)量傳感器有電阻式、電感式、電容式、感應(yīng)同步器、磁棚、光柵等。位移的測(cè)量電阻式位移的測(cè)量電感式線(xiàn)位移檢測(cè)傳感器光柵位移傳感器光柵是一種新型的位移檢測(cè)元件，是一種將機(jī)械位移或模擬量轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字脈沖的測(cè)量裝置。它的特點(diǎn)是測(cè)量精確度高（可達(dá)±1μm）、響應(yīng)速度快、量程范圍大、可進(jìn)行非接觸測(cè)量等。其易于實(shí)現(xiàn)數(shù)字測(cè)量和自動(dòng)控制，廣泛用于數(shù)控機(jī)床和精密測(cè)量中。光柵的構(gòu)造

透射光柵：在透明的玻璃板上，均勻地刻出許多明暗相間的條紋；反射光柵：在金屬鏡面上均勻地劃出許多間隔相等的條紋；通常線(xiàn)條的間隙和寬度是相等的a：刻線(xiàn)寬度，b：刻線(xiàn)間寬，W=a+b：光柵的柵距，通常情況下a=b，刻線(xiàn)密度一般為每毫米250線(xiàn)、100線(xiàn)、50線(xiàn)、25線(xiàn)工作原理

如果把兩塊柵距W相等的光柵平行安裝，且讓它們的刻痕之間有較小的夾角θ時(shí)，這時(shí)光柵上會(huì)出現(xiàn)若干條明暗相間的條紋，這種條紋稱(chēng)莫爾條紋。它們沿著與光柵條紋幾乎垂直的方向排列，莫爾條紋具有如下特點(diǎn)：（1）莫爾條紋的位移與光柵的移動(dòng)成比例。當(dāng)指示光柵不動(dòng)，標(biāo)尺光柵向左右移動(dòng)時(shí)，莫爾條紋將沿著近于柵線(xiàn)的方向上下移動(dòng)；光柵每移動(dòng)過(guò)一個(gè)柵距W，莫爾條紋就移動(dòng)過(guò)一個(gè)條紋間距B，查看莫爾條紋的移動(dòng)方向，即可確定主光柵的移動(dòng)方向。（2）莫爾條紋具有位移放大作用。莫爾條紋的間距B與兩光柵條紋夾角之間關(guān)系為兩光柵的柵線(xiàn)之間保持很小夾角，在與光柵柵線(xiàn)近于垂直的方向上，出現(xiàn)明暗相間的條紋，稱(chēng)為莫爾條紋莫爾條紋（相鄰亮帶或暗帶）間距表示為：莫爾條紋的放大倍數(shù)為：

W=0.02mm,θ=0.02rad,BH=2mm.放大了100倍（3）莫爾條紋具有平均光柵誤差的作用。莫爾條紋是由一系列刻線(xiàn)的交點(diǎn)組成，它反映了形成條紋的光柵刻線(xiàn)的平均位置，對(duì)各柵距誤差起了平均作用，減弱了光柵制造中的局部誤差和短周期誤差對(duì)檢測(cè)精度的影響。光柵移動(dòng)一個(gè)柵距W，則莫爾條紋移動(dòng)一個(gè)條紋間距，莫爾條紋的光強(qiáng)度變化近似正弦變化，用光電元件接收莫爾條紋光強(qiáng)的變化，輸出電壓與位移的關(guān)系為整形變?yōu)榉讲?，可?jì)脈沖數(shù)Ｎ，位移為標(biāo)尺光柵移動(dòng)一個(gè)柵距w，莫爾條紋光強(qiáng)變化一個(gè)周期，計(jì)數(shù)器計(jì)一個(gè)脈沖數(shù)，即分辨力為一個(gè)柵距。例如每毫米250條柵線(xiàn)的長(zhǎng)光柵，柵距為4u，

其分辨力為4u，。為提高分辨力，能測(cè)比柵距更小的位移，可采用細(xì)分技術(shù)細(xì)分就是在莫爾條紋變化一個(gè)周期時(shí)，輸出若干脈沖數(shù)。例如，在一個(gè)周期內(nèi)，輸出4個(gè)脈沖數(shù)，就叫四細(xì)分

若光柵的柵距為4u，那么分辨力為1u。

細(xì)分方法:電子細(xì)分法、光學(xué)細(xì)分法、機(jī)械細(xì)分法等。細(xì)分技術(shù)（提高測(cè)量分辨率的常用方法是細(xì)分）在一個(gè)莫爾條紋寬度上，并列安放4個(gè)光電元件，每個(gè)相距1/4BH

。4個(gè)光電元輸出的正弦電壓信號(hào)相位依次相差90，這樣可以獲得依次相差90相位的4個(gè)正弦交流信號(hào)。在莫爾條紋一個(gè)周期內(nèi)，可獲得4個(gè)計(jì)數(shù)脈沖。實(shí)現(xiàn)4細(xì)分。這種細(xì)分方法，光電元件安裝困難，細(xì)分?jǐn)?shù)不可能很高。四倍頻細(xì)分四倍頻細(xì)分自學(xué)：感應(yīng)同步器、磁柵位移傳感器

編碼器編碼器是將直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)角運(yùn)動(dòng)變換為數(shù)字信號(hào)進(jìn)行測(cè)量的一種傳感器。類(lèi)型：光電式、電磁式和接觸式等角位移檢測(cè)傳感器信號(hào)插頭光電編碼器外形圖拉線(xiàn)式角編碼器利用線(xiàn)輪，能將直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。（參考德國(guó)圖爾克傳感與自動(dòng)化技術(shù)專(zhuān)業(yè)公司）光電編碼器外形圖轉(zhuǎn)軸盤(pán)碼及狹縫光敏元件光欄板及辨向用的A、B狹縫LEDABC零位標(biāo)志ABC（1）增量式光電編碼器結(jié)構(gòu)示意圖l－均勻分布透光槽的編碼盤(pán)2－LED光源3－光欄板上狹縫4－sin信號(hào)接收器5－cos信號(hào)接收器6－零位讀出光電元件7－轉(zhuǎn)軸8－零位標(biāo)記槽增量式編碼器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低、精度易于保證等優(yōu)點(diǎn)，所以目前采用最多。增量式編碼器原理動(dòng)畫(huà)演示辨向信號(hào)和零標(biāo)志另一個(gè)狹縫C，每轉(zhuǎn)產(chǎn)生一個(gè)脈沖，該脈沖信號(hào)又稱(chēng)“一轉(zhuǎn)信號(hào)”或零標(biāo)志脈沖，作為測(cè)量的起始基準(zhǔn)。光欄板上的兩個(gè)狹縫距離是碼盤(pán)上的兩個(gè)狹縫距離的（m+1/4）倍，m為正整數(shù)，并設(shè)置了兩組光敏元件A、B，又稱(chēng)為sin、cos元件。測(cè)量精度取決于它所能分辨的最小角度，這與碼盤(pán)圓周上的狹縫條紋數(shù)n

有關(guān)，即最小能分辨的角度及分辨率為：

增量式光電編碼器的分辨力及分辨率分辨力為分辨率為（2）絕對(duì)式光電編碼器按照角度直接進(jìn)行編碼，直接用數(shù)字代碼表示。編碼盤(pán)由透明及不透明區(qū)組成，編碼盤(pán)上碼道的條數(shù)就是數(shù)碼的位數(shù)。

絕對(duì)式光電編碼器原理動(dòng)畫(huà)演示絕對(duì)式光電編碼器的結(jié)構(gòu)示意圖1－光源；2－透鏡；3－編碼盤(pán)；4－狹縫；5－光電元件（a）4位二進(jìn)制碼盤(pán)a）光電碼盤(pán)的平面結(jié)構(gòu)（8碼道）b）光電碼盤(pán)與光源、光敏元件的對(duì)應(yīng)關(guān)系（4碼道）絕對(duì)式光電編碼器測(cè)量精度取決于它所能分辨的最小角度，這與碼盤(pán)上的碼道數(shù)n

有關(guān)，即最小能分辨的角度及分辨率為：為了避免位置不分明而引起的粗大誤差，可采用格雷碼（Groycode）圖案的編碼盤(pán)。分辨力分辨率格雷碼和自然二進(jìn)制碼的比較表D十進(jìn)制B二進(jìn)制R格雷碼D十進(jìn)制B二進(jìn)制R格雷碼0123456700000001001000110100010101100111000000010011001001100111010101008910111213141510001001101010111100110111101111110011011111111010101011100110001．位置測(cè)量光電編碼器的其他應(yīng)用光電編碼器位置測(cè)量動(dòng)畫(huà)演示工位定位示意圖1－絕對(duì)式編碼器2－電動(dòng)機(jī)

3－轉(zhuǎn)軸

4－轉(zhuǎn)盤(pán)

5－工件

6－刀具數(shù)控加工中心在數(shù)控加工中心的刀庫(kù)選刀控制中的應(yīng)用旋轉(zhuǎn)刀庫(kù)被加工工件刀具角編碼器的輸出為當(dāng)前刀具號(hào)用不同的刀具加工復(fù)雜的工件轉(zhuǎn)速測(cè)量光電編碼器轉(zhuǎn)速測(cè)量動(dòng)畫(huà)演示在伺服電機(jī)中的應(yīng)用應(yīng)用方面：轉(zhuǎn)速測(cè)量轉(zhuǎn)子磁極位置測(cè)量角位移測(cè)量力是物理基本量之一，因此各種動(dòng)態(tài)、靜態(tài)力的大小的測(cè)量十分重要。力的測(cè)量需要通過(guò)力傳感器間接完成，力傳感器是將各種力學(xué)量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的器件。力敏感元件轉(zhuǎn)換元件顯示設(shè)備F力傳感器的測(cè)量示意圖測(cè)力傳感器彈性敏感元件把力或壓力轉(zhuǎn)換成了應(yīng)變或位移，然后再由傳感器將應(yīng)變或位移轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。彈性敏感元件是一個(gè)非常重要的傳感器部件，應(yīng)具有：良好的彈性、足夠的精度，應(yīng)保證長(zhǎng)期使用和溫度變化時(shí)的穩(wěn)定性。彈性敏感元件在形式上可分為兩大類(lèi)：

變換力的彈性敏感元件。

變換壓力的彈性敏感元件。一些變換力的彈性敏感元件形狀

變換壓力的彈性敏感元件（1）彈簧管圖3-3彈簧管的結(jié)構(gòu)

（2）波紋管

波紋管是有許多同心環(huán)狀皺紋的薄壁圓管，如圖所示。

波紋管的外形

（3）波紋膜片和膜盒平膜片在壓力或力作用下位移量小，因而常把平膜片加工制成具有環(huán)狀同心波紋的圓形薄膜，這就是波紋膜片。

波紋膜片波紋的形狀

電阻應(yīng)變片傳感器工作原理應(yīng)變物體在外部壓力或拉力作用下發(fā)生形變的現(xiàn)象彈性應(yīng)變當(dāng)外力去除后，物體能夠完全恢復(fù)其尺寸和形狀的應(yīng)變彈性元件具有彈性應(yīng)變特性的物體應(yīng)變式傳感器是利用電阻應(yīng)變片將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻變化的傳感器工作原理：

當(dāng)被測(cè)物理量作用于彈性元件上，彈性元件在力、力矩或壓力等的作用下發(fā)生變形，產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)變或位移，然后傳遞給與之相連的應(yīng)變片，引起應(yīng)變片的電阻值變化，通過(guò)測(cè)量電路變成電量輸出。輸出的電量大小反映被測(cè)量的大小。結(jié)構(gòu)：應(yīng)變式傳感器由彈性元件上粘貼電阻應(yīng)變片構(gòu)成應(yīng)用：廣泛用于力、力矩、壓力、加速度、重量等參數(shù)的測(cè)量電阻應(yīng)變片工作原理

電阻應(yīng)變片式傳感器是利用了金屬和半導(dǎo)體材料的“應(yīng)變效應(yīng)”。金屬和半導(dǎo)體材料的電阻值隨它承受的機(jī)械變形大小而發(fā)生變化的現(xiàn)象就稱(chēng)為“應(yīng)變效應(yīng)”。設(shè)電阻絲長(zhǎng)度為，截面積為，電阻率為，則電阻值為：

當(dāng)電阻絲受到拉力F時(shí)，一是受力后材料幾何尺寸變化；二是受力后材料的電阻率也發(fā)生了變化，則其阻值發(fā)生變化。金屬電阻絲應(yīng)變效應(yīng)

一根金屬電阻絲，在其未受力時(shí)，原始電阻值為：

當(dāng)電阻絲受到拉力F作用時(shí)，將伸長(zhǎng)Δl，橫截面積相應(yīng)減小ΔA，電阻率因材料晶格發(fā)生變形等因素影響而改變了Δρ，從而引起電阻值變化量為：式中：dL/L——長(zhǎng)度相對(duì)變化量，用應(yīng)變?chǔ)疟硎緸?/p>

電阻相對(duì)變化量：

dA/A——圓形電阻絲的截面積相對(duì)變化量，設(shè)r為電阻絲的半徑，微分后可得dA=2πr

dr，則：材料力學(xué)：在彈性范圍內(nèi)，金屬絲受拉力時(shí)，沿軸向伸長(zhǎng)，沿徑向縮短，軸向應(yīng)變和徑向應(yīng)變的關(guān)系可表示為：μ為電阻絲材料的泊松比，負(fù)號(hào)表示應(yīng)變方向相反。

推得：定義：電阻絲的靈敏系數(shù)（物理意義）：?jiǎn)挝粦?yīng)變所引起的電阻相對(duì)變化量。其表達(dá)式為靈敏度系數(shù)K受兩個(gè)因素影響一是應(yīng)變片受力后材料幾何尺寸的變化，即1+2μ二是應(yīng)變片受力后材料的電阻率發(fā)生的變化，即（?ρ/ρ）/ε。對(duì)金屬材料：1+2μ＞＞(?

ρ/ρ)/ε對(duì)半導(dǎo)體材料：(?

ρ/ρ)/ε＞＞1+2μ大量實(shí)驗(yàn)證明，在電阻絲拉伸極限內(nèi)，電阻的相對(duì)變化與應(yīng)變成正比，即K為常數(shù)。壓電力傳感器傳感器的選擇和使用傳感器的選擇

選擇傳感器應(yīng)考慮以下幾個(gè)方面：1）測(cè)試要求和條件。測(cè)量目的、被測(cè)物理量選擇、測(cè)量范圍、輸入信號(hào)最大值和頻帶寬度、測(cè)量精度要求、測(cè)量所需時(shí)間要求等。2）傳感器特性。精度、穩(wěn)定性、響應(yīng)速度、輸出量性質(zhì)、對(duì)被測(cè)物體產(chǎn)生的負(fù)載效應(yīng)、校正周期、輸入端保護(hù)等。3）使用條件。安裝條件、工作場(chǎng)地的環(huán)境條件（溫度、濕度、振動(dòng)等）、測(cè)量時(shí)間、所需功率容量、與其它設(shè)備的連接、備件與維修服務(wù)等。傳感器的正確使用

傳感器輸出特性的線(xiàn)性化處理和補(bǔ)償傳感器的標(biāo)定抗干擾措施線(xiàn)性化處理和補(bǔ)償大多數(shù)傳感器具有不同程度的非線(xiàn)性特性，這使較大范圍的動(dòng)態(tài)檢測(cè)存在著很大的誤差。在使用模擬電路組成檢測(cè)回路時(shí)，為了進(jìn)行非線(xiàn)性補(bǔ)償，通常采用與傳感器輸入輸出特性相反特性的元件，通過(guò)硬件進(jìn)行線(xiàn)性化處理。當(dāng)輸出量中包含有被測(cè)物理量之外的因素時(shí)，為了克服這些因素的影響需要采取相應(yīng)的措施加以補(bǔ)償。如外界環(huán)境溫度變化，將會(huì)使測(cè)量系統(tǒng)產(chǎn)生附加誤差，影響測(cè)量精度，因此有必要對(duì)溫度進(jìn)行補(bǔ)償。傳感器的標(biāo)定傳感器的標(biāo)定，就是利用精度高一級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)量具對(duì)傳感器進(jìn)行定度的過(guò)程，從而確定其輸出量和輸入量之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，同時(shí)也確定不同使用條件下的誤差關(guān)系。傳感器使用前要進(jìn)行標(biāo)定，使用一段時(shí)間后還要定期進(jìn)行校正，檢查精度性能是否滿(mǎn)足原設(shè)計(jì)指標(biāo)?？垢蓴_措施傳感器大多要在現(xiàn)場(chǎng)工作，而現(xiàn)場(chǎng)的條件往往是不可預(yù)料的，有時(shí)是極其惡劣的。各種外界因素要影響傳感器的精度和性能，所以在檢測(cè)系統(tǒng)中，抗干擾是非常重要的，尤其是在微弱輸入信號(hào)的系統(tǒng)中。常采用的抗干擾措施有屏蔽、接地、隔離和濾波等。結(jié)構(gòu)的激振方法如果知道了系統(tǒng)的輸入(激勵(lì))和輸出(響應(yīng))，就可以求出系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，也即動(dòng)態(tài)特性。振動(dòng)系統(tǒng)測(cè)試就是求取系統(tǒng)輸入和輸出的一種試驗(yàn)方法。為了完成上述測(cè)試任務(wù)，一般說(shuō)來(lái)測(cè)試系統(tǒng)應(yīng)該包括下述三個(gè)主要部分：

1)激勵(lì)部分實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)系統(tǒng)的激勵(lì)(輸入)，使系統(tǒng)發(fā)生振動(dòng)。它主要由激勵(lì)信號(hào)源、功率放大器和激振裝置組成。

2)拾振部分檢測(cè)并放大被測(cè)系統(tǒng)的輸入、輸出信號(hào)，并將信號(hào)轉(zhuǎn)換成一定的形式(通常為電信號(hào))。它主要由傳感器、可調(diào)放大器組成。

3)分析記錄部分將拾振部分傳來(lái)的信號(hào)記錄下來(lái)供以后分析處理或直接近行分析處理并記下處理結(jié)果。它主要由各種記錄設(shè)備和頻譜分析設(shè)備組成。激振器(一）電動(dòng)式激振器當(dāng)Fi以簡(jiǎn)諧規(guī)律變化時(shí)，則作用在激振對(duì)象上的力F也為同頻率的簡(jiǎn)諧力，在使用時(shí)，往往在頂桿與激振對(duì)象之間加一個(gè)力傳感器，以精確地測(cè)出激振力F(t)．

為了使激振器的能量盡量用于激振對(duì)象的激勵(lì)上,在激振時(shí)最好讓激振器基座在空間基本上保持靜止：在高頻激振時(shí)，往往用彈簧將激振器懸掛起來(lái)，降低安裝的自然頻率，使之低于激振頻率的l／3；在低頻激振時(shí)，則將激振器的基座與靜止的地基剛性相連，使安裝的自然頻率高于激振頻率3倍以上。激振器安裝原則（二）電磁式激振器電磁激振器是非接觸式的，其頻率上限約為500－800Hz。

激振器是由通入線(xiàn)圈中的交變電流產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，而被測(cè)對(duì)象作為銜鐵，在交變磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生振動(dòng)．由于在電磁鐵與銜鐵之間的作用力F(t)只會(huì)是吸力，而無(wú)斥力，為了形成往復(fù)的正弦激勵(lì)，應(yīng)該在其間施加一恒定的吸力F0，然后才能疊加上一個(gè)交變的諧波力F(t)，如圖所示，即:為此，通入線(xiàn)圈中的電流I(t)也應(yīng)該由直流與交流兩部分組成，即:而由電磁理論知道，電磁鐵所產(chǎn)生的磁力正比于所通過(guò)電流的平方，即有式中a為比例系數(shù)，與電磁鐵的尺寸、結(jié)構(gòu)、材料與氣隙的大小有關(guān)．在A《I0的情況下，上式右邊第三項(xiàng)可略去，得如果條件A《I0不成立，則將在激振力中引入二次諧波:（三）脈沖錘

脈沖錘是一種產(chǎn)生瞬態(tài)激勵(lì)力的激振器，它由錘體、手柄和可以調(diào)換的錘頭和配重組成，通常在錘體和錘頭之間裝有一個(gè)力傳感器，以測(cè)量被測(cè)系統(tǒng)所受錘擊力的大小。

一般來(lái)說(shuō)，錘擊力的大小是由錘擊質(zhì)量和錘擊被測(cè)系統(tǒng)時(shí)的運(yùn)動(dòng)速度決定的。

激勵(lì)的頻率范圍主要由接觸表面剛度決定，錘頭的材料越硬則脈沖的持續(xù)時(shí)間越短，上限額率fe越高。為了能調(diào)整激勵(lì)頻率范圍，通常使用一套不同材料的錘頭。當(dāng)用脈沖錘進(jìn)行沖擊激勵(lì)時(shí)，它相當(dāng)于對(duì)被測(cè)系統(tǒng)施加了一個(gè)半正弦波的力脈沖，如圖(a)所示。該類(lèi)脈沖的頻譜如圖(b)所示，在小于上限頻率fe的頻段內(nèi)，脈沖的頻譜基本上是平坦的，fe以后迅速下降。一般來(lái)說(shuō)，錘頭的材料越硬則脈沖的持續(xù)時(shí)間越短，上限額率fe越高。振動(dòng)的激勵(lì)一、穩(wěn)態(tài)正弦激勵(lì)方法

這是一種測(cè)量頻率響應(yīng)的經(jīng)典方法，它提供給被測(cè)系統(tǒng)的激勵(lì)信號(hào)是一個(gè)具有穩(wěn)定幅值和頻率的正弦信號(hào)，測(cè)出激勵(lì)大小和響應(yīng)大小，便可求出系統(tǒng)在該頻率點(diǎn)處的頻率響應(yīng)的大小。

激勵(lì)系統(tǒng)一般由正弦信號(hào)發(fā)生器、功率放大器和電磁激振器組成，測(cè)量系統(tǒng)由跟蹤濾波器、峰值電壓表和相位計(jì)組成。二、瞬態(tài)激勵(lì)方法瞬態(tài)激勵(lì)方法給被測(cè)系統(tǒng)提供的激勵(lì)信號(hào)是一種瞬態(tài)信號(hào)，它屬于一種寬頻帶激勵(lì)，即一次同時(shí)給系統(tǒng)提供頻帶內(nèi)各個(gè)頻率成份的能量和使系統(tǒng)產(chǎn)生相應(yīng)頻帶內(nèi)的頻率響應(yīng)。因此，它是一種快速測(cè)試方法。同時(shí)由于測(cè)試設(shè)備簡(jiǎn)單，靈活性大，故常在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)使用。目前常用的瞬態(tài)激勵(lì)方法有快速正弦掃描、脈沖錘擊和階躍松弛激勵(lì)等方法，下面分別討論和介紹。(一)快速正弦掃描這種測(cè)試方法是使正弦激勵(lì)信號(hào)在所需的頻率范圍內(nèi)作快速掃描(在數(shù)秒鐘內(nèi)完成)，激振信號(hào)頻率在掃描周期T內(nèi)成線(xiàn)性增加，而幅值保持恒定。掃描信號(hào)的頻譜曲線(xiàn)幾乎是一根平坦的曲線(xiàn)，從而能達(dá)到寬頻帶激勵(lì)的目的。

(二)脈沖錘擊激勵(lì)脈沖錘擊激勵(lì)是用脈沖錘對(duì)被測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行敲擊，給系統(tǒng)施加一個(gè)脈沖力，使之發(fā)生振動(dòng)。由于錘擊力脈沖在一定頻率范圍內(nèi)具有平坦的頻譜曲線(xiàn)，所以它是一種寬頻帶的快速激勵(lì)方法。(三)階躍松馳激勵(lì)

1、階躍松弛激勵(lì)定義

2、特點(diǎn)：由于階躍函數(shù)的導(dǎo)數(shù)是脈沖函數(shù)，階躍函數(shù)引起的響應(yīng)的導(dǎo)數(shù)是脈沖響應(yīng)函數(shù)，所以這種方法也是一種寬頻帶激勵(lì)方法。

3、實(shí)現(xiàn)：在實(shí)際應(yīng)用中，常常是用一根剛度很大質(zhì)量很輕的張力弦通過(guò)力傳感器對(duì)系統(tǒng)預(yù)加載，然后突然切斷張力弦。三、隨機(jī)激勵(lì)方法(一)純隨機(jī)激勵(lì)

理想的純隨機(jī)信號(hào)是具有高斯分布的白噪聲，它在整個(gè)時(shí)間歷程上是隨機(jī)的，不具有周期性，在頻率域上它是一條幾乎平坦的直線(xiàn)。

(二)偽隨機(jī)激勵(lì)偽隨機(jī)信號(hào)是一種有周期性的隨機(jī)信號(hào)，它在一個(gè)周期內(nèi)的信號(hào)是純隨機(jī)的，但各個(gè)周期內(nèi)的信號(hào)是完全相同的。這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于試驗(yàn)的可重復(fù)性。將白噪聲在T內(nèi)截?cái)?，然后按周期T反復(fù)重復(fù)，即形成偽隨機(jī)信號(hào)。檢測(cè)（振動(dòng)）信號(hào)的采集與預(yù)處理振動(dòng)信號(hào)的采集振動(dòng)信號(hào)的采樣過(guò)程，嚴(yán)格來(lái)說(shuō)應(yīng)包含幾個(gè)方面：1.信號(hào)適調(diào)由于目前采用的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是一種數(shù)字化系統(tǒng)，所采用的A/D芯片對(duì)信號(hào)輸入量程有嚴(yán)格限制，為了保證信號(hào)轉(zhuǎn)換具有較高的信噪比，信號(hào)進(jìn)入A/D以前，均需進(jìn)行信號(hào)適調(diào)。適調(diào)包括大信號(hào)的衰減處理和弱信號(hào)的放大處理，或者對(duì)一些直流信號(hào)進(jìn)行偏置處理，使其滿(mǎn)足A/D輸入量程要求。2.A/D轉(zhuǎn)換A/D轉(zhuǎn)換包括采樣、量化和編碼三個(gè)組成部分。采樣（抽樣），是利用采樣脈沖序列從模擬信號(hào)中抽取一系列離散樣值，使之成為采樣信號(hào)的過(guò)程，稱(chēng)為采樣間隔，其倒數(shù)稱(chēng)之為采樣頻率。采樣頻率的選擇必須符合采樣定理要求。由于計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)位數(shù)進(jìn)行了規(guī)定，采樣信號(hào)x(n△t)經(jīng)舍入的方法變?yōu)橹挥杏邢迋€(gè)有效數(shù)字的數(shù)，這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為量化。由于抽樣間隔長(zhǎng)度是固定的（對(duì)當(dāng)前數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō)），當(dāng)采樣信號(hào)落入某一小間隔內(nèi)，經(jīng)舍入方法而變?yōu)橛邢拗禃r(shí)，則產(chǎn)生量化誤差。如8位二進(jìn)制為28＝256，即量化增量為所測(cè)信號(hào)最大電壓幅值的1/256。編碼是把采樣數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)橛?jì)算機(jī)能識(shí)別的數(shù)字格式。采樣過(guò)程示意圖在采集振動(dòng)信號(hào)時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：1.振動(dòng)信號(hào)采集模式取決于機(jī)組當(dāng)時(shí)的工作狀態(tài)，如穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)等；2.變轉(zhuǎn)速運(yùn)行設(shè)備的振動(dòng)信號(hào)采集在有條件時(shí)應(yīng)采取同步整周期采集；3.所有工作狀態(tài)下振動(dòng)信號(hào)采集均應(yīng)符合采樣定理。采樣定理衡量采樣速度高低的指標(biāo)稱(chēng)為采樣頻率fs。一般來(lái)說(shuō)，采樣頻率fs越高，采樣點(diǎn)越密，所獲得的數(shù)字信號(hào)越逼近原信號(hào)。為了兼顧計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)量和計(jì)算工作量，一般保證信號(hào)不丟失或歪曲原信號(hào)信息就可以滿(mǎn)足實(shí)際需要了。這個(gè)基本要求就是所謂的采樣定理，是由Shannon提出的，也稱(chēng)為Shannon采樣定理。Shannon采樣定理規(guī)定了帶限信號(hào)不丟失信息的最低采樣頻率為或式中fm為原信號(hào)中最高頻率成分的頻率。采集的數(shù)據(jù)量大小N為因此，當(dāng)采樣長(zhǎng)度一定時(shí)，采樣頻率越高，采集的數(shù)據(jù)量就越大。使用采樣頻率時(shí)應(yīng)注意的問(wèn)題：（一）正確估計(jì)原信號(hào)中最高頻率成分的頻率，對(duì)于采用電渦流傳感器測(cè)振的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，一般確定為最高分析頻率為12.5X，采樣模式為同步整周期采集，若選擇頻譜分辨率為400線(xiàn)，需采集1024點(diǎn)數(shù)據(jù)，若每周期采集32點(diǎn)，采樣長(zhǎng)度為32周期。（二）同樣的數(shù)據(jù)量可以通過(guò)改變每周期采樣點(diǎn)數(shù)提高基頻分辨率，這對(duì)于識(shí)別次同步振動(dòng)信號(hào)是必要的，但降低了最高分析頻率，如何確定視具體情況而定。

采樣定理解析采樣定理實(shí)際上涉及了3個(gè)主要條件，當(dāng)確定其中2個(gè)條件后，第3個(gè)條件自動(dòng)形成。這3個(gè)條件是進(jìn)行正確數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)，必須理解深刻。條件1采樣頻率控制最高分析頻率采樣頻率（采樣速率）越高，獲得的信號(hào)頻率響應(yīng)越高，換言之，當(dāng)需要高頻信號(hào)時(shí)，就需要提高采樣頻率，采樣頻率應(yīng)符合采樣定理基本要求。這個(gè)條件看起來(lái)似乎很簡(jiǎn)單，但對(duì)于一個(gè)未知信號(hào)，其中所含最高頻率信號(hào)的頻率究竟有多高，實(shí)際上我們是無(wú)法知道的。解決這個(gè)問(wèn)題需要2個(gè)步驟，一是指定最高測(cè)量頻率，二是采用低通濾波器把高于設(shè)定最高測(cè)量頻率的成分全部去掉（這個(gè)低通濾波器就是抗混濾波器）?，F(xiàn)實(shí)的抗混濾波器與理論上的濾波器存在差異，因此信號(hào)中仍會(huì)存在一定混疊成分，一般在計(jì)算頻譜后將高頻成分去掉，一般頻譜線(xiàn)數(shù)取時(shí)域數(shù)據(jù)點(diǎn)的1/2.56，或取頻域幅值數(shù)據(jù)點(diǎn)的1/1.28，即128線(xiàn)頻譜取100線(xiàn)，256線(xiàn)頻譜取200線(xiàn)，512線(xiàn)頻譜取400線(xiàn)等等。

為說(shuō)明該條件，我們舉例進(jìn)行說(shuō)明。①要想在頻譜中看到500Hz的成分，其采樣頻率最少為1000Hz。②若采樣頻率為32點(diǎn)／轉(zhuǎn)，頻譜中最高線(xiàn)理論上可達(dá)到16X。條件2總采樣時(shí)間控制分辨率頻譜的分辨率（譜線(xiàn)間隔）受控于總采樣時(shí)間，即其中△f為頻譜分辨率，T為總采樣時(shí)間。①如果采樣總時(shí)間為0.5秒，則頻譜分辨率為2Hz；②若區(qū)分6cpm（0.1Hz）的頻譜成分，則總采樣時(shí)間至少為10秒；③對(duì)于總采樣時(shí)間為8轉(zhuǎn)的時(shí)間信號(hào)，頻譜分辨率為1/8X。條件3采樣點(diǎn)數(shù)控制頻譜線(xiàn)數(shù)解釋這個(gè)條件，需要對(duì)FFT計(jì)算頻譜的過(guò)程有一個(gè)了解。如果對(duì)于一個(gè)2048點(diǎn)的時(shí)間波形數(shù)據(jù)，我們可以獲得2048點(diǎn)頻域數(shù)據(jù)——1024線(xiàn)頻譜（每條譜線(xiàn)有兩個(gè)值，直接值和正交值，或者說(shuō)幅值和相位兩個(gè)值）。對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)械來(lái)說(shuō)，頻譜僅僅畫(huà)出了FFT復(fù)數(shù)輸出的幅值部分，對(duì)于相位部分一般不畫(huà)，因此頻譜中的線(xiàn)數(shù)最多為時(shí)域點(diǎn)數(shù)的一半，考慮到混疊的影響，頻譜線(xiàn)數(shù)一般會(huì)低于時(shí)域數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)。數(shù)字信號(hào)的預(yù)處理傳感器的輸出信號(hào)被采入計(jì)算機(jī)后往往要先進(jìn)行適當(dāng)?shù)念A(yù)處理，其目的是去除混雜在有用信號(hào)中的各種干擾，并對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)的非線(xiàn)性、零位誤差和增益誤差等進(jìn)行補(bǔ)償和修正。數(shù)字信號(hào)預(yù)處理一般用軟件的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。1）數(shù)字濾波混雜在有用信號(hào)中的干擾信號(hào)有兩大類(lèi)：周期性干擾和隨機(jī)性干擾。典型的周期干擾是50Hz的工頻干擾，采用積分時(shí)間為20ms整數(shù)倍的雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器，可有效地消除其影響。對(duì)于隨機(jī)性干擾，可采用數(shù)字濾波的方法予以削弱或消除。（1）中值濾波中值濾波方法對(duì)緩慢變化的信號(hào)中由于偶然因素引起的脈沖干擾具有良好的濾除效果。其原理是，對(duì)信號(hào)連續(xù)進(jìn)行n次采樣，然后對(duì)采樣值排序，并取序列中位值作為采樣有效值。程序算法就是通用的排序算法。采樣次數(shù)n一般取為大于3的奇數(shù)。當(dāng)n＞5時(shí)排序過(guò)程比較復(fù)雜，可采用“冒泡”算法。（2）算術(shù)平均濾波算術(shù)平均濾波方法的原理是，對(duì)信號(hào)連續(xù)進(jìn)行n次采樣，以其算術(shù)平均值作為有效采樣值。該方法對(duì)壓力、流量等具有周期脈動(dòng)特點(diǎn)的信號(hào)具有良好的濾波效果。采樣次數(shù)n越大，濾波效果越好，但靈敏度也越低，為便于運(yùn)算處理，常取n=4、8、16。