振(zhen)動傳(chuan)感(gan)器的工(gong)作(zuo)原理(li)介紹(shao)

振動傳(chuan)感(gan)器工(gong)作(zuo)原理(li)

　1 振動參數(shu)分類(lei)及(ji)特性

振動傳(chuan)感(gan)器是(shi)由(you)彈簧(huang)、阻尼(ni)器及(ji)慣性(xing)質(zhi)量塊組成的單自由(you)振(zhen)蕩(dang)系(xi)統(tong)。利(li)用質(zhi)量塊的慣性(xing)在(zai)慣性(xing)空間(jian)建(jian)立(li)坐標，測定(ding)相(xiang)對(dui)大(da)地(di)或(huo)慣性(xing)空間(jian)的振(zhen)動加速度(du)。它(ta)通過(guo)其(qi)中(zhong)的換(huan)能(neng)元件(jian)，將(jiang)機械(xie)振(zhen)動轉換(huan)為(wei)便(bian)於傳(chuan)遞(di)、變(bian)換(huan)、處理和儲(chu)存(cun)的電(dian)信(xin)號。

振動傳(chuan)感(gan)器形(xing)式(shi)有(you)很多(duo)種(zhong)，常(chang)見的分(fen)類(lei)如(ru)圖1所示。

　　1.1 壓電(dian)式(shi)振動傳(chuan)感(gan)器的測試原理(li)

壓電(dian)式(shi)振動傳(chuan)感(gan)器是(shi)試驗機振(zhen)動測試常(chang)用的傳(chuan)感(gan)器之(zhi)壹(yi)。相(xiang)應(ying)標準(zhun)提(ti)出(chu)了(le)振動加速度(du)測量(liang)傳(chuan)感(gan)器改(gai)裝要求(qiu)，但是往(wang)往因為(wei)對(dui)其(qi)中(zhong)的概(gai)念(nian)理解(jie)不透，造成壹(yi)些(xie)不合(he)理(li)的安(an)裝方(fang)式，在(zai)壹(yi)定(ding)程度上影響(xiang)了(le)測試精度(du)。

要正(zheng)確(que)理(li)解和(he)貫徹標準(zhun)要求(qiu)，必須(xu)了(le)解有(you)關背(bei)景知(zhi)識(shi)，如(ru)傳(chuan)感(gan)器的測試原理(li)、構(gou)造和(he)基(ji)本特性等方(fang)面(mian)。

壹些(xie)介質在(zai)沿(yan)壹定(ding)方向(xiang)上施加機械(xie)壓力(li)而(er)產(chan)生變(bian)形(xing)時(shi)，其(qi)內部(bu)會(hui)產生(sheng)極化(hua)現象(xiang)，同(tong)時(shi)其(qi)表面(mian)產生電(dian)荷(he)，當外(wai)力(li)去(qu)掉(diao)以後(hou)，材料(liao)內部(bu)的電(dian)場和(he)表面(mian)電(dian)荷(he)也(ye)隨之(zhi)消失(shi)，這種(zhong)特性稱為(wei)壓電(dian)效(xiao)應(ying)。壓電(dian)式(shi)振動傳(chuan)感(gan)器是(shi)利(li)用這壹特性，把基(ji)體感(gan)受到(dao)的機械(xie)振(zhen)動轉化為(wei)電(dian)能(neng)量輸出。

1.2 典(dian)型壓電(dian)式(shi)振動傳(chuan)感(gan)器的基(ji)本構造

壓電(dian)式(shi)振動傳(chuan)感(gan)器的典(dian)型結(jie)構(gou)如圖(tu)2所示。

壓電(dian)晶(jing)體被(bei)壓緊(jin)在(zai)質(zhi)量(liang)塊和(he)基(ji)體之(zhi)間(jian)，當加速度(du)計(ji)感(gan)受振(zhen)動時(shi)，質(zhi)量塊施加壹(yi)個振(zhen)動力(li)於壓電(dian)晶(jing)體上，壓電(dian)晶(jing)體中(zhong)產生(sheng)可變(bian)電(dian)勢(shi)。通過(guo)適(shi)當的設(she)計，可(ke)以保證在(zai)壹(yi)定(ding)的頻(pin)率範圍(wei)內輸入(ru)加速度(du)與(yu)輸出電(dian)勢(shi)成比(bi)例(li)。

1.3 壓電(dian)式(shi)振動傳(chuan)感(gan)器的特性

1.3.1 頻(pin)率響(xiang)應(ying)

Mm是壓在(zai)敏(min)感(gan)元件(jian)上的質(zhi)量(liang)塊的質(zhi)量(liang)；Mb是加(jia)速度(du)計(ji)基(ji)體及(ji)殼(ke)體(ti)的質(zhi)量(liang)；K是Mm與(yu)Mb間(jian)的系(xi)統(tong)的等(deng)效(xiao)剛(gang)度。這壹系(xi)統(tong)的自(zi)然(ran)頻(pin)率為(wei)：

fo=fm

式中(zhong)fm為(wei)質(zhi)量Mm在(zai)彈簧(huang)K上的自(zi)然(ran)頻(pin)率。

根(gen)據(ju)振(zhen)動理論(lun)：fm= 。

假設(she)加速度(du)計(ji)剛(gang)性安(an)裝在(zai)比(bi)它(ta)重(zhong)的多(duo)的結(jie)構(gou)上，此(ci)時(shi)Mm/Mb→0，fo→fm。從(cong)而(er)得(de)到加(jia)速度(du)計(ji)的上限響(xiang)應(ying)頻(pin)率為(wei)fm。

壓電(dian)式(shi)振動傳(chuan)感(gan)器能(neng)夠精確(que)地(di)檢測寬(kuan)範圍(wei)的動態加速度(du)，因此(ci)可以用來(lai)測量(liang)瞬(shun)態沖擊(ji)過程外(wai)， 還(hai)可用來(lai)測量(liang)正(zheng)弦振動和隨機振(zhen)動。但是，壓電(dian)式(shi)振動傳(chuan)感(gan)器不(bu)適(shi)用於穩態(tai)測量(liang)的場合(he)，例(li)如地球引(yin)力(li)、慣性(xing)制導或(huo)諸(zhu)如(ru)發動機加(jia)速度(du)及(ji)制動等緩慢變(bian)化的瞬(shun)態(tai)過程。

1.3.2 靈敏(min)度

加速度(du)計(ji)的靈敏(min)度定(ding)義(yi)為(wei)電(dian)輸出與(yu)機械(xie)輸入(ru)之比(bi)。從(cong)傳(chuan)感(gan)器結(jie)構(gou)可知(zhi)，靈敏(min)度是有方向(xiang)性(xing)的。由(you)於傳(chuan)感(gan)器的制造誤(wu)差(cha)，其(qi)大(da)靈敏(min)度方向(xiang)與(yu)幾(ji)何軸(zhou)不(bu)壹(yi)致(zhi)，大(da)靈敏(min)度矢量(liang)可(ke)分(fen)解(jie)成軸(zhou)向(xiang)靈敏(min)度和橫向(xiang)靈敏(min)度兩部(bu)分。

真正(zheng)代(dai)表壓電(dian)式(shi)振動傳(chuan)感(gan)器靈敏(min)度的是(shi)電(dian)荷(he)靈敏(min)度，它不受傳(chuan)感(gan)器內部(bu)電(dian)容(rong)變(bian)化和(he)電(dian)纜(lan)長(chang)度(du)變(bian)化的影(ying)響(xiang)，只(zhi)取(qu)決於壓電(dian)材料(liao)的壓電(dian)常(chang)數(shu)，壹般(ban)電(dian)荷(he)靈敏(min)度每年(nian)下(xia)降(jiang)小(xiao)於1%。

壓電(dian)式(shi)振動傳(chuan)感(gan)器實(shi)質(zhi)上是固(gu)態(tai)器件(jian)，它們(men)非(fei)常(chang)堅固(gu)和(he)耐(nai)用，在(zai)誤(wu)用的情(qing)況(kuang)下壹(yi)般(ban)也(ye)不會(hui)引(yin)起(qi)損壞(huai)。在(zai)傳(chuan)感(gan)器內部(bu)，沒有(you)調整(zheng)部(bu)件(jian)，增加(jia)了(le)傳(chuan)感(gan)器的可(ke)靠(kao)性和(he)可重(zhong)復性，能(neng)夠用於極其(qi)惡(e)劣(lie)的環(huan)境下(xia)。

　　2 壓電(dian)式(shi)振動傳(chuan)感(gan)器的改(gai)裝要求(qiu)與測量(liang)精度(du)

2.1 振動加速度(du)測量(liang)傳(chuan)感(gan)器的改(gai)裝要求(qiu)

相(xiang)應(ying)標準(zhun)規(gui)定(ding)了(le)振動加速度(du)測量(liang)傳(chuan)感(gan)器的通(tong)用改(gai)裝要求(qiu)：

（1）傳(chuan)感(gan)器測量(liang)軸(zhou)與被測軸(zhou)線(xian)平(ping)行，橫向(xiang)靈敏(min)軸應(ying)避(bi)開側(ce)向(xiang)加(jia)速度(du)大(da)的方(fang)向(xiang)。

（2）傳(chuan)感(gan)器安(an)裝支(zhi)架質量(liang)小(xiao)，剛(gang)度好(hao)，接(jie)觸面(mian)接(jie)觸彈簧(huang)的自(zi)然(ran)頻(pin)率至(zhi)少(shao)大於傳(chuan)感(gan)器自(zi)然(ran)頻(pin)率的五(wu)倍(bei)。

（3）單極性(xing)傳(chuan)感(gan)器應(ying)與(yu)支架絕緣(yuan)安(an)裝。

2.2 影響(xiang)測量(liang)精度(du)的因素

（1）安(an)裝剛(gang)度不(bu)足(zu)會(hui)降(jiang)低(di)響(xiang)應(ying)頻(pin)率及(ji)使(shi)用範圍(wei)的上限，這壹影(ying)響(xiang)在(zai)高頻(pin)測量(liang)中(zhong)尤其(qi)顯(xian)著(zhu)。

標準(zhun)規(gui)定(ding)“接(jie)觸面(mian)接(jie)觸彈簧(huang)的自(zi)然(ran)頻(pin)率至(zhi)少(shao)大於傳(chuan)感(gan)器自(zi)然(ran)頻(pin)率的五(wu)倍(bei)"；這對傳(chuan)感(gan)器安(an)裝支(zhi)架的剛(gang)度及(ji)安(an)裝面(mian)的接(jie)觸剛(gang)度提(ti)出(chu)了(le)很高的要求(qiu)。若傳(chuan)感(gan)器直(zhi)接(jie)安(an)裝在(zai)被(bei)測結(jie)構(gou)上，其(qi)接(jie)觸彈簧(huang)的自(zi)然(ran)頻(pin)率可(ke)按(an)接(jie)觸彈簧(huang)靜態(tai)變(bian)形(xing)求(qiu)得：

fm=

因傳(chuan)感(gan)器的質(zhi)量(liang)力(li)壹般(ban)很小(xiao)，而(er)接(jie)觸彈簧(huang)剛(gang)度趨於無窮大；因此(ci)變(bian)形(xing)δ極小(xiao)，接(jie)觸頻(pin)率可(ke)以滿(man)足(zu)標準(zhun)要求(qiu)。

若傳(chuan)感(gan)器通(tong)過(guo)轉接(jie)支架安(an)裝在(zai)被(bei)測結(jie)構(gou)上，則必(bi)須(xu)同(tong)時(shi)考(kao)慮支架剛(gang)度及(ji)兩(liang)個(ge)接(jie)觸面(mian)的接(jie)觸剛(gang)度，並(bing)要在(zai)滿(man)足(zu)安(an)裝剛(gang)度要求(qiu)的前提下(xia)盡(jin)量減小(xiao)支架(jia)的質(zhi)量(liang)。若傳(chuan)感(gan)器與(yu)支(zhi)架絕緣(yuan)安(an)裝，采(cai)用絕緣(yuan)螺樁(zhuang)及(ji)雲母(mu)墊(dian)片(pian)可以獲(huo)得(de)大安(an)裝剛(gang)度。

（2）安(an)裝支(zhi)架質量(liang)太(tai)大(da)，其(qi)質(zhi)量(liang)載(zai)荷改(gai)變(bian)了(le)結構(gou)的原有(you)振(zhen)動，導致(zhi)測量(liang)結(jie)果失(shi)真；如(ru)果是(shi)在(zai)較(jiao)輕或(huo)較(jiao)薄(bo)的結(jie)構(gou)上測振(zhen)，這壹影(ying)響(xiang)不(bu)可(ke)忽(hu)視(shi)。

（3）安(an)裝方(fang)向(xiang)偏(pian)離(li)傳(chuan)感(gan)器的校(xiao)準(zhun)狀(zhuang)態(tai)，傳(chuan)感(gan)器軸(zhou)向(xiang)靈敏(min)度軸方向(xiang)與(yu)要求(qiu)的測量(liang)方(fang)向(xiang)應(ying)盡(jin)可能壹(yi)致(zhi)，壹(yi)旦(dan)偏(pian)離將(jiang)導(dao)致(zhi)軸(zhou)向(xiang)響(xiang)應(ying)降(jiang)低(di)，而(er)橫(heng)向(xiang)響(xiang)應(ying)增(zeng)大加速度(du)計(ji)應(ying)當安(an)裝在(zai)平(ping)坦(tan)、幹凈(jing)的表面(mian)上，橫向(xiang)靈敏(min)軸（在(zai)殼(ke)體(ti)上以紅(hong)點標出）應(ying)避(bi)開側(ce)向(xiang)加(jia)速度(du)大(da)的方(fang)向(xiang)。

（4）螺栓擰緊不(bu)當，螺栓擰入(ru)基(ji)體太(tai)深(shen)，引(yin)起(qi)基(ji)體拱彎變(bian)形(xing)，從(cong)而(er)產(chan)生額(e)外(wai)的電(dian)輸出。擰緊力(li)矩要適(shi)當，過大(da)會(hui)損壞(huai)螺紋(wen)，太小(xiao)將(jiang)影(ying)響(xiang)安(an)裝剛(gang)度。

2.3 壓電(dian)式(shi)振動傳(chuan)感(gan)器的典(dian)型安(an)裝方(fang)式和關(guan)鍵(jian)點

壓電(dian)式(shi)振動傳(chuan)感(gan)器有(you)金屬(shu)螺栓安(an)裝、對(dui)地絕緣(yuan)轉換(huan)螺(luo)栓連(lian)接(jie)、膠粘劑粘接(jie)和磁(ci)鐵轉換(huan)吸(xi)盤(pan)連(lian)接(jie)四種(zhong)安(an)裝方(fang)式，其(qi)中(zhong)金屬(shu)螺栓安(an)裝和(he)膠粘劑粘接(jie)為(wei)常(chang)見。利(li)用鋼(gang)制螺樁(zhuang)把(ba)傳(chuan)感(gan)器固(gu)定(ding)在(zai)拋光(guang)的金屬(shu)面(mian)上，這種(zhong)方式(shi)可以得(de)到(dao)高的響(xiang)應(ying)頻(pin)率，其(qi)它(ta)的安(an)裝方(fang)式會(hui)降(jiang)低(di)響(xiang)應(ying)頻(pin)率。

要做(zuo)到數(shu)據結論(lun)準(zhun)確(que)，首(shou)先(xian)要正(zheng)確(que)使(shi)用和(he)安(an)裝傳(chuan)感(gan)器。在(zai)設(she)計振(zhen)動傳(chuan)感(gan)器支(zhi)架(jia)、緊固(gu)件(jian)及實(shi)施安(an)裝時(shi)應(ying)遵循以下(xia)幾(ji)點：

（1）了(le)解所測參(can)數(shu)的基(ji)本情況，如振(zhen)動加速度(du)的振(zhen)幅、頻(pin)率範圍(wei)；

（2）了(le)解傳(chuan)感(gan)器的結(jie)構(gou)形(xing)式(shi)和(he)特性，包括(kuo)傳(chuan)感(gan)器質(zhi)量(liang)，自然(ran)頻(pin)率，安(an)裝尺(chi)寸(cun)等；

（3）根(gen)據(ju)被(bei)測結(jie)構(gou)的具(ju)體(ti)情況(kuang)確(que)定(ding)傳(chuan)器(qi)的安(an)裝方(fang)式，對低(di)頻(pin)測量(liang)應(ying)重(zhong)點考(kao)慮附加(jia)質(zhi)量(liang)對(dui)測量(liang)結(jie)果的影(ying)響(xiang)；對(dui)高頻(pin)測量(liang)則(ze)應(ying)保證安(an)裝剛(gang)度符(fu)合(he)標準(zhun)要求(qiu)；

（4）傳(chuan)感(gan)器及(ji)轉(zhuan)接(jie)支架的安(an)裝接(jie)觸面(mian)應(ying)平(ping)整(zheng)、光(guang)滑(hua)，以保證傳(chuan)感(gan)器安(an)裝精度(du)和(he)剛(gang)度；

（5）仔(zai)細(xi)調整(zheng)傳(chuan)感(gan)器的安(an)裝方(fang)向(xiang)。使(shi)軸(zhou)向(xiang)靈敏(min)軸與所要測量(liang)方(fang)向(xiang)壹(yi)致(zhi)，橫(heng)向(xiang)靈敏(min)軸應(ying)避(bi)開側(ce)向(xiang)加(jia)速度(du)大(da)的方(fang)向(xiang)；

（6）控制螺栓擰入(ru)深(shen)度(du)及擰緊力(li)矩，適(shi)當的擰緊力(li)矩為(wei)1.8N・m。

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