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第四章 传感器使用基础 振动传感器 现场振动测试采用的传感器一般有非接触式电涡流传感器、速度传感器、加速度传感器和复合传感器（它是由一个非接触式传感器和一个惯性传感器组成）四种。每一种传感器都有它们固有频响特性，其决定了各自的工作范围。如果采用的传感器在超出其线性频响区域工作时，测量得到的读数会产生较大的偏差。下表列出了振动测量中常用的一些传感器的性能和适用范围及优、缺点等。 表1—1 常用的振动传感器及其性能和适应范围 传感器 种类 频响特性 测量适用范围 优 点 缺 点 电涡流 传感器 0~ 5000HZ 或0~ 10000HZ 转轴相对振动 轴心轨迹 轴承油膜厚度 轴位移和胀差 转速和相位 非接触测量 测量范围宽 灵敏度高 抗干扰能力强 不受介质影响 结构简单 对被测材料敏感存在机械偏差和电气偏差的可能及影响 安装较复杂 速度 传感器 10~ 500HZ或 10~ 1000HZ 轴承座的绝对振动 不需电源,简单方便, 灵敏度高 输出信号大、输出阻抗低、电气性能稳定性好，不受外部噪声干扰 动态范围有限 尺寸和重量大 弹簧件易失效 受高温影响大 加速度传感器 0.2~ 10000HZ 或更高 轴承座的绝对振动 频响范围宽 体积小、重量轻 灵敏度高 不易在高温环境下使用 装配困难、成品率低 复合传感器 0~ 2000HZ 转轴绝对振动 转轴相对振动 轴承座的绝对振动 转轴在轴承间隙内的径向位移 非接触测量 无磨损 牢固可靠 对被测材料敏感安装较复杂 1.1、振动传感器的构成及工作原理 振动传感器是将机械振动量转换为成比例的模拟电气量的机电转换装置。 传感器至少有机械量的接收和机电量的转换二个单元构成。机械接收单元感受机械振动，但只接收位移、速度、加速度中的一个量；机电转换单元将接收到的机械量转换成模拟电气量，如电荷、电动势、电阻、电感、电容等；另外，还配有检测放大电路或放大器，将模拟电气量转换、放大为后续分析仪器所需要的电压信号，振动监测中的所有振动信息均来自于此电压信号。2、振动传感器的类型 振动传感器的种类很多，且有不同的分类方法。按工作原理的不同，可分为电涡流式、磁电式（电动式）、压电式；按参考坐标的不同，可分为相对式与绝对式（惯性式）；按是否与被测物体接触，可分为接触式与非接触式；按测量的振动参数的不同，可分为位移、速度、加速度传感器；以及由电涡流式传感器和惯性式传感器组合而成的复合式传感器，等等。 在现场实际振动检测中，常用的传感器有磁电式速度传感器（其中又以绝对式应用较多）、压电式加速度传感器和电涡流式位移传感器。其中，加速度传感器应用最广，而大型旋转机械转子振动的测量几乎都是涡流式传感器。 3. 磁电式速度传感器 磁电式速度传感器的构造如下图所示。 磁电式速度传感器的工作原理是，传感器固定在被测物体上，物体振动时，固定在壳体7上的磁钢5，随壳体与物体一起振动，而由弹簧片2和线圈3组成的弹簧—质量元件，与磁钢的振动并不同步，而是发生相对运动，线圈切割磁钢的磁力线而产生电动势，在磁通量及线圈参数均为常数的情况下，电动势的大小与线圈切割磁力线的相对速度成正比。此相对速度，对相对式，显然是被测物体的相对振动速度；对绝对式来说，当传感器中的弹簧—质量元件的固有频率远小于被测物体的振动频率时，线圈的振动速度会远小于磁钢的振动速度，线圈与磁钢之间的相对速度，接近于被测振动体相对于大地或惯性空间的绝对速度。总之，可以认为，磁电式速度传感器的输出电压与被测物体的振动速度成正比。 速度传感器通过积分电路可测得位移，通过微分电路可测得加速度。 磁电式速度传感器的优点是，灵敏度高，输出信号大，输出阻抗低，电气性能稳定性好，不易受外部噪声干扰，不需外加电源，安装简单，使用方便，对后续电路也无特殊要求；缺点是动态频响范围有限，尺寸和重量较大，弹簧片容易发生疲劳损坏。速度传感器的构造特点决定了弹簧片为关键的矛盾点，弹簧片厚，弹簧—质量元件的固有频率就增高，所能测得的低频范围变窄；弹簧片薄，易损坏，使用寿命短。 4. 压电式加速度传感器 某些晶体，在受到沿一定方向的外力作用时，其内部的晶格会发生变化，产生极化现象，同时在晶体的两个表面上产生了极性相反的电荷；当外力消除后，又恢复到原来的不带电状态；当作用力方向改变时，所产生的电荷的极性也随之改变；晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比，此现象称为压电效应。 压电式加速度传感器，就是根据压电晶体受力后会在其两个表面产生不同电荷的压电效应来实现机电转换的。 压电式加速度传感器的构造如下图所示。 其工作原理是，压电式加速度传感器的基座4固定或紧密接触于被测物体，与物体一起振动，由压紧弹簧1与惯性质量块2组成的弹簧—质