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振動(dòng)信號(hào)采集傳感器：工作原理以及測(cè)量范圍

來(lái)源：未知發(fā)布時(shí)間：2018-10-23熱度： ℃

用于振動(dòng)的傳感器是根據(jù)不同的機(jī)械或光學(xué)原理操作的傳感器，以檢測(cè)觀察到的系統(tǒng)的振動(dòng)。

可以使用各種類型的傳感器來(lái)完成振動(dòng)的測(cè)量。雖然沒(méi)有直接的振動(dòng)傳感器，但可以間接測(cè)量振動(dòng)，從經(jīng)典的機(jī)械或光學(xué)量中推導(dǎo)出值。這些傳感器的某些功能不同。除其他外，它們可以根據(jù)主動(dòng)和被動(dòng)行為進(jìn)行劃分，有傳感器可以測(cè)量相對(duì)和其他絕對(duì)值。其他顯著特征是頻率范圍，信號(hào)動(dòng)態(tài)和測(cè)量數(shù)據(jù)的質(zhì)量。這里示出的以下傳感器***先構(gòu)造在接觸和非接觸組中，并且在子項(xiàng)目路徑，速度和加速度測(cè)量中。

接觸振動(dòng)測(cè)量

路徑測(cè)量

電位發(fā)射器

圖1：電位發(fā)射器（原理圖）

電位發(fā)射器是一維位置傳感器。它基于電位計(jì)，一個(gè)可調(diào)節(jié)的分壓器。將電壓施加到電阻軌道。擦拭器沿著這個(gè)電阻軌道運(yùn)行，因此將電阻器分成兩部分，如圖1所示（電阻器R1和R2）。在擦拭器的不同位置處，由于電阻的變化，可以測(cè)量特定的所得電壓。擦拭器移動(dòng)，因?yàn)樗街谡駝?dòng)物體的運(yùn)動(dòng)上。頻率范圍為5 Hz至2 kHz，相當(dāng)于可能的***大加速度為20 g。電位計(jì)變送器可以實(shí)現(xiàn)1 mm至2 m的測(cè)量行程，并具有無(wú)限分辨率。工作溫度范圍介于低于零和150°C的兩位數(shù)溫度之間。

線性可變差動(dòng)變壓器

圖2：LVDT - 初級(jí)線圈A和次級(jí)線圈B的剖視圖

該線性差動(dòng)變壓器（LVDT）是一種基于感應(yīng)的變壓器。它可用于位移的相對(duì)測(cè)量。如圖2所示，該傳感器沿一個(gè)軸工作，可以確定運(yùn)動(dòng)方向。LVDT基本上由三個(gè)線圈和一個(gè)核心組成。初級(jí)線圈連接到AC電源以進(jìn)行激勵(lì)。另外兩個(gè)線圈放置在初級(jí)線圈的每一側(cè)并且布置成串聯(lián)相對(duì)的。在該線圈組件的中心是一個(gè)磁芯，它影響從初級(jí)線圈到次級(jí)線圈的磁通量。取決于附接到振動(dòng)物體的芯的運(yùn)動(dòng)，可以從輸出信號(hào)推導(dǎo)出方向和距離。載波頻率范圍從50Hz到25kHz，通常定義為核心運(yùn)動(dòng)頻率的10倍。

是可能的。溫度范圍在-270°C至600°C之間。

速度測(cè)量

電動(dòng)力學(xué)原理

在電動(dòng)力學(xué)原理是在相對(duì)速度傳感器中使用。它基于歸納現(xiàn)象。為了應(yīng)用該原理，使用線圈和輕質(zhì)永磁體。磁鐵固定在振動(dòng)物體上。磁鐵要么無(wú)接觸地移動(dòng)，要么在線圈內(nèi)被引導(dǎo)。由于磁鐵的運(yùn)動(dòng)，在線圈中感應(yīng)出電壓。可以測(cè)量該電壓，并且該電壓與振動(dòng)速度成正比。電線的隔離是***大電壓的***限制。例如，傳感器的工作頻率范圍介于1 Hz和2 kHz之間。

地震儀

圖3：現(xiàn)代寬帶地震計(jì)

可以使用地震計(jì)測(cè)量絕對(duì)速度。的地震儀由一個(gè)地震質(zhì)量和在殼體內(nèi)的彈簧的。由于質(zhì)量的慣性，在振動(dòng)的情況下，在震動(dòng)質(zhì)量和殼體之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)。可以使用固定在殼體上的線圈引起感應(yīng)。由于質(zhì)量的移動(dòng)，在線圈中感應(yīng)出電壓。可以測(cè)量該電壓速度，因?yàn)樗浅杀壤摹?/font>通常在這種地震計(jì)中安裝衰減均衡以避免共振峰值。在今天的地震儀中，質(zhì)量相對(duì)于殼體是靜止不動(dòng)的。因此，沒(méi)有由振動(dòng)質(zhì)量的運(yùn)動(dòng)引起的電壓幅度。然而，通過(guò)電壓測(cè)量保持質(zhì)量平衡所需的力。現(xiàn)代地震儀能夠記錄小于的頻率

10^{- 3}

Hz高達(dá)100 Hz。可以檢測(cè)約1nm和幾厘米范圍內(nèi)的運(yùn)動(dòng)。地震質(zhì)量原理也可用于路徑和加速度測(cè)量。

加速度測(cè)量

壓電傳感器

圖4：壓電傳感器

該壓電傳感器的工作原理的地震原則的基礎(chǔ)和壓電效應(yīng)上。這里的石英晶體和壓電陶瓷取代了地震計(jì)中使用的彈簧。壓電材料一側(cè)固定在振動(dòng)物體上，另一側(cè)固定在振動(dòng)體上。振動(dòng)力導(dǎo)致壓電材料的應(yīng)變和壓縮。壓電效應(yīng)描述了由于極化材料的長(zhǎng)度變化而產(chǎn)生的電荷。該電荷與作用力成比例，可以分接。由于力是質(zhì)量和加速度的乘積，因此可以很容易地計(jì)算出來(lái)。壓電材料非常堅(jiān)硬，因此可能需要阻尼。這可以通過(guò)添加塞子或?qū)⒉考胗椭衼?lái)實(shí)現(xiàn)。壓電傳感器的重量從小于1克到幾克不等。壓電傳感器的線性頻率范圍從低于0.1 Hz到高于

10^{4}

赫茲。因此，壓電傳感器允許測(cè)量低于1g且高達(dá)數(shù)千g的加速度。

壓阻式傳感器

圖5：壓電電阻傳感器

所述壓阻傳感器使用四個(gè)半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)。這些應(yīng)變計(jì)使用橋接電路與振動(dòng)質(zhì)量一起安裝在振動(dòng)物體上。振動(dòng)導(dǎo)致應(yīng)變儀變形。在一個(gè)方向上的運(yùn)動(dòng)期間，兩個(gè)應(yīng)變儀被拉伸而另外兩個(gè)被壓縮，這導(dǎo)致電壓變化。與壓電效應(yīng)相比的優(yōu)點(diǎn)是還可以測(cè)量恒定的加速度。可以測(cè)量高達(dá)1000 g的加速度。壓電傳感器更適合于高頻率，而半導(dǎo)體傳感器在低頻率是優(yōu)選的。

電阻傳感器

電阻傳感器的功能原理與壓阻式傳感器的功能原理相同。***的區(qū)別是應(yīng)變計(jì)不是由具有壓電效應(yīng)的材料制成。這導(dǎo)致類似的屬性。但可測(cè)量的信號(hào)較低。

電感式傳感器

用于加速度測(cè)量的感應(yīng)傳感器基于以下事實(shí)：可以將地震質(zhì)量的反作用力轉(zhuǎn)換成路徑。現(xiàn)在可以通過(guò)測(cè)量感應(yīng)電壓來(lái)計(jì)算覆蓋距離，從而可以確定振動(dòng)的大小和方向。然而，這種依賴于路徑的測(cè)量要求傳感器比可比較的加速度傳感器大得多。