項(xiàng)目5振動(dòng)測(cè)量

一．教學(xué)目的1.學(xué)習(xí)電渦流式傳感器、磁電式傳感器和壓電式傳感器工作原理。2.學(xué)會(huì)使用振動(dòng)項(xiàng)目的測(cè)量。11/22/20221項(xiàng)目5振動(dòng)測(cè)量一．教學(xué)目的11/21/20221二．任務(wù)分析在實(shí)際使用中經(jīng)常需要監(jiān)測(cè)振動(dòng)，使用傳感器可以無(wú)接觸地測(cè)量各種振動(dòng)的幅值、頻率等。物體圍繞平衡位置作往復(fù)運(yùn)動(dòng)稱為振動(dòng)。振動(dòng)可分為機(jī)械振動(dòng)、土木結(jié)構(gòu)振動(dòng)、運(yùn)輸工具振動(dòng)、武器、爆炸引起的沖擊振動(dòng)等。從振動(dòng)的頻率范圍來(lái)分，有高頻振動(dòng)、低頻振動(dòng)和超低頻振動(dòng)等。從振動(dòng)信號(hào)的統(tǒng)計(jì)特征來(lái)看，可將振動(dòng)分為周期振動(dòng)、非周期振動(dòng)以及隨機(jī)振動(dòng)等。本項(xiàng)目采用多種傳感器進(jìn)行振動(dòng)檢測(cè)，通過(guò)振動(dòng)的測(cè)量來(lái)比較各種測(cè)量方法的優(yōu)缺點(diǎn)。11/22/20222二．任務(wù)分析11/21/20222三.基礎(chǔ)知識(shí)

1.自感式傳感器

先看一個(gè)實(shí)驗(yàn)：將一只380V交流接觸器線圈與交流毫安表串聯(lián)后，接到機(jī)床用控制變壓器的36V交流電壓源上，如圖4-1所示。這時(shí)毫安表的示值約為幾十毫安。用手慢慢將接觸器的活動(dòng)鐵心（稱為銜鐵）往下按，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)毫安表的讀數(shù)逐漸減小。當(dāng)銜鐵與固定鐵心之間的氣隙等于零時(shí)，毫安表的讀數(shù)只剩下十幾毫安。

11/22/20223三.基礎(chǔ)知識(shí)

1.自感式傳感器先看一個(gè)實(shí)驗(yàn)：將一電感傳感器的基本工作原理演示F220V準(zhǔn)備工作11/22/20224電感傳感器的基本工作原理演示F220V準(zhǔn)備工作11/21/2電感傳感器的基本工作原理演示氣隙變小，電感變大，電流變小F11/22/20225電感傳感器的基本工作原理演示氣隙變小，電感變大，電流變小F1電感傳感器的基本工作原理當(dāng)鐵心的氣隙較大時(shí)，磁路的磁阻Rm也較大，線圈的電感量L和感抗XL較小，所以電流I較大。當(dāng)鐵心閉合時(shí)，磁阻變小、電感變大，電流減小。

11/22/20226電感傳感器的基本工作原理當(dāng)鐵心的氣隙較自感式電感傳感器常見(jiàn)的形式

變隙式變截面式螺線管式

11/22/20227自感式電感傳感器常見(jiàn)的形式變隙式變截面式電感量計(jì)算公式

：

請(qǐng)分析電感量L與氣隙厚度及氣隙的有效截面積A之間的關(guān)系，并討論有關(guān)線性度的問(wèn)題。N：線圈匝數(shù)；A：氣隙的有效截面積；

0：真空磁導(dǎo)率；：氣隙厚度。

11/22/20228電感量計(jì)算公式：請(qǐng)分析電感量L與氣隙厚差動(dòng)電感傳感器的特點(diǎn)

請(qǐng)分析：靈敏度、線性度有何變化曲線1、2為L(zhǎng)1、L2的特性，3為差動(dòng)特性在變隙式差動(dòng)電感傳感器中，當(dāng)銜鐵隨被測(cè)量移動(dòng)而偏離中間位置時(shí)，兩個(gè)線圈的電感量一個(gè)增加，一個(gè)減小，形成差動(dòng)形式。1-差動(dòng)線圈2-鐵心3-銜鐵4-測(cè)桿5-工件

11/22/20229差動(dòng)電感傳感器的特點(diǎn)請(qǐng)分析：靈敏度、差動(dòng)式電感傳感器的特性

從曲線圖可以看出，差動(dòng)式電感傳感器的線性較好，且輸出曲線較陡，靈敏度約為非差動(dòng)式電感傳感器的兩倍。

從結(jié)構(gòu)圖可以看出，差動(dòng)式電感傳感器對(duì)外界影響，如溫度的變化、電源頻率的變化等基本上可以互相抵消，銜鐵承受的電磁吸力也較小，從而減小了測(cè)量誤差。

11/22/202210差動(dòng)式電感傳感器的特性從曲線圖可以看測(cè)量轉(zhuǎn)換電路測(cè)量轉(zhuǎn)換電路的作用是將電感量的變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流的變化，以便用儀表指示出來(lái)。但若僅采用電橋電路和普通的檢波電路，則只能判別位移的大小，卻無(wú)法判別輸出的相位和位移的方向。如果在輸出電壓送到指示儀前，經(jīng)過(guò)一個(gè)能判別相位的檢波電路，則不但可以反映位移的大小（的幅值），還可以反映位移的方向（的相位）。這種檢波電路稱為相敏檢波電路。11/22/202211測(cè)量轉(zhuǎn)換電路測(cè)量轉(zhuǎn)換電路的作用是將電感量的變化轉(zhuǎn)相敏檢波輸出特性曲線a）非相敏檢波b）相敏檢波1—理想特性曲線2—實(shí)際特性曲線

11/22/202212相敏檢波輸出特性曲線a）非相敏檢波b）相敏檢波11/實(shí)測(cè)得到的相敏檢波電路的特性曲線

通過(guò)調(diào)零電路，可使輸出曲線平移到原點(diǎn)。標(biāo)定位移時(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及曲線11/22/202213實(shí)測(cè)得到的相敏檢波電路的特性曲線通過(guò)調(diào)零2.差動(dòng)變壓器式傳感器

電源中用到的“單相變壓器”有一個(gè)一次線圈（又稱為初級(jí)線圈），有若干個(gè)二次線圈（又稱次級(jí)線圈）。當(dāng)一次線圈加上交流激磁電壓Ui后，將在二次線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電壓UO。在全波整流電路中，兩個(gè)二次線圈串聯(lián)，總電壓等于兩個(gè)二次線圈的電壓之和。

請(qǐng)將單相變壓器二次線圈N21、N22的有關(guān)端點(diǎn)按全波整流電路的要求正確地連接起來(lái)。＋11/22/2022142.差動(dòng)變壓器式傳感器電源中用到的“單相變差動(dòng)變壓器式傳感器的工作原理

差動(dòng)變壓器式傳感器是把被測(cè)位移量轉(zhuǎn)換為一次線圈與二次線圈間的互感量M的變化的裝置。當(dāng)一次線圈接入激勵(lì)電源之后，二次線圈就將產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，當(dāng)兩者間的互感量變化時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)也相應(yīng)變化。由于兩個(gè)二次線圈采用差動(dòng)接法，故稱為差動(dòng)變壓器。目前應(yīng)用最廣泛的結(jié)構(gòu)型式是螺線管式差動(dòng)變壓器。

差動(dòng)變壓器的結(jié)構(gòu)原理如圖3-8所示。在線框上繞有一組輸入線圈（稱一次線圈）；在同一線框的上端和下端再繞制兩組完全對(duì)稱的線圈（稱二次線圈），它們反向串聯(lián)，組成差動(dòng)輸出形式。理想差動(dòng)變壓器的原理如圖3-9。圖中標(biāo)有黑點(diǎn)的一端稱為同名端，通俗說(shuō)法是指線圈的“頭”。

11/22/202215差動(dòng)變壓器式傳感器的工作原理差動(dòng)變壓差動(dòng)變壓器式傳感器的等效電路

結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：兩個(gè)二次線圈反向串聯(lián)，組成差動(dòng)輸出形式。

請(qǐng)將二次線圈N21、N22的有關(guān)端點(diǎn)正確地連接起來(lái)，并指出哪兩個(gè)為輸出端點(diǎn)。11/22/202216差動(dòng)變壓器式傳感器的等效電路結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：靈敏度與線性度差動(dòng)變壓器的靈敏度一般可達(dá)0.5~5V/mm，行程越小，靈敏度越高。為了提高靈敏度，勵(lì)磁電壓在10V左右為宜。電源頻率以1~10kHz為好。差動(dòng)變壓器線性范圍約為線圈骨架長(zhǎng)度的1/10左右。例：欲測(cè)量20mm2mm軸的直徑誤差，應(yīng)選擇線圈骨架長(zhǎng)度為多少的差動(dòng)變壓器（或電感傳感器）為宜？11/22/202217靈敏度與線性度差動(dòng)變壓器的靈敏度一般測(cè)量電路

（以差動(dòng)整流為例）若Ｃ1、Ｃ2虛焊，Uao、Ubo將變成什么波形？11/22/202218測(cè)量電路（以差動(dòng)整流為例）若Ｃ1、Ｃ2差動(dòng)整流的特點(diǎn)電路是以兩個(gè)橋路整流后的直流電壓之差作為輸出的，所以稱為差動(dòng)整流電路。它不但可以反映位移的大小（電壓的幅值），還可以反映位移的方向。

上圖中的RP是用來(lái)微調(diào)電路平衡的，VD1~VD4、VD5~VD8組成普通橋式整流電路，Ｃ3、Ｃ4、Ｒ3、Ｒ4組成低通濾波電路，Ａ1及Ｒ21、Ｒ22、Ｒf、Ｒ23組成差動(dòng)減法放大器，用于克服a、b兩點(diǎn)的對(duì)地共模電壓。11/22/202219差動(dòng)整流的特點(diǎn)電路是以兩個(gè)橋路整流后3.電感式傳感器的應(yīng)用

1）位移測(cè)量

軸向式電感測(cè)微器的外形

航空插頭紅寶石測(cè)頭11/22/2022203.電感式傳感器的應(yīng)用1）位移測(cè)量軸向式電感其他電感測(cè)微頭11/22/202221其他電感測(cè)微頭11/21/202221模擬式及數(shù)字式電感測(cè)微儀11/22/202222模擬式及數(shù)字式電感測(cè)微儀11/21/202222軸向式電感測(cè)微器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

1—引線電纜2—固定磁筒3—銜鐵4—線圈5—測(cè)力彈簧6—防轉(zhuǎn)銷7—鋼球?qū)к墸ㄖ本€軸承）8—測(cè)桿9—密封套10—測(cè)端11—被測(cè)工件12—基準(zhǔn)面11/22/202223軸向式電感測(cè)微器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)1—引線電纜2—固定磁筒2）電感式滾柱直徑分選裝置圖3-14滾柱直徑分選裝置1—?dú)飧?—活塞3—推桿4—被測(cè)滾柱5—落料管6—電感測(cè)微器7—鎢鋼測(cè)頭8—限位擋板9—電磁翻板10—容器（料斗）

11/22/2022242）電感式滾柱直徑分選裝置測(cè)微儀圓柱滾子11/22/202225測(cè)微儀圓柱滾子11/21/202225電感式滾柱直徑分選裝置（外形）

滑道分選倉(cāng)位軸承滾子外形（參考中原量?jī)x股份有限公司資料）11/22/202226電感式滾柱直徑分選裝置（外形）滑道分選倉(cāng)位軸承滾子外形（參電感式滾柱直徑分選裝置外形落料振動(dòng)臺(tái)滑道11個(gè)分選倉(cāng)位（參考無(wú)錫市通達(dá)滾子有限公司資料）廢料倉(cāng)11/22/202227電感式滾柱直徑分選裝置外形落料振動(dòng)臺(tái)滑道11個(gè)分選倉(cāng)位（參考電感式滾柱直徑分選裝置（機(jī)械結(jié)構(gòu)放大）汽缸控制鍵盤(pán)直徑測(cè)微裝置長(zhǎng)度測(cè)微裝置滑道11/22/202228電感式滾柱直徑分選裝置（機(jī)械結(jié)構(gòu)放大）汽缸控制鍵盤(pán)直徑測(cè)微裝機(jī)械及氣動(dòng)元件電感測(cè)微器汽缸

氣水分離器（供氣三聯(lián)件）儲(chǔ)氣罐導(dǎo)氣管

氣壓表（0.4MPa左右）11/22/202229機(jī)械及氣動(dòng)元件電感測(cè)微器汽缸氣水分離器儲(chǔ)氣罐導(dǎo)氣管3）電感傳感器在仿形機(jī)床中的應(yīng)用

1—標(biāo)準(zhǔn)靠模樣板2—測(cè)端（靠模輪）3—電感測(cè)微器4—銑刀龍門(mén)框架5—立柱6—伺服電動(dòng)機(jī)7—銑刀8—毛坯11/22/2022303）電感傳感器在仿形機(jī)床中的應(yīng)用1—標(biāo)準(zhǔn)靠模樣板2仿形銑床外形仿形機(jī)床采用閉環(huán)工作方式仿形頭主軸11/22/202231仿形銑床外形仿形機(jī)床采用閉環(huán)工作方式仿形頭主軸11仿形車床原理11/22/202232仿形車床原理11/21/2022324.壓電傳感器的工作原理壓電式傳感器是一種自發(fā)電式傳感器。它以某些電介質(zhì)的壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)，在外力作用下，在電介質(zhì)表面產(chǎn)生電荷，從而實(shí)現(xiàn)非電量電測(cè)的目的。壓電傳感元件是力敏感元件，它可以測(cè)量最終能變換為力的那些非電物理量，例如動(dòng)態(tài)力、動(dòng)態(tài)壓力、振動(dòng)加速度等，但不能用于靜態(tài)參數(shù)的測(cè)量。

壓電式傳感器具有體積小、質(zhì)量輕、頻響高、信噪比大等特點(diǎn)。由于它沒(méi)有運(yùn)動(dòng)部件，因此結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、可靠性、穩(wěn)定性高。

11/22/2022334.壓電傳感器的工作原理壓電式1）壓電效應(yīng)天然結(jié)構(gòu)的石英晶體呈六角形晶柱，用金剛石刀具切割出一片正方形薄片。當(dāng)晶體薄片受到壓力時(shí)，晶格產(chǎn)生變形，表面產(chǎn)生正電荷，電荷Q與所施加的力F成正比，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。還有一些人造的材料也具有壓電效應(yīng)。若在電介質(zhì)的極化方向上施加交變電壓，它就會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形。當(dāng)去掉外加電場(chǎng)時(shí)，電介質(zhì)的變形隨之消失，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)（電致伸縮效應(yīng)）。

11/22/2022341）壓電效應(yīng)天然結(jié)構(gòu)的石英晶體呈六角石英晶體的壓電效應(yīng)演示當(dāng)力的方向改變時(shí)，電荷的極性隨之改變，輸出電壓的頻率與動(dòng)態(tài)力的頻率相同；當(dāng)動(dòng)態(tài)力變?yōu)殪o態(tài)力時(shí)，電荷將由于表面漏電而很快泄漏、消失。11/22/202235石英晶體的壓電效應(yīng)演示當(dāng)力的方向改2）壓電材料的分類及特性壓電傳感器中的壓電元件材料一般有三類：一類是壓電晶體（如上述的石英晶體）；另一類是經(jīng)過(guò)極化處理的壓電陶瓷；第三類是高分子壓電材料。11/22/2022362）壓電材料的分類及特性壓電傳感器石英晶體天然形成的石英晶體外形11/22/202237石英晶體天然形成的石英晶體外形11/21/202237天然形成的石英晶體外形（續(xù)）

11/22/202238天然形成的石英晶體外形（續(xù)）11/21/202238石英晶體切片及封裝石英晶體薄片雙面鍍銀并封裝11/22/202239石英晶體切片及封裝石英晶體薄片雙面鍍銀并封裝11/21/20石英晶體振蕩器（晶振）石英晶體在振蕩電路中工作時(shí)，壓電效應(yīng)與逆壓電效應(yīng)交替作用，從而產(chǎn)生穩(wěn)定的振蕩輸出頻率。晶振11/22/202240石英晶體振蕩器（晶振）石英晶體在振蕩電路中工作時(shí)，壓電陶瓷壓電陶瓷是人工制造的多晶壓電材料，它比石英晶體的壓電靈敏度高得多，而制造成本卻較低，因此目前國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)的壓電元件絕大多數(shù)都采用壓電陶瓷。常用的壓電陶瓷材料有鋯鈦酸鉛系列壓電陶瓷（PZT）及非鉛系壓電陶瓷（如BaTiO3等）。11/22/202241壓電陶瓷壓電陶瓷是人工制造的多晶壓電壓電陶瓷外形

11/22/202242壓電陶瓷外形11/21/202242無(wú)鉛壓電陶瓷及其換能器外形

（上海硅酸鹽研究所研制）

11/22/202243無(wú)鉛壓電陶瓷及其換能器外形

（上海硅酸鹽研究所研制）高分子壓電薄膜及拉制11/22/202244高分子壓電薄膜及拉制11/21/202244高分子壓電材料典型的高分子壓電材料有聚偏二氟乙烯（PVF2或PVDF）、聚氟乙烯（PVF）、改性聚氯乙烯（PVC）等。它是一種柔軟的壓電材料，可根據(jù)需要制成薄膜或電纜套管等形狀。它不易破碎，具有防水性，可以大量連續(xù)拉制，制成較大面積或較長(zhǎng)的尺度，價(jià)格便宜，頻率響應(yīng)范圍較寬，測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍可達(dá)80dB。11/22/202245高分子壓電材料典型的高分子壓電材高分子壓電材料制作的壓電薄膜和電纜

11/22/202246高分子壓電材料制作的壓電薄膜和電纜1可用于波形分析及報(bào)警的高分子壓電踏腳板

11/22/202247可用于波形分析及報(bào)警的高分子壓電踏腳板壓電式腳踏報(bào)警器

11/22/202248壓電式腳踏報(bào)警器11/21/2022高分子壓電薄膜制作的壓電喇叭

（逆壓電效應(yīng)）11/22/202249高分子壓電薄膜制作的壓電喇叭

（逆壓電效應(yīng)）11/21/205.壓電傳感器的測(cè)量轉(zhuǎn)換電路

電荷放大器的輸出電壓僅與輸入電荷和反饋電容有關(guān)，電纜長(zhǎng)度等因素的影響很小：電荷放大器能將壓電傳感器輸出的電荷轉(zhuǎn)換為電壓（Q/U轉(zhuǎn)換器），但并無(wú)放大電荷的作用，只是一種習(xí)慣叫法。11/22/2022505.壓電傳感器的測(cè)量轉(zhuǎn)換電路電荷四通道電荷放大器外形.11/22/202251四通道電荷放大器外形.11/21/202上圖所示的四通道電荷放大器指標(biāo)（參考東方振動(dòng)和噪聲技術(shù)研究所資料）靈敏度：0.1～1000mV/pC

頻率范圍：0.3～100KHz

噪聲(最大增益)：折合至輸入端小于5μV

準(zhǔn)確度：1%

最大輸出：±10V/10mA

電

源：220V/50Hz

控制方式：

計(jì)算機(jī)或手動(dòng)焊接式電荷放大器11/22/202252上圖所示的四通道電荷放大器指標(biāo)（參考東方振動(dòng)和噪聲技術(shù)研究所超小型電荷放大器模塊

主要指標(biāo):

靈敏度：1、10、100mV/pC(任選一檔)

頻率范圍：0.3～100KHz(上、下限可選)

噪聲(最大靈敏度)：輸出端小于1mV

歸一化：外接電阻調(diào)整

線性誤差：1%

最大輸出：±5V或±10V

電

源：±6V～±15V

特點(diǎn)：可組成經(jīng)濟(jì)的多點(diǎn)測(cè)試系統(tǒng)11/22/202253超小型電荷放大器模塊主要指標(biāo):

其他電荷放大器外形面板式電荷放大器11/22/202254其他電荷放大器外形面板式電荷放大器11/21/202254其他電荷放大器外形（續(xù)）11/22/202255其他電荷放大器外形（續(xù)）11/21/2022556.壓電傳感器的應(yīng)用

1）高分子壓電材料的應(yīng)用

1.玻璃打碎報(bào)警裝置將高分子壓電測(cè)振薄膜粘貼在玻璃上，可以感受到玻璃破碎時(shí)會(huì)發(fā)出的振動(dòng)，并將電壓信號(hào)傳送給集中報(bào)警系統(tǒng)。

粘貼位置11/22/2022566.壓電傳感器的應(yīng)用1）高分子壓電材料的應(yīng)用1.玻高分子壓電材料制作的玻璃打碎傳感器質(zhì)量塊將厚約0.2mm左右的PVDF薄膜裁制成1020mm大小。在它的正反兩面各噴涂透明的二氧化錫導(dǎo)電電極，再用超聲波焊接上兩根柔軟的電極引線。并用保護(hù)膜覆蓋。

使用時(shí)，用瞬干膠將其粘貼在玻璃上。當(dāng)玻璃遭暴力打碎的瞬間，壓電薄膜感受到劇烈振動(dòng)，表面產(chǎn)生電荷Q，在兩個(gè)輸出引腳之間產(chǎn)生窄脈沖報(bào)警信號(hào)。11/22/202257高分子壓電材料制作的玻璃打碎傳感器質(zhì)量塊將壓電傳感器只能應(yīng)用于動(dòng)態(tài)測(cè)量由于外力作用在壓電元件上產(chǎn)生的電荷只有在無(wú)泄漏的情況下才能保存，即需要測(cè)量回路具有無(wú)限大的輸入阻抗，這實(shí)際上是不可能的，因此壓電式傳感器不能用于靜態(tài)測(cè)量。壓電元件在交變力的作用下，電荷可以不斷補(bǔ)充，可以供給測(cè)量回路以一定的電流，故只適用于動(dòng)態(tài)測(cè)量（一般必須高于100Hz，但在50kHz以上時(shí)，靈敏度下降）。

11/22/202258壓電傳感器只能應(yīng)用于動(dòng)態(tài)測(cè)量由于外力作用在壓電

2）壓電式周界報(bào)警系統(tǒng)

（用于重要位置出入口、周界安全防護(hù)等）將長(zhǎng)的壓電電纜埋在泥土的淺表層，可起分布式地下麥克風(fēng)或聽(tīng)音器的作用，可在幾十米范圍內(nèi)探測(cè)人的步行,對(duì)輪式或履帶式車輛也可以通過(guò)信號(hào)處理系統(tǒng)分辨出來(lái)。右圖為測(cè)量系統(tǒng)的輸出波形。11/22/2022592）壓電式周界報(bào)警系統(tǒng)

（用于重要位置出入口3）交通監(jiān)測(cè)

將高分子壓電電纜埋在公路上，可以獲取車型分類信息（包括軸數(shù)、軸距、輪距、單雙輪胎）、車速監(jiān)測(cè)、收費(fèi)站地磅、闖紅燈拍照、停車區(qū)域監(jiān)控、交通數(shù)據(jù)信息采集（道路監(jiān)控）及機(jī)場(chǎng)滑行道等。11/22/2022603）交通監(jiān)測(cè)將高分子壓電電纜埋高分子壓電電纜的應(yīng)用演示將兩根高分子壓電電纜相距若干米，平行埋設(shè)于柏油公路的路面下約5cm，可以用來(lái)測(cè)量車速及汽車的載重量，并根據(jù)存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)內(nèi)部的檔案數(shù)據(jù)，判定汽車的車型。

11/22/202261高分子壓電電纜的應(yīng)用演示將兩根高分子壓電電纜相壓電陶瓷傳感器的應(yīng)用

壓電片的并聯(lián)接法

壓電陶瓷多制成片狀，稱為壓電片。壓電片通常是兩片（或兩片以上）粘結(jié)在一起，一般常用的是并聯(lián)接法。其總面積是單片的兩倍，極板上的總電荷Q并為單片電荷Q的兩倍。

11/22/202262壓電陶瓷傳感器的應(yīng)用壓電片的并聯(lián)接法壓電式動(dòng)態(tài)力傳感器以及在車床中用于動(dòng)態(tài)切削力的測(cè)量

11/22/202263壓電式動(dòng)態(tài)力傳感器以及在車床中用于動(dòng)態(tài)切削力的測(cè)量壓電式動(dòng)態(tài)力傳感器在體育動(dòng)態(tài)測(cè)量中的應(yīng)用壓電式步態(tài)分析跑臺(tái)壓電式縱跳訓(xùn)練分析裝置壓電傳感器測(cè)量雙腿跳的動(dòng)態(tài)力11/22/202264壓電式動(dòng)態(tài)力傳感器在體育動(dòng)態(tài)測(cè)量中的應(yīng)用壓電式步態(tài)分析跑臺(tái)壓項(xiàng)目5振動(dòng)測(cè)量

一．教學(xué)目的1.學(xué)習(xí)電渦流式傳感器、磁電式傳感器和壓電式傳感器工作原理。2.學(xué)會(huì)使用振動(dòng)項(xiàng)目的測(cè)量。11/22/202265項(xiàng)目5振動(dòng)測(cè)量一．教學(xué)目的11/21/20221二．任務(wù)分析在實(shí)際使用中經(jīng)常需要監(jiān)測(cè)振動(dòng)，使用傳感器可以無(wú)接觸地測(cè)量各種振動(dòng)的幅值、頻率等。物體圍繞平衡位置作往復(fù)運(yùn)動(dòng)稱為振動(dòng)。振動(dòng)可分為機(jī)械振動(dòng)、土木結(jié)構(gòu)振動(dòng)、運(yùn)輸工具振動(dòng)、武器、爆炸引起的沖擊振動(dòng)等。從振動(dòng)的頻率范圍來(lái)分，有高頻振動(dòng)、低頻振動(dòng)和超低頻振動(dòng)等。從振動(dòng)信號(hào)的統(tǒng)計(jì)特征來(lái)看，可將振動(dòng)分為周期振動(dòng)、非周期振動(dòng)以及隨機(jī)振動(dòng)等。本項(xiàng)目采用多種傳感器進(jìn)行振動(dòng)檢測(cè)，通過(guò)振動(dòng)的測(cè)量來(lái)比較各種測(cè)量方法的優(yōu)缺點(diǎn)。11/22/202266二．任務(wù)分析11/21/20222三.基礎(chǔ)知識(shí)

1.自感式傳感器

先看一個(gè)實(shí)驗(yàn)：將一只380V交流接觸器線圈與交流毫安表串聯(lián)后，接到機(jī)床用控制變壓器的36V交流電壓源上，如圖4-1所示。這時(shí)毫安表的示值約為幾十毫安。用手慢慢將接觸器的活動(dòng)鐵心（稱為銜鐵）往下按，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)毫安表的讀數(shù)逐漸減小。當(dāng)銜鐵與固定鐵心之間的氣隙等于零時(shí)，毫安表的讀數(shù)只剩下十幾毫安。

11/22/202267三.基礎(chǔ)知識(shí)

1.自感式傳感器先看一個(gè)實(shí)驗(yàn)：將一電感傳感器的基本工作原理演示F220V準(zhǔn)備工作11/22/202268電感傳感器的基本工作原理演示F220V準(zhǔn)備工作11/21/2電感傳感器的基本工作原理演示氣隙變小，電感變大，電流變小F11/22/202269電感傳感器的基本工作原理演示氣隙變小，電感變大，電流變小F1電感傳感器的基本工作原理當(dāng)鐵心的氣隙較大時(shí)，磁路的磁阻Rm也較大，線圈的電感量L和感抗XL較小，所以電流I較大。當(dāng)鐵心閉合時(shí)，磁阻變小、電感變大，電流減小。

11/22/202270電感傳感器的基本工作原理當(dāng)鐵心的氣隙較自感式電感傳感器常見(jiàn)的形式

變隙式變截面式螺線管式

11/22/202271自感式電感傳感器常見(jiàn)的形式變隙式變截面式電感量計(jì)算公式

：

請(qǐng)分析電感量L與氣隙厚度及氣隙的有效截面積A之間的關(guān)系，并討論有關(guān)線性度的問(wèn)題。N：線圈匝數(shù)；A：氣隙的有效截面積；

0：真空磁導(dǎo)率；：氣隙厚度。

11/22/202272電感量計(jì)算公式：請(qǐng)分析電感量L與氣隙厚差動(dòng)電感傳感器的特點(diǎn)

請(qǐng)分析：靈敏度、線性度有何變化曲線1、2為L(zhǎng)1、L2的特性，3為差動(dòng)特性在變隙式差動(dòng)電感傳感器中，當(dāng)銜鐵隨被測(cè)量移動(dòng)而偏離中間位置時(shí)，兩個(gè)線圈的電感量一個(gè)增加，一個(gè)減小，形成差動(dòng)形式。1-差動(dòng)線圈2-鐵心3-銜鐵4-測(cè)桿5-工件

11/22/202273差動(dòng)電感傳感器的特點(diǎn)請(qǐng)分析：靈敏度、差動(dòng)式電感傳感器的特性

從曲線圖可以看出，差動(dòng)式電感傳感器的線性較好，且輸出曲線較陡，靈敏度約為非差動(dòng)式電感傳感器的兩倍。

從結(jié)構(gòu)圖可以看出，差動(dòng)式電感傳感器對(duì)外界影響，如溫度的變化、電源頻率的變化等基本上可以互相抵消，銜鐵承受的電磁吸力也較小，從而減小了測(cè)量誤差。

11/22/202274差動(dòng)式電感傳感器的特性從曲線圖可以看測(cè)量轉(zhuǎn)換電路測(cè)量轉(zhuǎn)換電路的作用是將電感量的變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流的變化，以便用儀表指示出來(lái)。但若僅采用電橋電路和普通的檢波電路，則只能判別位移的大小，卻無(wú)法判別輸出的相位和位移的方向。如果在輸出電壓送到指示儀前，經(jīng)過(guò)一個(gè)能判別相位的檢波電路，則不但可以反映位移的大小（的幅值），還可以反映位移的方向（的相位）。這種檢波電路稱為相敏檢波電路。11/22/202275測(cè)量轉(zhuǎn)換電路測(cè)量轉(zhuǎn)換電路的作用是將電感量的變化轉(zhuǎn)相敏檢波輸出特性曲線a）非相敏檢波b）相敏檢波1—理想特性曲線2—實(shí)際特性曲線

11/22/202276相敏檢波輸出特性曲線a）非相敏檢波b）相敏檢波11/實(shí)測(cè)得到的相敏檢波電路的特性曲線

通過(guò)調(diào)零電路，可使輸出曲線平移到原點(diǎn)。標(biāo)定位移時(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及曲線11/22/202277實(shí)測(cè)得到的相敏檢波電路的特性曲線通過(guò)調(diào)零2.差動(dòng)變壓器式傳感器

電源中用到的“單相變壓器”有一個(gè)一次線圈（又稱為初級(jí)線圈），有若干個(gè)二次線圈（又稱次級(jí)線圈）。當(dāng)一次線圈加上交流激磁電壓Ui后，將在二次線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電壓UO。在全波整流電路中，兩個(gè)二次線圈串聯(lián)，總電壓等于兩個(gè)二次線圈的電壓之和。

請(qǐng)將單相變壓器二次線圈N21、N22的有關(guān)端點(diǎn)按全波整流電路的要求正確地連接起來(lái)。＋11/22/2022782.差動(dòng)變壓器式傳感器電源中用到的“單相變差動(dòng)變壓器式傳感器的工作原理

差動(dòng)變壓器式傳感器是把被測(cè)位移量轉(zhuǎn)換為一次線圈與二次線圈間的互感量M的變化的裝置。當(dāng)一次線圈接入激勵(lì)電源之后，二次線圈就將產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，當(dāng)兩者間的互感量變化時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)也相應(yīng)變化。由于兩個(gè)二次線圈采用差動(dòng)接法，故稱為差動(dòng)變壓器。目前應(yīng)用最廣泛的結(jié)構(gòu)型式是螺線管式差動(dòng)變壓器。

差動(dòng)變壓器的結(jié)構(gòu)原理如圖3-8所示。在線框上繞有一組輸入線圈（稱一次線圈）；在同一線框的上端和下端再繞制兩組完全對(duì)稱的線圈（稱二次線圈），它們反向串聯(lián)，組成差動(dòng)輸出形式。理想差動(dòng)變壓器的原理如圖3-9。圖中標(biāo)有黑點(diǎn)的一端稱為同名端，通俗說(shuō)法是指線圈的“頭”。

11/22/202279差動(dòng)變壓器式傳感器的工作原理差動(dòng)變壓差動(dòng)變壓器式傳感器的等效電路

結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：兩個(gè)二次線圈反向串聯(lián)，組成差動(dòng)輸出形式。

請(qǐng)將二次線圈N21、N22的有關(guān)端點(diǎn)正確地連接起來(lái)，并指出哪兩個(gè)為輸出端點(diǎn)。11/22/202280差動(dòng)變壓器式傳感器的等效電路結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：靈敏度與線性度差動(dòng)變壓器的靈敏度一般可達(dá)0.5~5V/mm，行程越小，靈敏度越高。為了提高靈敏度，勵(lì)磁電壓在10V左右為宜。電源頻率以1~10kHz為好。差動(dòng)變壓器線性范圍約為線圈骨架長(zhǎng)度的1/10左右。例：欲測(cè)量20mm2mm軸的直徑誤差，應(yīng)選擇線圈骨架長(zhǎng)度為多少的差動(dòng)變壓器（或電感傳感器）為宜？11/22/202281靈敏度與線性度差動(dòng)變壓器的靈敏度一般測(cè)量電路

（以差動(dòng)整流為例）若Ｃ1、Ｃ2虛焊，Uao、Ubo將變成什么波形？11/22/202282測(cè)量電路（以差動(dòng)整流為例）若Ｃ1、Ｃ2差動(dòng)整流的特點(diǎn)電路是以兩個(gè)橋路整流后的直流電壓之差作為輸出的，所以稱為差動(dòng)整流電路。它不但可以反映位移的大?。妷旱姆担?，還可以反映位移的方向。

上圖中的RP是用來(lái)微調(diào)電路平衡的，VD1~VD4、VD5~VD8組成普通橋式整流電路，Ｃ3、Ｃ4、Ｒ3、Ｒ4組成低通濾波電路，Ａ1及Ｒ21、Ｒ22、Ｒf、Ｒ23組成差動(dòng)減法放大器，用于克服a、b兩點(diǎn)的對(duì)地共模電壓。11/22/202283差動(dòng)整流的特點(diǎn)電路是以兩個(gè)橋路整流后3.電感式傳感器的應(yīng)用

1）位移測(cè)量

軸向式電感測(cè)微器的外形

航空插頭紅寶石測(cè)頭11/22/2022843.電感式傳感器的應(yīng)用1）位移測(cè)量軸向式電感其他電感測(cè)微頭11/22/202285其他電感測(cè)微頭11/21/202221模擬式及數(shù)字式電感測(cè)微儀11/22/202286模擬式及數(shù)字式電感測(cè)微儀11/21/202222軸向式電感測(cè)微器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

1—引線電纜2—固定磁筒3—銜鐵4—線圈5—測(cè)力彈簧6—防轉(zhuǎn)銷7—鋼球?qū)к墸ㄖ本€軸承）8—測(cè)桿9—密封套10—測(cè)端11—被測(cè)工件12—基準(zhǔn)面11/22/202287軸向式電感測(cè)微器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)1—引線電纜2—固定磁筒2）電感式滾柱直徑分選裝置圖3-14滾柱直徑分選裝置1—?dú)飧?—活塞3—推桿4—被測(cè)滾柱5—落料管6—電感測(cè)微器7—鎢鋼測(cè)頭8—限位擋板9—電磁翻板10—容器（料斗）

11/22/2022882）電感式滾柱直徑分選裝置測(cè)微儀圓柱滾子11/22/202289測(cè)微儀圓柱滾子11/21/202225電感式滾柱直徑分選裝置（外形）

滑道分選倉(cāng)位軸承滾子外形（參考中原量?jī)x股份有限公司資料）11/22/202290電感式滾柱直徑分選裝置（外形）滑道分選倉(cāng)位軸承滾子外形（參電感式滾柱直徑分選裝置外形落料振動(dòng)臺(tái)滑道11個(gè)分選倉(cāng)位（參考無(wú)錫市通達(dá)滾子有限公司資料）廢料倉(cāng)11/22/202291電感式滾柱直徑分選裝置外形落料振動(dòng)臺(tái)滑道11個(gè)分選倉(cāng)位（參考電感式滾柱直徑分選裝置（機(jī)械結(jié)構(gòu)放大）汽缸控制鍵盤(pán)直徑測(cè)微裝置長(zhǎng)度測(cè)微裝置滑道11/22/202292電感式滾柱直徑分選裝置（機(jī)械結(jié)構(gòu)放大）汽缸控制鍵盤(pán)直徑測(cè)微裝機(jī)械及氣動(dòng)元件電感測(cè)微器汽缸

氣水分離器（供氣三聯(lián)件）儲(chǔ)氣罐導(dǎo)氣管

氣壓表（0.4MPa左右）11/22/202293機(jī)械及氣動(dòng)元件電感測(cè)微器汽缸氣水分離器儲(chǔ)氣罐導(dǎo)氣管3）電感傳感器在仿形機(jī)床中的應(yīng)用

1—標(biāo)準(zhǔn)靠模樣板2—測(cè)端（靠模輪）3—電感測(cè)微器4—銑刀龍門(mén)框架5—立柱6—伺服電動(dòng)機(jī)7—銑刀8—毛坯11/22/2022943）電感傳感器在仿形機(jī)床中的應(yīng)用1—標(biāo)準(zhǔn)靠模樣板2仿形銑床外形仿形機(jī)床采用閉環(huán)工作方式仿形頭主軸11/22/202295仿形銑床外形仿形機(jī)床采用閉環(huán)工作方式仿形頭主軸11仿形車床原理11/22/202296仿形車床原理11/21/2022324.壓電傳感器的工作原理壓電式傳感器是一種自發(fā)電式傳感器。它以某些電介質(zhì)的壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)，在外力作用下，在電介質(zhì)表面產(chǎn)生電荷，從而實(shí)現(xiàn)非電量電測(cè)的目的。壓電傳感元件是力敏感元件，它可以測(cè)量最終能變換為力的那些非電物理量，例如動(dòng)態(tài)力、動(dòng)態(tài)壓力、振動(dòng)加速度等，但不能用于靜態(tài)參數(shù)的測(cè)量。

壓電式傳感器具有體積小、質(zhì)量輕、頻響高、信噪比大等特點(diǎn)。由于它沒(méi)有運(yùn)動(dòng)部件，因此結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、可靠性、穩(wěn)定性高。

11/22/2022974.壓電傳感器的工作原理壓電式1）壓電效應(yīng)天然結(jié)構(gòu)的石英晶體呈六角形晶柱，用金剛石刀具切割出一片正方形薄片。當(dāng)晶體薄片受到壓力時(shí)，晶格產(chǎn)生變形，表面產(chǎn)生正電荷，電荷Q與所施加的力F成正比，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。還有一些人造的材料也具有壓電效應(yīng)。若在電介質(zhì)的極化方向上施加交變電壓，它就會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形。當(dāng)去掉外加電場(chǎng)時(shí)，電介質(zhì)的變形隨之消失，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)（電致伸縮效應(yīng)）。

11/22/2022981）壓電效應(yīng)天然結(jié)構(gòu)的石英晶體呈六角石英晶體的壓電效應(yīng)演示當(dāng)力的方向改變時(shí)，電荷的極性隨之改變，輸出電壓的頻率與動(dòng)態(tài)力的頻率相同；當(dāng)動(dòng)態(tài)力變?yōu)殪o態(tài)力時(shí)，電荷將由于表面漏電而很快泄漏、消失。11/22/202299石英晶體的壓電效應(yīng)演示當(dāng)力的方向改2）壓電材料的分類及特性壓電傳感器中的壓電元件材料一般有三類：一類是壓電晶體（如上述的石英晶體）；另一類是經(jīng)過(guò)極化處理的壓電陶瓷；第三類是高分子壓電材料。11/22/20221002）壓電材料的分類及特性壓電傳感器石英晶體天然形成的石英晶體外形11/22/2022101石英晶體天然形成的石英晶體外形11/21/202237天然形成的石英晶體外形（續(xù)）

11/22/2022102天然形成的石英晶體外形（續(xù)）11/21/202238石英晶體切片及封裝石英晶體薄片雙面鍍銀并封裝11/22/2022103石英晶體切片及封裝石英晶體薄片雙面鍍銀并封裝11/21/20石英晶體振蕩器（晶振）石英晶體在振蕩電路中工作時(shí)，壓電效應(yīng)與逆壓電效應(yīng)交替作用，從而產(chǎn)生穩(wěn)定的振蕩輸出頻率。晶振11/22/2022104石英晶體振蕩器（晶振）石英晶體在振蕩電路中工作時(shí)，壓電陶瓷壓電陶瓷是人工制造的多晶壓電材料，它比石英晶體的壓電靈敏度高得多，而制造成本卻較低，因此目前國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)的壓電元件絕大多數(shù)都采用壓電陶瓷。常用的壓電陶瓷材料有鋯鈦酸鉛系列壓電陶瓷（PZT）及非鉛系壓電陶瓷（如BaTiO3等）。11/22/2022105壓電陶瓷壓電陶瓷是人工制造的多晶壓電壓電陶瓷外形

11/22/2022106壓電陶瓷外形11/21/202242無(wú)鉛壓電陶瓷及其換能器外形

（上海硅酸鹽研究所研制）

11/22/2022107無(wú)鉛壓電陶瓷及其換能器外形

（上海硅酸鹽研究所研制）高分子壓電薄膜及拉制11/22/2022108高分子壓電薄膜及拉制11/21/202244高分子壓電材料典型的高分子壓電材料有聚偏二氟乙烯（PVF2或PVDF）、聚氟乙烯（PVF）、改性聚氯乙烯（PVC）等。它是一種柔軟的壓電材料，可根據(jù)需要制成薄膜或電纜套管等形狀。它不易破碎，具有防水性，可以大量連續(xù)拉制，制成較大面積或較長(zhǎng)的尺度，價(jià)格便宜，頻率響應(yīng)范圍較寬，測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍可達(dá)80dB。11/22/2022109高分子壓電材料典型的高分子壓電材高分子壓電材料制作的壓電薄膜和電纜

11/22/2022110高分子壓電材料制作的壓電薄膜和電纜1可用于波形分析及報(bào)警的高分子壓電踏腳板

11/22/2022111可用于波形分析及報(bào)警的高分子壓電踏腳板壓電式腳踏報(bào)警器

11/22/2022112壓電式腳踏報(bào)警器11/21/2022高分子壓電薄膜制作的壓電喇叭

（逆壓電效應(yīng)）11/22/2022113高分子壓電薄膜制作的壓電喇叭

（逆壓電效應(yīng)）11/21/205.壓電傳感器的測(cè)量轉(zhuǎn)換電路

電荷放大器的輸出電壓僅與輸入電荷和反饋電容有關(guān)，電纜長(zhǎng)度等因素的影響很?。弘姾煞糯笃髂軐弘妭鞲衅鬏敵龅碾姾赊D(zhuǎn)換為電壓（Q/U轉(zhuǎn)換器），但并無(wú)放大電荷的作用，只是一種習(xí)慣叫法。11/22/20221145.壓電傳感器的測(cè)量轉(zhuǎn)換電路電荷四通道電荷放大器外形.11/22/2022115四通道電荷放大器外形.11/21/202上圖所示的四通道電荷放大器指標(biāo)（參考東方振動(dòng)和噪聲技術(shù)研究所資料）靈敏度：0.1～1000mV/pC

頻率范圍：0.3～100KHz

噪聲(最大增益)：折合至輸入端小于5μV

準(zhǔn)確度：1%

最大輸出：±10V/10mA

電

源：220V/50Hz

控制方式：

計(jì)算機(jī)或手動(dòng)焊接式電荷放大器11/22/2022116上圖所示的四通道電荷放大器指標(biāo)（參考東方振動(dòng)和噪聲技術(shù)研究所超小型電荷放大器模塊

主要指標(biāo):

靈敏度：1、10、100mV/pC