模块七振动检测上

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1、机、电类 传感器与检测技术项目教程 模块七、振动检测 课件 统一书号：ISBN 978-7-111-48817-0 课程配套网站 www.sensor- 或 2015年2月第1版,（作者：梁森、黄杭美、王明霄、王侃夫）,本模块介绍“振动” 的基本概念、各种测振传感器、激振的方法、各种激振器，简要介绍频谱图、振动的频谱分析，还介绍了MEMS加速度传感器。,内容简介,今天是：2019年6月21日星期五,模块七、振动检测（上） 目录,知识链接 振动的基本概念 项目一、测振传感器 项目二、振动的频谱分析与故障诊断 拓展阅读 MEMS加速度传感器,現在時間是：09:50,知识链接 振动的基本概念,物体围

2、绕平衡位置作往复运动称为振动。 振动分类：机械振动（例如机床、电机、泵、风机等运行时的振动）；土木结构振动（房屋、桥梁等的振动）；运输工具振动（汽车、飞机等的振动）以及地震、武器、爆炸引起的冲击振动。,一、振动的分类,振动的类型：自由振动、受迫振动、自激振动、简谐振动、周期振动、瞬态振动、随机振动、单自由度系统振动、,多自由度系统振动、线性振动、非线性振动、低频振动、中频振动、高频振动等。,表7-1 机械振动的分类与特征,表7-1 机械振动的分类与特征（续）,二、振动的描述与计算,振动的基本参数：振动频率、位移、速度、加速度、初相角来描述。振动频率 f 指物体每秒振动循环的次数，单位是赫兹（H

3、z）。振动角频率的单位为弧度/秒（rad/s）。振动频率f的倒数称振动周期，用T表示，T1/f，单位是秒(s) 。 振幅：物体离开平衡位置的最大位移的绝对值，用xm表示，单位是m、mm或m。 峰峰值（xpp）：整个振动历程的正峰与负峰之间的差值。 单峰值（xp）：正峰或负峰的最大值； 有效值（xrms）:振幅的均方根值。 简谐振动时，单峰值等于峰峰值的1/2； 有效值（xap或x ） 等于单峰值的0.707； 平均值等于单峰值的0.637。,1简谐振动位移、速度、加速度的换算,将简谐振动的位移对时间 t 求导，可得振动速度；将速度对时间t求导（或对位移进行二次求导），可得振动加速度。 x=xm

4、cos(t+) （7-1）v=dxm/dt=-xmsin(t+)=vmcos(t+/2) （7-2）a=d2xm/dt=dv/dt=-2xmcos(t+) =amcos(t+) （7-3） 式中 xm振幅（m）； 振动角频率（rad/s，=2f）； 初相角（rad）； vm速度幅值（m/s，vm=xp）； am加速度幅值（m/s2，am=2xp）。 也可将简谐振动的加速度a对时间积分，得到振动的速度v；再将振动速度v对时间积分（或将加速度a对时间双重积分），可得振动的位移x。,峰值= xm ； 峰峰值 = 2 xm ； 有效值= 0.707 xm（峰值 = 1.414 有效值）； 平均值=0.

5、637 xm。,简谐振动的三个基本参数,图7-2 简谐振动的位移、速度、加速度变化曲线,例7-1 弹簧振子的简谐振动如图7-3所示，弹簧振子在C、O、B间作无摩擦力、无阻尼的简谐运动。O为平衡位置，C、B分别为负的和正的终止位置。已知B、C的距离为100mm，CB运动的时间为1s，求：振动的周期T、频率f和振幅x m。,解 振动的周期T 等于弹簧振子从COBOC的过程所经历的时间，所以 T=2tCB=21s=2s，f=1/T=1/(2s)=0.5Hz 振幅xm等于CO的距离，或OB的距离，所以 xm=100mm/2=50mm。,2振动烈度与位移的换算,振动速度的有效值称为振动的烈度。 振动烈度

6、是以人可感觉到的0.071mm/s为起点，到71mm/s，共15个量级，相邻两个烈度量级的比值约为1.6（相差4dB）。 （7-5）,例7-2 利用磁电速度传感器测得振动烈度vF=4mm/s，测得旋转机械的转速n=3 000r/min（即3 000rpm），假设旋转机械的振动只有与转速成正比的基频振动，求：旋转机械的振幅峰峰值xpp为多少微米？,解 该旋转机械每旋转一圈振动一次时的基频 f=n/60=(3000/60)Hz=50Hz,如果旋转机械的转速n=1500r/min，在用速度测振仪测得相同的烈度时，振幅将增大一倍。,三、测振传感器的分类,按照振动检测的目的，测振传感器可分为两大类：一类

7、是测量设备在运行时的振动参量，检测目的是了解被测对象的振动状态、评定振动等级和寻找振源，以及进行监测、识别、诊断和故障预估；,另一类是对设备或部件进行某种激振，使其产生受迫振动，以便测得被测对象的振动力学参量或动态性能，如固有频率、阻尼、阻抗、响应和模态等。,表7-2 测振传感器的种类及特点,1绝对式和相对式测振传感器,（1）绝对式测振传感器：将测振传感器外壳固定在振动体待测点上，传感器壳体的振动等于被测物的振动。传感器的主要力学组件是惯性质量块及弹性体。在一定的频率范围内，质量块相对于基座的运动，与位移、速度和加速度成正比。常见的绝对式测振传感器有压电式加速度计、电容式测振传感器等。 （2）

8、相对式测振传感器：将测振传感器壳体固定在不动的支架上（也称固定基准），传感器的敏感元件靠近被测振动体表面，从而感受被测振动体表面的位移。 也可以将传感器中质量很轻的“触杆”与被测振动体接触，触杆与敏感元件形成相对振动。常见的相对式测振传感器有涡流式加速度计及激光式测振传感器等。,图7-4 旋转机械的绝对式振动测量与相对式振动测量,a）绝对式振动测量 b）相对式振动测量,2测振系统力学模型,图7-5 测振系统力学模型 1振动体基座 2壳体 3阻尼器 4惯性体 5弹簧 6标尺,阻尼衰减振动,振幅,测振系统力学模型,弹簧振子的简谐振动,f,f,f,f,f,测振系统 力学模型分析,在图7-5所示的测振

9、系统力学模型中，有质量块m、弹簧k、阻尼器c（包括弹性体的内耗及弹性滞后），称为惯性式测振系统。 惯性式测振系统必须紧固在被测振动体A上。当测振系统自身的固有振动频率f0=(1/2)(K/m)，远小于被测振动体A的振动频率f，即f05f时，质量块m相对于壳体的振动位移x将与被测振动体A的振动位移x成正比，这样的测振传感器称为振幅计。,1振动体基座 2壳体 3阻尼器 4惯性体 5弹簧 6标尺,测振系统 力学模型 分析（续）,当f0f 、且阻尼c很大时，质量块m的振动位移x将与被测振动体A的振动速度v成正比，这样的测振传感器称为速度计，如电动式测振仪；当f05f时，质量块将与振动体A一起振动，质量

10、块与被测振动体A所感受到的振动加速度基本一致，这样的测振传感器称为加速度计。,项目一 测振传感器,【项目教学目标】 知识目标 1）了解压电效应及压电元件。 2）掌握电荷放大器的工作原理。 3）了解涡流式测振传感器的工作原理。 4）了解磁电式测振传感器的工作原理。 技能目标 1）掌握压电式测振传感器的应用。 2）掌握振动设备的激振方法。,現在時間是：09:50,任务一 压电式加速度传感器测量振动,一、压电效应 某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，内部会产生极化现象，同时在其表面上产生电荷，当外力去掉后，又重新回到不带电的状态，这种现象称为压电效应。反之，在电介质的极化方向上施加交变电

11、场或电压，它会产生机械变形。去掉外加电场时，电介质变形随之消失，这种现象称为逆压电效应（电致伸缩效应）。 在晶体的弹性限度内，压电材料受力后，其表面产生的电荷Q与所施加的力Fx成正比，即： Q=d Fx （7-6） 式中 d压电常数。,石英晶体的压电效应演示,当力的方向改变时，电荷的极性随之改变，输出电压的频率与动态力的频率相同；当施加静态力时，在初始瞬间，产生与力成正比的电荷，但由于表面漏电，所产生的电荷很快泄漏，并消失。,天然石英晶体外形,石英晶体的特性,石英（SiO2）是一种具有良好压电特性的压电晶体。其介电常数和压电系数的温度稳定性相当好,在常温范围内这两个参数几乎不随温度变化如下两图

12、。 在20200范围内，温度每升高1，压电系数仅减少0.016。但是当到573时，它突然完全失去了压电特性，这就是它的居里点。,石英的d11系数相对于20的d11温度变化特性,石英在高温下相对介电常数的温度特性,天然石英晶体外形（续）,石英晶体的切片,石英晶体片及封装,石英晶体薄片,双面镀银并封装,清代诗人苏履吉赞颂鸣沙 “雷送余音声袅袅，风生细响语喁喁” 鸣沙山上的逆压电效应,鸣沙丘,交变外力作用在压电元件上，可以产生交变的电荷Q，在上下镀银的表面上产生交变电压。,对压电元件施加交变力，产生交变电荷,压电传感器产生的交变电荷的变化频率与交变力的频率相同，等效于交变电荷源。,二、压电材料的分类

13、及特性,压电传感器中的压电元件材料常用的有三类： 一类是：压电晶体（如上述的石英晶体）； 第二类是：经过极化处理的 压电陶瓷； 第三类是：经过极化处理的高分子压电材料。,压电材料的 分类,（1）石英晶体的特性,石英晶体在20200的范围内压电常数的变化量只有-0.0001/。还具有自振频率高、动态响应好、机械强度高、绝缘性能好、迟滞小、重复性好、线性范围宽等优点。 石英晶体的不足之处是压电常数较小： d=2.3110-12C/N。因此石英晶体大多只在标准传感器、高准确度传感器或高温压电传感器中使用，而在一般要求的测量中，基本上采用压电陶瓷。,（2）压电陶瓷,压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料，它

14、比石英晶体的压电灵敏度高得多，而制造成本却较低，因此目前国内外生产的压电元件绝大多数都采用压电陶瓷 。常用的压电陶瓷材料有锆钛酸铅系列压电陶瓷（PZT） 及非铅系压电陶瓷(如BaTiO3等)。,压电陶瓷外形,压电陶瓷（多晶材料）的工作原理,某些陶瓷粉末原料，经1000以上高温烧结和机械加工，可以制成圆片或其他需要的形状。烧结而成的压电陶瓷由无数细微的电畴组成。 在无外电场作用时，各个电畴在晶体中杂乱分布，它们的极化效应被相互抵消了，因此原始的压电陶瓷呈中性,不具有压电性质。 为了使压电陶瓷具有压电效应，必须在高温下，用上千伏高电压施加在上下极板上，进行极化处理，使电畴的方向趋向一致，冷却后就具

15、有压电效应。,压电陶瓷的极化处理,a）极化处理前电畴杂乱分布 b）在极化电压下的电畴分布 c）冷却、稳定后的电畴分布 1镀银上电极 2压电陶瓷 3镀银下电极 4电畴 5极化高压电源 细微的电畴极化方向,压电陶瓷极化的影响因素,极化电场和极化温度越高，促使电畴取向排列的作用越大，极化就越充分。常用压电陶瓷材料的极化温度取320420，极化时间从几分钟到几十分钟。,常用的压电陶瓷材料,（1）锆钛酸铅系列压电陶瓷（PZT）：是由钛酸铅和锆酸铅组成的固熔体。有较高的压电常数d（200500）10-12C/N。在上述材料中加入微量的镧（La）、铌（Nb）或锑（Sb）等，可以得到不同性能的PZT材料。 （2）非铅系压电陶瓷：能减少制造过程中铅对环境的污染。BaTiO3基无铅压电陶瓷、BNT基无铅压电陶瓷、铌酸盐基无铅压电陶瓷、钛酸铋钠钾无铅压电陶瓷、钛酸铋锶钙无铅压电陶瓷和钛酸钡钙压电陶瓷等，它们的多项性能都已超过含铅系列压电陶瓷，是今后压电陶瓷的发展方向。,压电陶瓷与石英晶体的特性比较,（3）高分子压电材料,典型的高分子压电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。它是一种柔软的压电材料，可根据需要制成薄膜或电缆套管等形状。它不易破碎，具有防水性，可以大量连续拉制，制成较大面积或较长的尺度，价格便宜，频率响应范围较宽，测量动态范