振動傳感器的工作原理和特性

王進　田玉艷

摘 要通過分析振動特性測量活動中振動傳感器的工作原理和特性，對振動特性測量的改裝環(huán)節(jié)進行了技術(shù)分析和研究；由此提出在振動特性測量試驗改裝環(huán)節(jié)中需要注意的關(guān)鍵點，以便得出最真實的試驗數(shù)據(jù)。

【關(guān)鍵詞】振動 壓電式振動傳感器

振動是自然界最普遍的現(xiàn)象之一，大至宇宙小至原子粒子，無不存在振動現(xiàn)象。在工程技術(shù)領(lǐng)域中振動現(xiàn)象比比皆是，但在很多情況下振動是有害的，例如：振動降低加工精度和光潔度，加劇結(jié)構(gòu)件的疲勞和磨損，在航空領(lǐng)域中機體及結(jié)構(gòu)件的振動會產(chǎn)生非常嚴重的后果，輕則會影響駕駛員的操作和舒適度重則會引起機體、結(jié)構(gòu)件的斷裂甚至解體。

在飛機試飛階段為了驗證在飛機設(shè)計階段得出的飛機結(jié)構(gòu)的固有頻率、固有振型、阻尼系數(shù)等數(shù)據(jù)的正確性，需要對飛機的振動特性進行測量、評估。本文從振動特性測量的改裝環(huán)節(jié)入手，分析影響振動測量的改裝因素并提出規(guī)范和措施。

1 振動參數(shù)分類及特性

振動傳感器是由彈簧、阻尼器及慣性質(zhì)量塊組成的單自由振蕩系統(tǒng)。利用質(zhì)量塊的慣性在慣性空間建立坐標，測定相對大地或慣性空間的振動加速度。它通過其中的換能元件，將機械振動轉(zhuǎn)換為便于傳遞、變換、處理和儲存的電信號。

振動傳感器形式有很多種，常見的分類如圖1所示。

1.1 壓電式振動傳感器的測試原理

壓電式振動傳感器是試驗機振動測試常用的傳感器之一。相應(yīng)標準提出了振動加速度測量傳感器改裝要求，但是往往因為對其中的概念理解不透，造成一些不合理的安裝方式，在一定程度上影響了測試精度。

要正確理解和貫徹標準要求，必須了解有關(guān)背景知識，如傳感器的測試原理、構(gòu)造和基本特性等方面。

一些介質(zhì)在沿一定方向上施加機械壓力而產(chǎn)生變形時，其內(nèi)部會產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時其表面產(chǎn)生電荷，當(dāng)外力去掉以后，材料內(nèi)部的電場和表面電荷也隨之消失，這種特性稱為壓電效應(yīng)。壓電式振動傳感器是利用這一特性，把基體感受到的機械振動轉(zhuǎn)化為電能量輸出。

1.2 典型壓電式振動傳感器的基本構(gòu)造

壓電式振動傳感器的典型結(jié)構(gòu)如圖2所示。

壓電晶體被壓緊在質(zhì)量塊和基體之間，當(dāng)加速度計感受振動時，質(zhì)量塊施加一個振動力于壓電晶體上，壓電晶體中產(chǎn)生可變電勢。通過適當(dāng)?shù)脑O(shè)計，可以保證在一定的頻率范圍內(nèi)輸入加速度與輸出電勢成比例。

1.3 壓電式振動傳感器的特性

1.3.1 頻率響應(yīng)

Mm是壓在敏感元件上的質(zhì)量塊的質(zhì)量；Mb是加速度計基體及殼體的質(zhì)量；K是Mm與Mb間的系統(tǒng)的等效剛度。這一系統(tǒng)的自然頻率為：

fo=fm

式中fm為質(zhì)量Mm在彈簧K上的自然頻率。

根據(jù)振動理論：fm= 。

假設(shè)加速度計剛性安裝在比它重的多的結(jié)構(gòu)上，此時Mm/Mb→0，fo→fm。從而得到加速度計的上限響應(yīng)頻率為fm。

壓電式振動傳感器能夠精確地檢測寬范圍的動態(tài)加速度，因此可以用來測量瞬態(tài)沖擊過程外， 還可用來測量正弦振動和隨機振動。但是，壓電式振動傳感器不適用于穩(wěn)態(tài)測量的場合，例如地球引力、慣性制導(dǎo)或諸如發(fā)動機加速度及制動等緩慢變化的瞬態(tài)過程。

1.3.2 靈敏度

加速度計的靈敏度定義為電輸出與機械輸入之比。從傳感器結(jié)構(gòu)可知，靈敏度是有方向性的。由于傳感器的制造誤差，其最大靈敏度方向與幾何軸不一致，最大靈敏度矢量可分解成軸向靈敏度和橫向靈敏度兩部分。

真正代表壓電式振動傳感器靈敏度的是電荷靈敏度，它不受傳感器內(nèi)部電容變化和電纜長度變化的影響，只取決于壓電材料的壓電常數(shù)，一般電荷靈敏度每年下降小于1%。

壓電式振動傳感器實質(zhì)上是固態(tài)器件，它們非常堅固和耐用，在誤用的情況下一般也不會引起損壞。在傳感器內(nèi)部，沒有調(diào)整部件，增加了傳感器的可靠性和可重復(fù)性，能夠用于極其惡劣的環(huán)境下。

2 壓電式振動傳感器的改裝要求與測量精度

2.1 振動加速度測量傳感器的改裝要求

相應(yīng)標準規(guī)定了振動加速度測量傳感器的通用改裝要求：

（1）傳感器測量軸與被測軸線平行，橫向靈敏軸應(yīng)避開側(cè)向加速度最大的方向。

（2）傳感器安裝支架質(zhì)量小，剛度好，接觸面接觸彈簧的自然頻率至少大于傳感器自然頻率的五倍。

（3）單極性傳感器應(yīng)與支架絕緣安裝。

2.2 影響測量精度的因素

（1）安裝剛度不足會降低響應(yīng)頻率及使用范圍的上限，這一影響在高頻測量中尤其顯著。

標準規(guī)定“接觸面接觸彈簧的自然頻率至少大于傳感器自然頻率的五倍”；這對傳感器安裝支架的剛度及安裝面的接觸剛度提出了很高的要求。若傳感器直接安裝在被測結(jié)構(gòu)上，其接觸彈簧的自然頻率可按接觸彈簧靜態(tài)變形求得：

fm=

因傳感器的質(zhì)量力一般很小，而接觸彈簧剛度趨于無窮大；因此變形δ極小，接觸頻率可以滿足標準要求。

若傳感器通過轉(zhuǎn)接支架安裝在被測結(jié)構(gòu)上，則必須同時考慮支架剛度及兩個接觸面的接觸剛度，并要在滿足安裝剛度要求的前提下盡量減小支架的質(zhì)量。若傳感器與支架絕緣安裝，采用絕緣螺樁及云母墊片可以獲得最大安裝剛度。

（2）安裝支架質(zhì)量太大，其質(zhì)量載荷改變了結(jié)構(gòu)的原有振動，導(dǎo)致測量結(jié)果失真；如果是在較輕或較薄的結(jié)構(gòu)上測振，這一影響不可忽視。

（3）安裝方向偏離傳感器的校準狀態(tài)，傳感器軸向靈敏度軸方向與要求的測量方向應(yīng)盡可能一致，一旦偏離將導(dǎo)致軸向響應(yīng)降低，而橫向響應(yīng)增大加速度計應(yīng)當(dāng)安裝在平坦、干凈的表面上，橫向靈敏軸（在殼體上以紅點標出）應(yīng)避開側(cè)向加速度最大的方向。

（4）螺栓擰緊不當(dāng)，螺栓擰入基體太深，引起基體拱彎變形，從而產(chǎn)生額外的電輸出。擰緊力矩要適當(dāng)，過大會損壞螺紋，太小將影響安裝剛度。

2.3 壓電式振動傳感器的典型安裝方式和關(guān)鍵點

壓電式振動傳感器有金屬螺栓安裝、對地絕緣轉(zhuǎn)換螺栓連接、膠粘劑粘接和磁鐵轉(zhuǎn)換吸盤連接四種安裝方式，其中金屬螺栓安裝和膠粘劑粘接最為常見。利用鋼制螺樁把傳感器固定在拋光的金屬面上，這種方式可以得到最高的響應(yīng)頻率，其它的安裝方式會降低響應(yīng)頻率。

要做到數(shù)據(jù)結(jié)論準確，首先要正確使用和安裝傳感器。在設(shè)計振動傳感器支架、緊固件及實施安裝時應(yīng)遵循以下幾點：

（1）了解所測參數(shù)的基本情況，如振動加速度的振幅、頻率范圍；

（2）了解傳感器的結(jié)構(gòu)形式和特性，包括傳感器質(zhì)量，自然頻率，安裝尺寸等；

（3）根據(jù)被測結(jié)構(gòu)的具體情況確定傳器的安裝方式，對低頻測量應(yīng)重點考慮附加質(zhì)量對測量結(jié)果的影響；對高頻測量則應(yīng)保證安裝剛度符合標準要求；

（4）傳感器及轉(zhuǎn)接支架的安裝接觸面應(yīng)平整、光滑，以保證傳感器安裝精度和剛度；

（5）仔細調(diào)整傳感器的安裝方向。使軸向靈敏軸與所要測量方向一致，橫向靈敏軸應(yīng)避開側(cè)向加速度最大的方向；

（6）控制螺栓擰入深度及擰緊力矩，適當(dāng)?shù)臄Q緊力矩為1.8N·m。

3 結(jié)論

為了得到最真實、可靠的被試數(shù)據(jù)，需要深度挖掘試驗的各個環(huán)節(jié)；本文從改裝環(huán)節(jié)剖析了一型振動傳感器的相關(guān)特性并由此提出了改裝關(guān)鍵點，以便能夠更好、更真實的得出試驗數(shù)據(jù)為被試對象提供數(shù)據(jù)支持。

參考文獻

[1]聞邦椿，李以農(nóng)，張義民，宋占偉著.振動利用工程[M].北京：科學(xué)出版社，2005（08）.

[2]壓電加速度計使用規(guī)范[S].秦皇島市協(xié)力科技有限公司，2011.

作者簡介

王進（1980-），男，現(xiàn)為中國飛行試驗研究院改裝部工程師，從事試驗機改裝設(shè)計及人機功效設(shè)計工作。

田玉艷（1984-），女，現(xiàn)為中國飛行試驗研究院改裝部工程師，從事試驗機改裝設(shè)計工作。

作者單位

中國飛行試驗研究院改裝部 陜西省西安市 710089