《傳感器及應(yīng)用（第三版）》 課件 模塊五　振動(dòng)的測(cè)量

模塊五振動(dòng)的測(cè)量392課題二微硅加速度傳感器課題一壓電式振動(dòng)傳感器課題三沖擊傳感器振動(dòng)是一種常見的物理現(xiàn)象。如圖所示，振動(dòng)是物體在其平衡位置附近做周期性往復(fù)運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)形式，如橋梁的振動(dòng)、鐘擺的擺動(dòng)、汽車運(yùn)行的顫動(dòng)等。振動(dòng)的存在會(huì)影響機(jī)器的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，使機(jī)床的加工精度、儀器的靈敏度下降，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)造成機(jī)器或建筑的毀壞；但同時(shí)，利用振動(dòng)現(xiàn)象的特點(diǎn)，可以設(shè)計(jì)制造眾多的設(shè)備和儀器，如振動(dòng)壓路機(jī)、振動(dòng)篩、振動(dòng)示波器等。因此，測(cè)量和分析振動(dòng)現(xiàn)象，合理利用其特點(diǎn)設(shè)計(jì)機(jī)器設(shè)備，抑制其可能帶來的危害就十分必要了。394振動(dòng)示意圖課題一壓電式振動(dòng)傳感器395學(xué)習(xí)目標(biāo)

了解振動(dòng)的基礎(chǔ)知識(shí)。

了解振動(dòng)傳感器的常見類型。

熟悉壓電效應(yīng)的概念和常用的壓電材料。

掌握壓電式傳感器的工作原理。

熟悉壓電式振動(dòng)傳感器的結(jié)構(gòu)、測(cè)量電路和技術(shù)指標(biāo)。

了解振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的組成。

能正確選擇和使用壓電式振動(dòng)傳感器。396知識(shí)引入徜徉在博物館琳瑯滿目的展品前，或許不會(huì)有人覺察到隱藏在角落里的安全衛(wèi)士———玻璃打碎報(bào)警裝置，它們雖不起眼，但對(duì)各種珍稀文物的安全起著至關(guān)重要的作用。這種裝置的結(jié)構(gòu)可用如圖所示的框圖表示，工作過程為：當(dāng)玻璃打碎時(shí)會(huì)發(fā)出幾千赫茲甚至更高頻率的振動(dòng)，粘貼在玻璃上的高分子壓電薄膜感受到這一振動(dòng)并將振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓輸出，經(jīng)放大、濾波、比較處理后傳送給集中報(bào)警系統(tǒng)（執(zhí)行機(jī)構(gòu)）。從圖中可以看出，傳感器作為信息傳送的首道門檻，是報(bào)警裝置的核心部件之一。這里用到的高分子壓電薄膜屬于壓電式振動(dòng)傳感器，壓電式振動(dòng)傳感器是依據(jù)壓電效應(yīng)工作的高分子材料自發(fā)電式傳感器。397398玻璃打碎報(bào)警裝置結(jié)構(gòu)框圖知識(shí)講解一、振動(dòng)的基礎(chǔ)知識(shí)1.振動(dòng)的類型及單位物體圍繞平衡位置的往復(fù)運(yùn)動(dòng)構(gòu)成振動(dòng)。它的形式多種多樣，有機(jī)械振動(dòng)、土木振動(dòng)、運(yùn)輸工具振動(dòng)等。按照振動(dòng)頻率，振動(dòng)分為高頻、低頻和超低頻振動(dòng)；按照振動(dòng)原因，振動(dòng)分為自由振動(dòng)、強(qiáng)迫振動(dòng)和自激振動(dòng)。399衡量物體振動(dòng)強(qiáng)度的大小通常有三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，即振動(dòng)的三個(gè)測(cè)量值：振動(dòng)位移、振動(dòng)速度和振動(dòng)加速度。振動(dòng)位移用s表示，單位為mm或m；振動(dòng)速度用v表示，單位為m/s或mm/s；振動(dòng)加速度用a表示，單位為m/s2。振動(dòng)位移、振動(dòng)速度和振動(dòng)加速度之間一一對(duì)應(yīng)，可通過微積分運(yùn)算進(jìn)行換算。在實(shí)際應(yīng)用中，描述振動(dòng)物理性質(zhì)的最常用基本參量是加速度，測(cè)量振動(dòng)的傳感器也稱為加速度傳感器或加速度計(jì)。工程上還常用重力加速度g作為單位，兩者的換算關(guān)系為1g≈9.81m/s2。另一個(gè)與振動(dòng)強(qiáng)度密切相關(guān)的指標(biāo)———振動(dòng)烈度，是為評(píng)定設(shè)備振動(dòng)狀態(tài)而引入的測(cè)量值。4002.振動(dòng)的相關(guān)概念振動(dòng)是圍繞平衡位置的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，描述不同的振動(dòng)可用頻率、幅值、相位三個(gè)參數(shù)進(jìn)行區(qū)別，因此，通常稱頻率、幅值、相位為振動(dòng)的三要素。（1）頻率周期是物體振動(dòng)一次所需的時(shí)間，通常用T表示，單位為秒（s）。頻率是周期的倒數(shù)，即每秒鐘物體振動(dòng)的次數(shù)，用f表示，單位為赫茲（Hz）。401振動(dòng)周期（2）幅值振動(dòng)物體偏離平衡位置的最大距離為振動(dòng)的幅值，簡(jiǎn)稱振幅。在振動(dòng)位移測(cè)量中常用x表示，單位為毫米（mm）。工程上又常將振幅細(xì)分為單峰值、峰峰值和有效值等指標(biāo)。（3）相位相位是振動(dòng)在時(shí)間先后關(guān)系上或空間位置關(guān)系上相互差異的標(biāo)志，通常用φ表示，振動(dòng)相位是以角度為單位。振動(dòng)相位差為0°，稱為同相振動(dòng)；振動(dòng)相位差為180°，稱為反相振動(dòng)。402二、振動(dòng)傳感器的類型振動(dòng)傳感器也稱加速度傳感器，是一種將機(jī)械量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏康霓D(zhuǎn)換裝置，并根據(jù)一定的規(guī)律將被測(cè)量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息傳輸、處理、存儲(chǔ)、顯示、記錄和控制的要求，工程上也稱它為拾振器。振動(dòng)傳感器有時(shí)并不是直接將被測(cè)量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏?，而是將要測(cè)的機(jī)械量作為振動(dòng)傳感器的輸入量，形成另一個(gè)易于變換的機(jī)械量，最后由機(jī)電變換部分再將其變換為電量。根據(jù)振動(dòng)傳感器測(cè)量過程中是否與測(cè)量點(diǎn)接觸以及工作參數(shù)不同，可以做如圖所示分類，外形如圖所示。403404振動(dòng)傳感器的分類振動(dòng)傳感器外形圖三、壓電式傳感器的工作原理1.壓電效應(yīng)與壓電材料壓電效應(yīng)是某些物質(zhì)沿一定方向上受到外力作用變形時(shí)，內(nèi)部被極化，其表面產(chǎn)生電荷，外力去除后又重新回到不帶電狀態(tài)的現(xiàn)象。具有壓電效應(yīng)的物質(zhì)稱為壓電材料（或壓電元件），常見的壓電材料有壓電單晶體、多晶體壓電陶瓷和高分子壓電材料等，如圖所示。405406壓電材料2.工作原理壓電式傳感器是以某些物質(zhì)的壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)，根據(jù)在外力作用下壓電材料表面產(chǎn)生電荷量的大小與外力成正比的原理來實(shí)現(xiàn)非電量的測(cè)量，如圖所示。在壓電晶片的兩個(gè)工作面上蒸鍍金屬膜，構(gòu)成兩個(gè)電極，當(dāng)壓電晶片受到壓力F的作用時(shí)，分別在兩個(gè)極板上積聚數(shù)量相等而極性相反的電荷。407壓電式傳感器的工作原理四、壓電式振動(dòng)傳感器的結(jié)構(gòu)壓電式振動(dòng)傳感器由壓電元件、質(zhì)量塊、預(yù)壓彈簧、基座、外殼等部分組成，如圖所示。408壓電式振動(dòng)傳感器壓電式振動(dòng)傳感器的基本結(jié)構(gòu)測(cè)量時(shí)，將基座與被測(cè)物體剛性地連接在一起，使質(zhì)量塊感受與物體完全相同的運(yùn)動(dòng)。當(dāng)被測(cè)物體產(chǎn)生加速度時(shí)，質(zhì)量塊將產(chǎn)生慣性力F1，其方向與加速度方向相反，大小為F1=m×a。此慣性力與預(yù)緊力F0疊加后作用在壓電元件上，使得作用在壓電元件上的壓力F為：F=F0+F1=F0+ma壓電元件上產(chǎn)生與加速度a對(duì)應(yīng)的電荷，即：Q=d11

F=d11（F0+ma）與ma對(duì)應(yīng)的是電荷的增量：ΔQ=d11×ma。409在壓電傳感器中，常用兩片或多片壓電元件組合在一起使用。由于壓電材料是有極性的，因此接法有兩種，如圖所示。410壓電元件的接法a）并聯(lián)接法b）串聯(lián)接法五、壓電式振動(dòng)傳感器的測(cè)量電路壓電式振動(dòng)傳感器的內(nèi)阻很高，而輸出信號(hào)微弱，因此不能直接顯示和記錄，需經(jīng)測(cè)量電路進(jìn)行放大、調(diào)整。測(cè)量電路由前置放大器、帶通濾波器、歸一化放大器三部分組成。前置放大器完成電荷到電壓的轉(zhuǎn)換；帶通濾波器能有效抑制信號(hào)中的干擾分量；歸一化放大器可用于調(diào)整放大器的靈敏度。壓電式振動(dòng)傳感器要求測(cè)量電路的前級(jí)輸入端要有足夠高的阻抗，這樣才能防止電荷迅速泄漏導(dǎo)致測(cè)量誤差變大。壓電式振動(dòng)傳感器的前置放大器有兩個(gè)作用：一是把傳感器的高阻抗輸出變換為低阻抗輸出；二是把傳感器的微弱信號(hào)進(jìn)行放大。4111.前置放大器壓電式振動(dòng)傳感器可以等效為一個(gè)電荷發(fā)生器與電容并聯(lián)，如圖a所示。壓電式振動(dòng)傳感器與測(cè)量?jī)x表連接時(shí)，還必須考慮電纜電容Cc、放大器的輸入電阻Ri和輸入電容Ci以及傳感器的泄漏電阻Ra，如圖b所示。412壓電式振動(dòng)傳感器等效電路a）壓電式振動(dòng)傳感器理想等效電路b）壓電式振動(dòng)傳感器實(shí)際等效電路c）壓電式振動(dòng)傳感器接電荷放大器的典型電路對(duì)于壓電式振動(dòng)傳感器來說，放大電路有兩種形式：電壓放大器和電荷放大器。電壓放大器是由電阻作為反饋元件的，將壓電式振動(dòng)傳感器的輸出電壓進(jìn)行放大，其輸出電壓受電纜分布電容的影響，當(dāng)電纜的長(zhǎng)度改變時(shí)需要對(duì)傳感器靈敏度重新進(jìn)行標(biāo)定，使用不方便；電荷放大器是由電容作為反饋元件的，其輸出電壓與輸入電荷量成正比。壓電式振動(dòng)傳感器接電荷放大器的典型電路如圖c所示，電荷放大器的輸出電壓為：式中A——運(yùn)算放大器的放大倍數(shù)。413由上式可以看出，由于引入了電容負(fù)反饋，電荷放大器的輸出電壓僅與傳感器產(chǎn)生的電荷量及放大器的反饋電容有關(guān)，電纜電容等其他因素對(duì)靈敏度的影響可以忽略不計(jì)，這樣不僅可以得到穩(wěn)定的輸出信號(hào)，還能改善低頻特性。因此，壓電式振動(dòng)傳感器的放大電路通常采用電荷放大器。414在進(jìn)行振動(dòng)測(cè)量時(shí)，將壓電元件產(chǎn)生的電荷輸出給電荷放大器，則電荷放大器輸出電壓的增量為：由上式可知，電荷放大器輸出電壓的增量與加速度a成正比。因此，只要測(cè)出輸出電壓，即可獲得被測(cè)物的加速度。如果在電路中增加積分電路，則還可測(cè)出被測(cè)物的振動(dòng)速度和振動(dòng)位移量。4152.濾波器由于振動(dòng)傳感器測(cè)得的現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)信號(hào)是全波段信號(hào)，由各種頻率的信號(hào)疊加而成，其中也混有干擾信號(hào)，因此，為了去除干擾信號(hào)，獲得有效頻率段信號(hào)，通常在放大電路后加濾波器。根據(jù)濾波效果的不同，濾波可分為低通濾波、高通濾波、帶通濾波和帶阻濾波；根據(jù)使用手段不同，濾波可分為硬件濾波和軟件濾波。對(duì)于較復(fù)雜的測(cè)試系統(tǒng)，多采用硬件濾波和軟件濾波相結(jié)合的方式。濾波器的種類、規(guī)格很多，在實(shí)際應(yīng)用中可以根據(jù)要求的技術(shù)指標(biāo)購(gòu)買濾波器模塊，也可以根據(jù)要求自行搭建濾波器。416六、壓電式振動(dòng)傳感器的技術(shù)指標(biāo)壓電式振動(dòng)傳感器的技術(shù)指標(biāo)包括靜態(tài)技術(shù)指標(biāo)和動(dòng)態(tài)技術(shù)指標(biāo)。靜態(tài)技術(shù)指標(biāo)包括量程、精度、靈敏度、分辨率、穩(wěn)定性等。動(dòng)態(tài)技術(shù)指標(biāo)可以從時(shí)域和頻域兩方面來考慮，主要是響應(yīng)時(shí)間和有效帶寬。振動(dòng)測(cè)試應(yīng)用面廣，很多傳感器生產(chǎn)廠家都有系列產(chǎn)品提供，選擇傳感器時(shí)，主要考慮下列技術(shù)參數(shù)。1.靈敏度靈敏度即每一單位輸入得到的輸出量。4172.測(cè)量范圍常用的測(cè)量范圍為0.1~100g，沖擊振動(dòng)可選用100~10000g，路橋、地基等微弱振動(dòng)往往選擇0.001~10g的高靈敏度低頻加速度傳感器。3.橫向靈敏度壓電式振動(dòng)傳感器的受力是有方向的，縱向受力作用在壓電元件上，與振動(dòng)測(cè)量方向一致是有效信號(hào)。4.頻率范圍壓電式振動(dòng)傳感器應(yīng)在有效頻率段信號(hào)穩(wěn)定，曲線完整不失真，且避開機(jī)械結(jié)構(gòu)的諧振點(diǎn)，因此在選擇壓電式振動(dòng)傳感器時(shí)，還應(yīng)考慮傳感器的頻率范圍。418七、振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)振動(dòng)測(cè)量裝置可以看作一個(gè)系統(tǒng)，其組成如圖所示。419振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的組成測(cè)量工作的順利完成要靠振動(dòng)傳感器、信號(hào)調(diào)理電路、屏蔽電纜（抗干擾）、信號(hào)采集和處理裝置等各部分的共同作用。測(cè)量數(shù)據(jù)是依次經(jīng)過各個(gè)環(huán)節(jié)后得到的，誤差存在于各環(huán)節(jié)中，其中影響最大的是傳感器和放大電路。因此，在精心選擇傳感器的同時(shí)，還要匹配合適的放大電路，才能得到滿足要求的振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)。振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)是解決實(shí)際工程問題的常用手段，它利用振動(dòng)傳感器采集振動(dòng)信號(hào)，研究振動(dòng)的變化規(guī)律，分析振動(dòng)形成的原因。420課題二微硅加速度傳感器421學(xué)習(xí)目標(biāo)

了解微硅加速度傳感器的特點(diǎn)及類型。

了解壓阻式、電容式微硅加速度傳感器的工作原理。

掌握微硅加速度傳感器的使用方法。

能正確安裝與使用微硅加速度傳感器。422知識(shí)引入據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球每年約有120萬人死于交通事故，其中約20%是由于正面碰撞事故導(dǎo)致的。安全氣囊的發(fā)明，大大減少了這類事故的發(fā)生。隨著汽車電子技術(shù)的進(jìn)步，安全氣囊產(chǎn)品進(jìn)一步發(fā)展，出現(xiàn)了帶診斷單元的安全氣囊，它由傳感器、計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)、氣體發(fā)生器及氣囊等部件組成。在撞車的瞬間，傳感器采集撞車信號(hào)，計(jì)算機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)行識(shí)別、處理，點(diǎn)燃?xì)怏w發(fā)生器，在駕駛員和乘客面前充起氣囊，保護(hù)駕駛員和乘客的頭部與胸部不受損傷或降低損傷程度。加速度傳感器可將汽車碰撞的加速度轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，目前多采用微硅集成加速度傳感器。423424汽車安全氣囊系統(tǒng)知識(shí)講解微硅加速度傳感器是一種重要的力學(xué)量傳感器，是通過測(cè)量力的大小計(jì)算出加速度的。隨著生產(chǎn)加工成本的降低，其應(yīng)用越來越廣泛，如手機(jī)的計(jì)步器功能，人在走動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定規(guī)律性的振動(dòng)，而微硅加速度傳感器可以檢測(cè)振動(dòng)的過零點(diǎn)，計(jì)算出人所走的步數(shù)或跑步的步數(shù)，從而計(jì)算出人所移動(dòng)的位移；相機(jī)的防手抖功能，用微硅加速度傳感器檢測(cè)手持設(shè)備的振動(dòng)/晃動(dòng)幅度，當(dāng)振動(dòng)或晃動(dòng)幅度過大時(shí)鎖住照相快門，則拍攝的圖像永遠(yuǎn)是清晰的。如今三維微硅加速度傳感器已開始用于檢測(cè)空間加速度，為軍事、工業(yè)自動(dòng)控制、醫(yī)療等領(lǐng)域服務(wù)。425一、微硅加速度傳感器的特點(diǎn)及類型微硅加速度傳感器是在硅片上微細(xì)加工、集成制作而成的加速度傳感器，并將測(cè)試、控制電路集成于一體，有利于大規(guī)模批量生產(chǎn)，具有體積小、質(zhì)量輕、精度高、響應(yīng)快、靈敏度高、易于小型化等優(yōu)點(diǎn)，而且能夠在強(qiáng)輻射作用下正常工作，因此近年來發(fā)展迅速，其外形如圖所示。它是以半導(dǎo)體制造技術(shù)為基礎(chǔ)發(fā)展起來的，采用了半導(dǎo)體技術(shù)中的光刻、腐蝕、薄膜等一系列技術(shù)或材料，也稱之為微機(jī)電系統(tǒng)（microelectromechanicalsystem，MEMS）。MEMS是一種先進(jìn)的制造技術(shù)平臺(tái)，側(cè)重于超精密機(jī)械加工，并涉及微電子、材料、力學(xué)、化學(xué)、機(jī)械學(xué)諸多學(xué)科領(lǐng)域。426427微硅加速度傳感器微硅加速度傳感器是集成在單片集成電路上的加速度測(cè)量系統(tǒng)，經(jīng)過多年的研究和開發(fā)，關(guān)于微硅加速度傳感器的設(shè)計(jì)已經(jīng)形成了一套比較成熟的理論體系。目前，這種傳感器已有壓阻式、電容式、隧道式、共振式、熱對(duì)流式等幾種類型。428二、壓阻式微硅加速度傳感器的工作原理壓阻式微硅加速度傳感器的體積小，頻率范圍寬，量程大，直接輸出電壓信號(hào)，不需要復(fù)雜的電路接口，大批量生產(chǎn)時(shí)價(jià)格低廉，可重復(fù)生產(chǎn)性好，可直接測(cè)量連續(xù)的加速度和穩(wěn)態(tài)加速度，但其對(duì)溫度的漂移較大，對(duì)安裝應(yīng)力和其他應(yīng)力也較敏感，因此不適合某些小量程加速度的測(cè)量。429壓阻式微硅加速度傳感器的結(jié)構(gòu)如圖所示。壓阻式微硅加速度傳感器的彈性元件一般采用硅梁和外加質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)形式。質(zhì)量塊由懸臂梁支撐，在懸臂梁上制作應(yīng)變電阻，連接成惠斯通電橋，利用壓阻效應(yīng)來檢測(cè)加速度。在慣性力作用下質(zhì)量塊上下運(yùn)動(dòng)，懸臂梁上應(yīng)變電阻的阻值隨應(yīng)力的作用而發(fā)生變化，引起電橋輸出電壓變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)加速度的測(cè)量。壓阻式微硅加速度傳感器采用半導(dǎo)體工藝，將傳感器與測(cè)量電路集成在一起，屬于機(jī)電一體化產(chǎn)品。壓阻式微硅加速度傳感器的原理框圖如圖所示。430431壓阻式微硅加速度傳感器的原理框圖壓阻式微硅加速度傳感器的結(jié)構(gòu)三、電容式微硅加速度傳感器的工作原理電容式微硅加速度傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖所示，它是一種基于差動(dòng)電容的加速度傳感器。用半導(dǎo)體微細(xì)加工的方法在單晶硅上制作三個(gè)多晶硅層，組成兩個(gè)差動(dòng)電容C1和C2，第一層和第三層為不動(dòng)極板，第二層的懸臂梁及質(zhì)量塊是動(dòng)極板，在加速度作用下質(zhì)量塊做慣性運(yùn)動(dòng)，動(dòng)極板上下移動(dòng)，使兩組電容的電容量發(fā)生變化。432433電容式微硅加速度傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)四、微硅加速度傳感器的使用方法1.校準(zhǔn)方法微硅加速度傳感器在出廠時(shí)，廠家會(huì)提供傳感器輸出性能表或輸出的數(shù)學(xué)表達(dá)式，但有效期一般為一年，超過該有效期需重新進(jìn)行校準(zhǔn)。因?yàn)槭褂靡欢螘r(shí)間后傳感器的靈敏度及其零點(diǎn)輸出會(huì)改變，所以在進(jìn)行測(cè)量工作之前要進(jìn)行校準(zhǔn)。常用的校準(zhǔn)方法有絕對(duì)法和相對(duì)法。434（1）絕對(duì)法將被校準(zhǔn)傳感器固定在校準(zhǔn)振動(dòng)臺(tái)上，用激光干涉測(cè)振儀直接測(cè)得振動(dòng)臺(tái)的振幅，使振動(dòng)臺(tái)的振動(dòng)值成為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量值，再測(cè)量被校準(zhǔn)傳感器的輸出值，從而確定被校準(zhǔn)傳感器的靈敏度。絕對(duì)法校準(zhǔn)精度較高，但因設(shè)備和技術(shù)比較復(fù)雜，故僅適合計(jì)量部門使用。435（2）相對(duì)法相對(duì)法又稱背靠背比較校準(zhǔn)法。將待校準(zhǔn)的傳感器和經(jīng)過國(guó)家計(jì)量部門嚴(yán)格校準(zhǔn)過的、精度等級(jí)較高的傳感器背靠背地安裝在振動(dòng)臺(tái)上，承受相同的振動(dòng)，用標(biāo)準(zhǔn)傳感器測(cè)得振動(dòng)臺(tái)的振動(dòng)值，作為被測(cè)傳感器的標(biāo)準(zhǔn)輸入值，再測(cè)量被測(cè)傳感器的輸出，就可以計(jì)算出該頻率點(diǎn)待校準(zhǔn)傳感器的靈敏度。4362.安裝方法振動(dòng)測(cè)量中，微硅加速度傳感器的安裝位置與方向?qū)τ跍y(cè)量精度特別重要。微硅加速度傳感器的安裝位置（測(cè)量點(diǎn)）不同，所得到的測(cè)定值會(huì)有較大差異。測(cè)量點(diǎn)的選擇首先要根據(jù)測(cè)量目的來確定，如測(cè)量齒輪箱振動(dòng)，可將測(cè)量點(diǎn)選在軸承座上，同時(shí)應(yīng)對(duì)各測(cè)量點(diǎn)做好標(biāo)記，以保證每次測(cè)定的部位不變。另外還要注意，測(cè)定部位的表面應(yīng)是光滑潔凈的，以避免臟污對(duì)振動(dòng)傳遞造成衰減。壓電式微硅加速度傳感器的安裝固定通常有如下幾種方式可供選擇，安裝示意圖如圖所示。437438壓電式微硅加速度傳感器的安裝示意圖a）鋼螺栓b）絕緣螺栓和云母墊圈c）磁鐵吸附d）膠合e）蠟和橡膠泥黏附f）手持探頭（1）螺栓安裝用于長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)振動(dòng)機(jī)械工作狀態(tài)時(shí)可以在被測(cè)工件表面鉆孔，然后用雙頭螺栓將傳感器牢固地固定在監(jiān)視點(diǎn)上。安裝前建議對(duì)工件表面進(jìn)行打磨，以配合經(jīng)過研磨處理的傳感器底面，保證安裝牢靠。（2）磁吸盤安裝短時(shí)間監(jiān)測(cè)中、低頻振動(dòng)時(shí)，可用磁吸盤將鋼質(zhì)傳感器底座吸附在監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量。這種安裝方式不破壞被測(cè)物體外形，傳感器安裝、移動(dòng)方便，在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用非常普遍。不足之處是會(huì)使傳感器的頻率響應(yīng)范圍有所降低，在進(jìn)行沖擊測(cè)量時(shí)要考慮所測(cè)高頻部分有無失真現(xiàn)象，對(duì)表面為銅、鋁等非鐵磁性物體進(jìn)行測(cè)量時(shí)也不適用。439（3）粘貼安裝當(dāng)被測(cè)物體不允許鉆孔且振動(dòng)微弱時(shí)，可以選用502瞬干膠、環(huán)氧樹脂膠、雙面膠帶等黏結(jié)劑將傳感器粘在監(jiān)測(cè)點(diǎn)工件表面。（4）云母片安裝當(dāng)被測(cè)物體的工作溫度較高（100℃左右），為使傳感器正常工作，需用厚度為0.02mm左右的云母片墊在測(cè)量點(diǎn)和傳感器之間，再采用螺栓安裝，從而有效地隔離高溫物體，同時(shí)測(cè)量頻率上限下降幅度也很小。（5）工裝安裝為適應(yīng)特殊場(chǎng)合的需要，有時(shí)需要自制一些傳感器安裝塊進(jìn)行安裝。4403.使用注意事項(xiàng)引起微硅加速度傳感器測(cè)量誤差的原因除去測(cè)量頻率外，還有環(huán)境影響及噪聲，因此使用時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)。（1）采取防護(hù)措施，減小環(huán)境影響造成的測(cè)量誤差。（2）注意消除噪聲和采取抗干擾措施。4414.測(cè)試系統(tǒng)標(biāo)定與測(cè)量結(jié)果分析選定了傳感器和調(diào)理電路后，需要將各部分連接起來，標(biāo)定測(cè)量系統(tǒng)靈敏度。要求不高的情況下可以在實(shí)驗(yàn)室利用加速度標(biāo)定儀進(jìn)行標(biāo)定。測(cè)量結(jié)果常表現(xiàn)為大量不連續(xù)的數(shù)據(jù)，需要檢測(cè)人員做進(jìn)一步分析。目前常用的振動(dòng)信號(hào)分析方法主要有時(shí)域法和頻率法兩種。442課題三沖擊傳感器443學(xué)習(xí)目標(biāo)

了解沖擊的概念及對(duì)沖擊傳感器的要求。

掌握壓電式?jīng)_擊傳感器、沖擊開關(guān)的結(jié)構(gòu)和原理。

熟悉影響沖擊傳感器測(cè)量的環(huán)境因素。

能正確選用壓電式?jīng)_擊傳感器。444知識(shí)引入物體自由落體墜落至地面，是日常生活中最常見的沖擊。沖擊會(huì)給系統(tǒng)（結(jié)構(gòu)、設(shè)備或人體）帶來一定的損傷和破壞，跌落或碰撞會(huì)造成對(duì)內(nèi)部元器件的巨大沖擊，縮短機(jī)電系統(tǒng)的使用壽命，生活中80%的電子產(chǎn)品是由于跌落或碰撞導(dǎo)致的損壞。跌落沖擊測(cè)試是電子產(chǎn)品在出廠前常做的可靠性試驗(yàn)之一，主要包括裸機(jī)跌落沖擊測(cè)試和包裝跌落沖擊測(cè)試。裸機(jī)跌落沖擊測(cè)試主要考量產(chǎn)品在正常使用過程中抗意外跌落沖擊的能力；包裝跌落沖擊測(cè)試考量包裝件在運(yùn)輸或搬運(yùn)過程中受到垂直跌落時(shí)對(duì)產(chǎn)品的保護(hù)能力。445通常電子產(chǎn)品在出廠前應(yīng)抽取一定數(shù)量的產(chǎn)品進(jìn)行跌落沖擊試驗(yàn)，以檢查其抗沖擊能力。446跌落沖擊試驗(yàn)設(shè)備知識(shí)講解一、沖擊的概念及對(duì)沖擊傳感器的要求沖擊實(shí)質(zhì)上是一種特殊的振動(dòng)現(xiàn)象，其特殊之處在于：加速度值可達(dá)1000~100000g，在短時(shí)間內(nèi)有很強(qiáng)的能量釋放，沖擊的振幅很大，并隨著時(shí)間的推移迅速衰減。衰減速度由振動(dòng)體的彈簧剛度和阻尼系數(shù)決定。日常生活中的沖擊很常見，如高空拋物，很小的物體包含巨大的能量；汽車在啟動(dòng)、制動(dòng)以及速度突然改變時(shí)都要受到?jīng)_擊；國(guó)家對(duì)某些特殊設(shè)備進(jìn)行強(qiáng)檢，壓力鍋爐、壓力容器等必須做沖擊試驗(yàn)檢驗(yàn)。447振動(dòng)測(cè)量中使用的傳感器并不是都可以用作沖擊傳感器，測(cè)量振動(dòng)速度、振動(dòng)位移的振動(dòng)傳感器一般不能用于沖擊測(cè)量。沖擊傳感器所要記錄的參數(shù)為沖擊過程中的加速度值，因其加速度值較大，傳感器的靈敏度不需要很大。常用的沖擊傳感器有壓電式?jīng)_擊傳感器、沖擊開關(guān)等。448二、壓電式?jīng)_擊傳感器1.壓電式?jīng)_擊傳感器的結(jié)構(gòu)壓電式?jīng)_擊傳感器基于壓電效應(yīng)工作，量程大，靈敏度相對(duì)較低，體積小，質(zhì)量輕，有的僅為0.6g，按測(cè)量方法可分為單軸和三軸結(jié)構(gòu)。圖所示為常見的壓電式?jīng)_擊傳感器。壓電式?jīng)_擊傳感器主要應(yīng)用于火箭分離、碰撞、爆炸等試驗(yàn)場(chǎng)合，可應(yīng)用在汽車制動(dòng)啟動(dòng)檢測(cè)、地震檢測(cè)、報(bào)警系統(tǒng)、智能玩具、環(huán)境監(jiān)視、工程測(cè)振、地質(zhì)勘探以及鐵路、橋梁、大壩的振動(dòng)測(cè)試與分析等方面。449450壓電式?jīng)_擊傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)按照敏感材料晶體片感受振動(dòng)的方式及安裝形式分為壓縮型、剪切型和撓曲型。常用的壓電式?jīng)_擊傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖所示，壓電元件受力方式如圖所示。451壓電式?jīng)_擊傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)a）壓縮型b）剪切型c）撓曲型1—基座2—壓電元件3—質(zhì)量塊4—彈簧片5—輸出端6—懸臂梁452壓電元件受力方式a）壓縮型b）剪切型c）撓曲型壓縮型結(jié)構(gòu)如圖a所示，壓電元件—質(zhì)量塊—彈簧系統(tǒng)裝在圓形中心支柱上，支柱與基座連接，屬于中心壓縮型，在本模塊課題一已經(jīng)進(jìn)行了詳細(xì)講解。這種結(jié)構(gòu)有較高的共振頻率，但測(cè)試對(duì)象和環(huán)境溫度變化將影響壓電元件的輸出特性，引起傳感器溫度漂移。剪切型結(jié)構(gòu)如圖b所示，它的基座向上延伸，如同一根圓柱，管式壓電元件（極化方向平行于軸線）套在這根圓柱上，環(huán)形質(zhì)量塊套在環(huán)形壓電元件上。撓曲型結(jié)構(gòu)如圖c所示，壓電元件粘貼在懸臂梁的側(cè)面，懸臂梁的自由端裝配質(zhì)量塊，固定端與基座連接。4532.壓電式?jīng)_擊傳感器的測(cè)量系統(tǒng)壓電式?jīng)_擊傳感器與二次儀表（電荷放大器）配套使用，組成測(cè)量系統(tǒng)，如圖所示。454壓電式?jīng)_擊傳感器的測(cè)量系統(tǒng)在測(cè)量時(shí)，隨著連接電纜長(zhǎng)度的增加，電纜的分布電容增大，絕緣漏電阻變小。如果采用的是電荷放大器，加大反饋電容可以使電纜對(duì)測(cè)量的影響得到緩解。但當(dāng)連接電纜很長(zhǎng)時(shí)，其影響就不可忽視了，而且電荷放大器的反饋電容并不能無限制增大。為了克服上述缺點(diǎn)，人們采用內(nèi)裝電荷放大器的方法，把電荷放大器裝在傳感器的殼體之中，以消除連接電纜的影響。4553.內(nèi)置電路沖擊傳感器在沖擊測(cè)量中，如測(cè)量飛機(jī)救生艙的彈射加速度時(shí)，對(duì)傳感器的要求非?？量?，要求傳感器結(jié)構(gòu)緊湊，測(cè)試系統(tǒng)簡(jiǎn)化，因此出現(xiàn)了集傳感器、阻抗變換器乃至數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)設(shè)備于一體的數(shù)字化集成電路傳感器。內(nèi)置的概念是將放大電路置于沖擊傳感器內(nèi)，成為具有電壓輸出功能的傳感元件。內(nèi)置電路沖擊傳感器可分為雙電源（四線）和單電源（二線、帶偏置，又稱ICP）兩種。456三、沖擊開關(guān)沖擊開關(guān)（又稱開關(guān)式加速度傳感器）作為沖擊傳感器的一種，主要用于一些安全裝置上作為開關(guān)器件或發(fā)火機(jī)構(gòu)，按結(jié)構(gòu)分為電子式?jīng)_擊開關(guān)和機(jī)械式?jīng)_擊開關(guān)兩種。電子式?jīng)_擊開關(guān)由沖擊傳感器、電荷放大器、濾波電路、比較器組成。在沖擊傳感器中加比較電路，當(dāng)沖擊高于閾值時(shí)，沖擊開關(guān)輸出為高或低電平，驅(qū)動(dòng)繼電器進(jìn)行開關(guān)控制。電子式?jīng)_擊開關(guān)可以用于沖擊過載保