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  • 发布时间:2020-04-26 19:20 | 作者:七娃 | 来源:体育网 | 浏览:
  • 一、振动参数测量的内容与振动测试系统的组成

    振动测试是动态测试的典型内容之一,一般包含以下三个方面的内容。

    (1)振动系统振动参数的测试,包括测量振动物体 上某点的位移、振动速度、振动加速度、效率和相位等参数,了解被测对象的振动状态,评定等级和寻找振源,对设备进行监测、分析、诊断和预测。

    (2)振动系统特性参数的测试。以某种激振力作用在被测对象上,使它产生受迫振动,测量输入(激励)和输出(被测对象振动响应),从而确定被测对象的振动力学参数或动态性能,如固有频率、阻尼、刚度、频率响应和模态等参数。

    (3)机械动力强度和模拟环境振动试验,即按规定的振动条件,对设备进行振动例行试验,用以检查设备的耐振寿命、性能稳定性以及设计、制造、安装的合理性。

    不同的振动测试系统,使用不同类型的振动加速度传感器,如磁电式速度传感器配用微积分放大器进行测试;压电式加速度传感器,配用电荷放大器进行振动参数测试。

    本篇只介绍目前最常用的压电式加速度传感器与电荷放大器组成的振动测试系统。压电式加速度传感器的工作原理是基于压电效应。

    二、压电效应与逆压电效应

    某些电介质,当沿着一定方向对其施力使它变形时,其内部就产生极化现象,同时在它的表面上便产生符号相反的电荷,当外力去掉后,又重新恢复到不带电状态,这种现象称为压电效应。当作用力方向改变时,电荷的极性也随之改变。有时人们把这种机械能转化为电能的现象,称为“正压电效应”。相反,当在电介质极化方向施加电场时,这些电介质也会产生变形,这种现象称为“逆压电效应”(电致伸缩放应)。压电材料能实现机电能量的相互转换。

    晶体的压电效应可用图1加以说明。图1(a)所示是晶体具有压电效应的示意图。一些晶体不受外力作用时,晶体的正负电荷中心相重合,单位体积中的电矩(极化强度)等于零,晶体对外不呈现极性。而在外力作用下晶体变形时,正负电荷的中心发生分离,这时单位体积的电矩不再为零,晶体表现出极性。图1(b)中,另外一些晶体由于具有中心对称的结构,无论外力如何作用,晶体正负电荷的中心总是重合在一起,因此这些晶体不会出现压电效应。

    图1(a)具有压电效应的晶体


    图1(b)不具有压电效应的晶体

    压电材料可以分为两大类:压电晶体和压电陶瓷。压电材料的主要特性参数如下。

    ① 压电常数。它是衡量材料压电效应强弱的参数,直接关系到压电输出的灵敏度。

    ② 弹性常数。压电材料的弹性常数、刚度决定着压电器件的固有频率相动态特性。

    ③ 介电常数。对于一定形状、尺寸的压电元件,其固有电容与介电常数有关,而固有电容又影响着压电传感器的频率下限。

    ④ 机械耦合系数。在压电效应中,其值等于转换输出能量(如电能)与输入能量(如机械能)之比的平方根,它是衡量压电材料电能量转换效率的一个重要参数。

    ⑤ 电阻。压电材料的绝缘电阻将减少电荷泄漏,从而改善压电传感器的低频特性。

    ⑥ 居里点。压电材料开始丧失压电特性的温度。

    三、压电式加速度传感器的结构与使用

    压电式加速度传感器是基于某种晶体材料的压电效应而制成的惯性传感器。传感器受振时,质量块加在压电元件上的力随之变化,当被测振动频率远低于传感器的固有频率时,这个力的变化与被测振动的加速度成正比。由于压电效应.在压电元件中便产生了与被测加速度成正比的电荷量。

    (1)压电式加速度传感器的结构

    如图2所示,压电式加速度传感器主要由压电元件P、质量块M、压紧弹簧S和基座B等组成。压电式加速度传感器形式较多,图(a)为外缘固定型,其弹簧外缘固定在壳体上,此结构因底座与壳体构成了弹簧质量系统的一部分,故易受到外界温度与噪声的影响,以及安装紧固时底座变形引起的影响,这些都直接影响加速度的输出;图(b)为中间固定型,压电元件、质量块和压紧弹簧固定在一个中心杆上,压电元件的预紧力由中心杆上部的蝶形弹簧调整,壳体仅起屏蔽作用,消除了壳体变形带来的影响;图(c)为倒置中间固定型,这种结构的中心杆不直接与基座相连接,可以避免基座变形带来的影响,但其壳体壁部分也容易产生弹性变形,故其共振频率较低;图(d)为剪切型,它是将一个圆筒状压电元件粘结在中心架上,并在压电元件的外圆又粘结一个圆筒状质量块,当传感器受到沿轴向的振动时,压电元件受到剪切应力而产生电荷,这种结构有利于降低基座变形及外界温度变化与噪声的影响,有很高的共振频率和灵敏度,且横向灵敏度小。

    图2 压电式加速度传感器结构形式

    (2)压电式加速度传感器的主要性能参数

    ① 灵敏度。压电式加速度传感器既可看成一个电荷源,又可以看成一个电压源,故其灵敏度也可以分别用电荷灵敏度和电压灵敏度来表示。电荷灵敏度是指单位加速度所产生的电荷量值大小,可表示为:

    式中

    Sq——电荷灵敏度(Pc/g);

    q——加速度传感器输出电荷(Pc);

    a——传感器所受加速度(g为重力加速度本位)。

    电压灵敏度是指单位加速度所产生的电压量值大小,可表示为

    式中

    Su——电压灵敏度(mV/g);

    U——加速度传感器输出电压(mV)。

    对于某一给定压电材料的压电式加速度传感器,其灵敏度随质量块的增大而增大。一般说来,加速度传感器尺寸越大,灵敏度越高,其固有频率越低。

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