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節進行了技術分析和研究；由此提出在振動特性測量試驗改裝環節中需要注意的關鍵點，以便得出最真實的試驗數據。

【關鍵詞】振動 壓電式振動傳感器

振動是自然界最普遍的現象之一，大至宇宙小至原子粒子，無不存在振動現象。在工程技術領域中振動現象比比皆是，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，加劇結構件的疲勞和磨損，在航空領域中機體及結構件的振動會產生非常嚴重的后果，輕則會影響駕駛員的操作和舒適度重則會引起機體、結構件的斷裂甚至解體。

在飛機試飛階段為了驗證在飛機設計階段得出的飛機結構的固有頻率、固有振型、阻尼系數等數據的正確性，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節入手，分析影響振動測量的改裝因素并提出規范和措施。

1 振動參數分類及特性

振動傳感器是由彈簧、阻尼器及慣性質量塊組成的單自由振蕩系統。利用質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，必須了解有關背景知識，如傳感器的測試原理、構造和基本特性等方面。

一些介質在沿一定方向上施加機械壓力而產生變形時，其內部會產生極化現象，同時其表面產生電荷，當外力去掉以后，材料內部的電場和表面電荷也隨之消失，這種特性稱為壓電效應。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化為電能量輸出。

1.2 典型壓電式振動傳感器的基本構造

壓電式振動傳感器的典型結構如圖2所示。

壓電晶體被壓緊在質量塊和基體之間，當加速度計感受振動時，質量塊施加一個振動力于壓電晶體上，壓電晶體中產生可變電勢。通過適當的設計，可以保證在一定的頻率范圍內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

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

fo=fm

式中fm為質量Mm在彈簧K上的自然頻率。

根據振動理論：fm= 。

假設加速度計剛性安裝在比它重的多的結構上，此時Mm/Mb→0，fo→fm。從而得到加速度計的上限響應頻率為fm。

壓電式振動傳感器能夠精確地檢測寬范圍的動態加速度，因此可以用來測量瞬態沖擊過程外， 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態測量的場合，例如地球引力、慣性制導或諸如發動機加速度及制動等緩慢變化的瞬態過程。

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。從傳感器結構可知，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，一般電荷靈敏度每年下降小于1%。

壓電式振動傳感器實質上是固態器件，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。在傳感器內部，沒有調整部件，增加了傳感器的可靠性和可重復性，能夠用于極其惡劣的環境下。

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

相應標準規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，橫向靈敏軸應避開側向加速度最大的方向。

（2）傳感器安裝支架質量小，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構上，其接觸彈簧的自然頻率可按接觸彈簧靜態變形求得：

fm=

因傳感器的質量力一般很小，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。

若傳感器通過轉接支架安裝在被測結構上，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）安裝支架質量太大，其質量載荷改變了結構的原有振動，導致測量結果失真；如果是在較輕或較薄的結構上測振，這一影響不可忽視。

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

（4）螺栓擰緊不當，螺栓擰入基體太深，引起基體拱彎變形，從而產生額外的電輸出。擰緊力矩要適當，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鍵點

壓電式振動傳感器有金屬螺栓安裝、對地絕緣轉換螺栓連接、膠粘劑粘接和磁鐵轉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頻率，其它的安裝方式會降低響應頻率。

要做到數據結論準確，首先要正確使用和安裝傳感器。在設計振動傳感器支架、緊固件及實施安裝時應遵循以下幾點：

（1）了解所測參數的基本情況，如振動加速度的振幅、頻率范圍；

（2）了解傳感器的結構形式和特性，包括傳感器質量，自然頻率，安裝尺寸等；

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

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

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

（6）控制螺栓擰入深度及擰緊力矩，適當的擰緊力矩為1.8N·m。

3 結論

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

參考文獻

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

[2]壓電加速度計使用規范[S].秦皇島市協力科技有限公司，2011.

作者簡介

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

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

作者單位

中國飛行試驗研究院改裝部 陜西省西安市 710089