無源伺服傳感器低頻振動測量中的噪聲及減小措施

摘 要：振動是工程技術和生產生活中常見的現象，現代工業對產品質量有著越來越高的要求，對各種制造設備提出了低振級、低噪聲、高抗振能力的要求。隨著電子技術和計算機技術的應用，現代振動測試技術已應用到各種物理現象的檢測、分析、預報和控制中。

關鍵詞：低頻振動；無源伺服傳感器

振動是工程技術和生產生活中常見的現象。工程上可以利用振動來進行破碎、夯實、輸送和加工等，振動也具有有害的一面；現代工業對產品質量有著越來越高的要求，對各種制造設備提出了低振級、低噪聲、高抗振能力的要求。振動測量的基本過程為：通過傳感器把振動體的運動轉換為電信號，這個電信號經過信號處理器對其進行放大、濾波、A/D轉換、線性補償等各種處理后，送給顯示部件、分析儀或計算機，處理后便得到功率譜、結構模態參數和頻率響應函數等有用的結果。

常用測振傳感器有三種：壓電式加速度傳感器、光纖傳感器和磁電式振動傳感器，在低頻振動測量中，由于壓電式傳感器和光纖傳感器的處理電路比較復雜，輸出信號非常微弱且噪聲大，信號提取困難等原因，工程上多采用磁電式傳感器。

一、無源伺服傳感器的結構

無源伺服傳感器是在磁電式傳感器的基礎結構上增加了無源反饋網絡，其結構原理圖如圖1所示：

圖中m為慣性質量塊，作為擺體運動部分；k為彈性支承元件；c為空氣阻尼部分，sN構成磁路系統；擺體上繞有兩個線圈，一個為主線圈，一個為標定線圈。測量時，傳感器剛性安裝在被測物體上，被測物體振動傳感器一起振動，傳感器內部的擺體也隨著運動，繞在擺體上的線圈切割磁力線產生感生電動勢，該感生電動勢與被測物的振動有確定的函數關系。無源伺服傳感器的擺體形式和控制方式按照特定控制，可選擇換能方式為速度換能、位移換能和加速度換能，例如北京科尚的KSI-151無源伺服低頻振動傳感器就具有四種檔位可選：1個加速度檔和3個速度檔，使用方便無需供電，無需調零，且采用全隔離絕緣密封、內部雙層電磁屏蔽、具有高抗干擾性。無源伺服傳感器頻率響應范圍寬，閥值小，可測量微小的振動，輸出阻抗較低，對傳輸設備無特殊要求可適應各種振動量測試領域。

無源伺服振動傳感器屬于低阻抗電壓輸出型傳感器，在低頻振動測量中輸出信號小，要求傳感器的固有頻率小，才具備符合要求的靈敏度，否則信號將淹沒在噪聲中；無源伺服振動傳感器采用無源反饋網絡，避免了有源校正引入電子噪聲的情況，可寫出傳感器的數學模型為：

式中，m為擺體質量；k為彈性元件彈性系數；b為機械阻尼系數；G為動圈的機電耦合系數；X為被測振動的運動位移；u為傳感器的輸出電壓；Rs為主線圈內阻；M為等效質量；B為等效阻尼；K為等效剛度。可以看出系統為三階系統，物理意義不明顯，若傳感器內作為信號源的主線圈內阻Rs為零，上式第二級系統就不復存在，所以主線圈內阻這個不理想因數的存在，勢必影響傳感器的頻率響應特性。另外傳感器剛性安裝，基座的電磁絕緣性能不理想，會帶來對地回路引起噪聲，傳感器與被測物體都要具備良好的應變特性，可減小其接觸面積降低應變對測量帶來的影響。

二、低頻振動測量中的噪聲與減小措施

無源伺服振動傳感器可直接輸出感生電動勢，這個感生電動勢正比于振動速度，如果要進一步獲得振動位移和振動加速度，需分別接入積分電路和微分電路，將速度信號轉換成與位移和加速度有關的電信號輸出。

為了減小噪聲，提高傳感器低頻響應，在傳感器的輸出端并聯一較大的補償電容，電容為儲能元件，效果相當于把機械振動系統中的振動質量增大，降低其固有頻率，雖然使得傳感器的輸出特性曲線在低頻段趨于平坦，卻降低了傳感器的靈敏度，而且大的電容，也使得其輸出在不同的溫度下性能不穩定；在電路中，為了滿足靈敏度和低頻響應的要求，往往設有放大器，選擇的運放增益不宜過大，否則系統容易出現過沖現象，影響系統的穩定性和截止頻率；實際被測物體振動并不是都是周期性正弦規律的振動，要準確測出，希望測量電路能對振動的所有頻率分量都有相同的反應能力，為了擴展電路特別是放大電路的低頻范圍，還可以在電路中增加反饋補償環節，適當選擇反饋形式和補償環節的參數，可使系統達到給定的性能指標；在振動測量現場，環境是復雜的，溫度、電磁干擾的存在可使得測量系統的輸出產生嚴重的失真，數字式測量系統中也可用數字濾波器實現，數字濾波器參數設置十分靈活，易于在計算機中實現，但要注意將模擬信號轉換成數字量時，動態范圍受A/D轉換器的限制，避免過于微弱的信號淹沒在量化誤差中。

參考文獻

[1] 吳天行，華宏星.機械振動[M].清華大學出版社，2014.

[2] 匙慶磊.無源伺服反饋多輸出低頻振動傳感器[J].儀器儀表學報，20017，38（01）.

作者簡介：廖先碧（1972- ），四川遂寧人，講師，研究方向：檢測技術、物理教育。