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振動測試是動態(tài)測試的典型內(nèi)容之一,，一般包含以下三個方面的內(nèi)容,。

（1）振動系統(tǒng)振動參數(shù)的測試,，包括測量振動物體 上某點(diǎn)的位移,、振動速度,、振動加速度、效率和相位等參數(shù),，了解被測對象的振動狀態(tài),，評定等級和尋找振源，對設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測,、分析,、診斷和預(yù)測。

（2）振動系統(tǒng)特性參數(shù)的測試,。以某種激振力作用在被測對象上,，使它產(chǎn)生受迫振動，測量輸入（激勵）和輸出（被測對象振動響應(yīng)）,，從而確定被測對象的振動力學(xué)參數(shù)或動態(tài)性能,，如固有頻率、阻尼,、剛度,、頻率響應(yīng)和模態(tài)等參數(shù)。

（3）機(jī)械動力強(qiáng)度和模擬環(huán)境振動試驗,，即按規(guī)定的振動條件,，對設(shè)備進(jìn)行振動例行試驗，用以檢查設(shè)備的耐振壽命,、性能穩(wěn)定性以及設(shè)計,、制造、安裝的合理性,。

不同的振動測試系統(tǒng),，使用不同類型的振動加速度傳感器，如磁電式速度傳感器配用微積分放大器進(jìn)行測試,；壓電式加速度傳感器,，配用電荷放大器進(jìn)行振動參數(shù)測試。

本篇只介紹目前*常用的壓電式加速度傳感器與電荷放大器組成的振動測試系統(tǒng),。壓電式加速度傳感器的工作原理是基于壓電效應(yīng),。

二、壓電效應(yīng)與逆壓電效應(yīng)

某些電介質(zhì),，當(dāng)沿著一定方向?qū)ζ涫┝κ顾冃螘r,，其內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在它的表面上便產(chǎn)生符號相反的電荷,，當(dāng)外力去掉后，又重新恢復(fù)到不帶電狀態(tài),，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng),。當(dāng)作用力方向改變時,，電荷的極性也隨之改變。有時人們把這種機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的現(xiàn)象,，稱為“正壓電效應(yīng)”,。相反，當(dāng)在電介質(zhì)極化方向施加電場時,，這些電介質(zhì)也會產(chǎn)生變形,，這種現(xiàn)象稱為“逆壓電效應(yīng)”（電致伸縮放應(yīng)）。壓電材料能實現(xiàn)機(jī)電能量的相互轉(zhuǎn)換,。

晶體的壓電效應(yīng)可用圖1加以說明,。圖1（a）所示是晶體具有壓電效應(yīng)的示意圖。一些晶體不受外力作用時,，晶體的正負(fù)電荷中心相重合,，單位體積中的電矩（極化強(qiáng)度）等于零，晶體對外不呈現(xiàn)極性,。而在外力作用下晶體變形時,，正負(fù)電荷的中心發(fā)生分離，這時單位體積的電矩不再為零,，晶體表現(xiàn)出極性,。圖1（b）中，另外一些晶體由于具有中心對稱的結(jié)構(gòu),，無論外力如何作用,，晶體正負(fù)電荷的中心總是重合在一起，因此這些晶體不會出現(xiàn)壓電效應(yīng),。

圖1（a）具有壓電效應(yīng)的晶體

圖1（b）不具有壓電效應(yīng)的晶體

壓電材料可以分為兩大類：壓電晶體和壓電陶瓷,。壓電材料的主要特性參數(shù)如下。

① 壓電常數(shù),。它是衡量材料壓電效應(yīng)強(qiáng)弱的參數(shù),，直接關(guān)系到壓電輸出的靈敏度。

② 彈性常數(shù),。壓電材料的彈性常數(shù),、剛度決定著壓電器件的固有頻率相動態(tài)特性。

③ 介電常數(shù),。對于一定形狀,、尺寸的壓電元件，其固有電容與介電常數(shù)有關(guān),，而固有電容又影響著壓電傳感器的頻率下限,。

④ 機(jī)械耦合系數(shù)。在壓電效應(yīng)中,，其值等于轉(zhuǎn)換輸出能量（如電能）與輸入能量（如機(jī)械能）之比的平方根,，它是衡量壓電材料電能量轉(zhuǎn)換效率的一個重要參數(shù),。

⑤ 電阻。壓電材料的絕緣電阻將減少電荷泄漏,，從而改善壓電傳感器的低頻特性,。

⑥ 居里點(diǎn)。壓電材料開始喪失壓電特性的溫度,。

三,、壓電式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)與使用

壓電式加速度傳感器是基于某種晶體材料的壓電效應(yīng)而制成的慣性傳感器。傳感器受振時,，質(zhì)量塊加在壓電元件上的力隨之變化,，當(dāng)被測振動頻率遠(yuǎn)低于傳感器的固有頻率時，這個力的變化與被測振動的加速度成正比,。由于壓電效應(yīng).在壓電元件中便產(chǎn)生了與被測加速度成正比的電荷量,。

（1）壓電式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)

如圖2所示，壓電式加速度傳感器主要由壓電元件P,、質(zhì)量塊M,、壓緊彈簧S和基座B等組成。壓電式加速度傳感器形式較多,，圖（a）為外緣固定型,，其彈簧外緣固定在殼體上，此結(jié)構(gòu)因底座與殼體構(gòu)成了彈簧質(zhì)量系統(tǒng)的一部分,，故易受到外界溫度與噪聲的影響,，以及安裝緊固時底座變形引起的影響，這些都直接影響加速度的輸出,；圖（b）為中間固定型,，壓電元件、質(zhì)量塊和壓緊彈簧固定在一個中心桿上,，壓電元件的預(yù)緊力由中心桿上部的蝶形彈簧調(diào)整,，殼體僅起屏蔽作用，消除了殼體變形帶來的影響,；圖（c）為倒置中間固定型,，這種結(jié)構(gòu)的中心桿不直接與基座相連接，可以避免基座變形帶來的影響,，但其殼體壁部分也容易產(chǎn)生彈性變形,，故其共振頻率較低；圖（d）為剪切型,，它是將一個圓筒狀壓電元件粘結(jié)在中心架上,，并在壓電元件的外圓又粘結(jié)一個圓筒狀質(zhì)量塊，當(dāng)傳感器受到沿軸向的振動時,，壓電元件受到剪切應(yīng)力而產(chǎn)生電荷,，這種結(jié)構(gòu)有利于降低基座變形及外界溫度變化與噪聲的影響,，有很高的共振頻率和靈敏度,，且橫向靈敏度小,。

圖2 壓電式加速度傳感器結(jié)構(gòu)形式

（2）壓電式加速度傳感器的主要性能參數(shù)

① 靈敏度。壓電式加速度傳感器既可看成一個電荷源,，又可以看成一個電壓源,，故其靈敏度也可以分別用電荷靈敏度和電壓靈敏度來表示。電荷靈敏度是指單位加速度所產(chǎn)生的電荷量值大小,，可表示為：

式中

Sq——電荷靈敏度（Pc/g）,；

q——加速度傳感器輸出電荷（Pc）；

a——傳感器所受加速度（g為重力加速度本位）,。

電壓靈敏度是指單位加速度所產(chǎn)生的電壓量值大小,，可表示為

式中

Su——電壓靈敏度（mV/g）；

U——加速度傳感器輸出電壓（mV）,。

對于某一給定壓電材料的壓電式加速度傳感器,，其靈敏度隨質(zhì)量塊的增大而增大。一般說來,，加速度傳感器尺寸越大,，靈敏度越高，其固有頻率越低,。

② 頻率響應(yīng)范圍,。由慣性式加速度傳感器的響應(yīng)條件的分析可知，加速度傳感器的使用頻率上限取決于其共振頻率,。由于壓電式加速度傳感器的阻尼甚?。ㄒ话?xi; ≤0.1），上限頻率約為共振頻率的30%時,，幅值誤差可小于10%,；上限頻率約為共振頻率的20%時，幅值誤差可小于5%,；所以,，壓電式加速度傳感器的固有頻率越高，其可用的頻率范圍越寬,。質(zhì)量小的傳感器,，其固有頻率高，則高頻性能好,，但由于其靈敏度低,，故低頻性能差；質(zhì)量大的傳感器則相反,。振動測試時可根據(jù)實際測試要求選擇,。

壓電式加速度傳感器可測量的下限頻率不取決于傳感器本身,，而取決于所采用測量系統(tǒng)的低頻特性。壓電元件工作時產(chǎn)生的電荷量是極其微弱的,，而測量系統(tǒng)不可避免地要產(chǎn)生電荷泄漏,，從而造成測量誤差。關(guān)鍵是要測定這樣微弱的電荷（或電壓）,，以及如何把電荷泄漏減少到測量準(zhǔn)確度所要求的限度以內(nèi),。電壓放大器實際就是一個高輸入阻抗的比例放大器，其電路比較簡單,，但輸出受連接電纜對地電容的影響,，適用于一般振動測量。電荷放大器以電容作負(fù)反饋,，使用中基本上不受電纜電容的影響,，輸入阻抗也更高，其下限截止頻率更低,。一般電荷放大器可達(dá)到0.01Hz數(shù)量級,，*低的可達(dá)到準(zhǔn)靜態(tài)的程度。

圖3所示是某壓電式加速度傳感器的幅頻特性曲線,，其可用的頻率范圍在特性曲線平直段,。對于某些測試項目，如結(jié)構(gòu)傳遞函數(shù)的測量,、現(xiàn)場動平衡測試等,，不僅要求滿足幅值測量精度，而且要求相移也在容許范圍內(nèi),?？紤]相移后，使用頻率范圍要比只考慮幅值時更窄些,。

圖3 壓電式加速度傳感器幅頻特性曲線

③ 橫向靈敏度,。由于壓電材料本身的下均勻性與不規(guī)則性，所以當(dāng)壓電式加速度傳感器橫向受振時,，也會產(chǎn)生一定的輸出,，其大小用橫向靈敏度表示。一般規(guī)定,，橫向靈敏度不得大于主靈敏度的3%,。

（3）壓電式加速度傳感器的安裝

壓電式加速度傳感器的使用上限頻率受其共振頻率的限制，所以出廠時均給出頻率響應(yīng)曲線,。由于頻率響應(yīng)曲線與安裝方法關(guān)系很大,，所以若安裝方法不當(dāng)，如結(jié)合力不夠、組合面粗糙,、安裝螺釘孔與安裝面不垂直等,，都會使共振頻率下降，從而降低傳感器的使用上限頻率,。常用于固定加速度傳感器的安裝方法很多,，如圖4所示，用鋼制雙頭螺栓將傳感器固定于光潔平面上是*好的方法,，擰緊螺栓時,，應(yīng)防止基座變形而影響輸出,。在結(jié)合面之間涂一薄層硅脂,，可以增加安裝剛度，有利于高頻響應(yīng),。需要絕緣時,，可用絕緣螺栓和極薄的云母墊圈來固定傳感器。用粘接螺栓和粘接劑固定傳感器的方法也很方便,，其可測的上限頻率不得高于5kHz,。在低溫條件下可用一層薄蠟來黏附傳感器。用雙面膠紙?zhí)娲辰觿﹣砉潭▊鞲衅饕彩切兄行У霓k法,。手持探針測振的方法只能用于1kHz以下的近似探測,，多測點(diǎn)時比較方便。采用永J磁鐵來固定傳感器使用方便,，多在低頻測量中使用,。當(dāng)然，探針與磁鐵會形成附加質(zhì)量,，在輕小系統(tǒng)上測試時要注意其影響,。

圖4 加速度傳感器的固定方法

四、振動加速度測量系統(tǒng)的基本組成

（1）測振系統(tǒng)的組成

因為振動基本參數(shù)的測量其被測對象是振動的,，所以這類測試的振動傳感器可根據(jù)測試的要求安裝在被測對象測點(diǎn)上,。常用測振系統(tǒng)原理如圖5所示。

圖5 測振系統(tǒng)原理圖

對于壓電加速度傳感器,，工作受振后直接有電荷或電壓輸出,，但由于傳感器輸出的電信號均較微弱，所以為了能夠推動記錄設(shè)備,，必須對信號進(jìn)行放大,。測振放大器是測試系統(tǒng)中傳感器與記錄器的中間環(huán)節(jié)，其輸入特性必須滿足傳感器的要求,，而其輸出特性又必須與記錄儀器相匹配,。壓電式加速度傳感器，其輸出電信號必須進(jìn)行預(yù)放大再輸入放大器，因為壓電式加速度傳感器是一個能產(chǎn)生電荷的高內(nèi)阻發(fā)電元件,，但由于產(chǎn)生的電荷的總量級較小,，難以直接傳輸；同時,，一般測量儀器的輸入阻抗不可能很高,，此微弱電荷又極易在測量電路的輸入電阻上被釋放掉，所以要求連接壓電式加速度傳感器的測量或放大裝置（如電壓放大器或電荷放大器）必須有較高的輸入阻抗,，并且將壓電式加速度傳感器的高輸出阻抗變換為低輸出阻抗,，以便與主放大器連接。由于這類預(yù)放大裝置都是作為測量系統(tǒng)的前級放大,，故統(tǒng)稱為前置放大器,。測振放大器除了有放大作用外，常兼有積分,、微分和濾波等功能,。

根據(jù)振動測試的目的和要求，可以把經(jīng)過放大的電信號直接輸入指示記錄儀器,，將振動的時間歷程記錄顯示出來,；也可以把該信號先輸入到分析儀器進(jìn)行必要的參數(shù)統(tǒng)計分析，如頻譜分析,、相關(guān)分析及功率譜分析等,，然后再記錄顯示。

（2）測試系統(tǒng)與測試儀器的選擇

在振動加速度測試中合理選擇測振儀器與測試系統(tǒng)十分重要,，選擇不當(dāng)往往會得出錯誤的結(jié)果,。這里主要考慮以下幾個方面。

① 頻率范圍,。根據(jù)被測對象振動的頻率范圍確定各測試環(huán)節(jié)（振動傳感器,、前置放大器、主放大器及指示記錄儀器等）的頻率響應(yīng)特性,。選用加速度傳感器時,，傳感器固有頻率應(yīng)該是被測振動信號中*高頻率的3～5倍，其他各測試環(huán)節(jié)中,，不同的測試儀器其頻率響應(yīng)特性不同,，可以測量的頻率范圍也不一樣，選擇儀器時應(yīng)注意,。相位有要求的測試項目（如作虛實頻頻譜,、幅相圖、振型等測量）,，除了應(yīng)該注意傳感器的相頻特性外,，還要注意放大器，特別是帶微積分網(wǎng)絡(luò)的放大器的相頻特性和測試系統(tǒng)中所有其他儀器的相頻特性，因為所測得的激勵和響應(yīng)之間的相位已包括了測試系統(tǒng)中所有儀器的相移,。

② 振級大小和測試精度要求,。根據(jù)被測振動幅值的*大值和*小值確定各環(huán)節(jié)的動態(tài)范圍，并確定各環(huán)節(jié)及總的測試精度,；不能片面選用高靈敏度的儀器,，加速度傳感器靈敏度隨質(zhì)量塊的增大而增大。但是其固有頻率卻隨之降低,，這就意味著使用上限頻率的降低,，對試件而言附加質(zhì)量也增大了。此外,，儀器的靈敏度越高,，量程范圍也越小，抗*力越差,，選用時應(yīng)特別注意,。

③ 試件質(zhì)量與剛度大小。以此確定傳感器型式,、質(zhì)量及有關(guān)固定方法。

④ 測試環(huán)境,。如溫度,、濕度等，以此確定傳感器的裝配方法及系統(tǒng)接地等,。

此外,，還應(yīng)該考慮測試系統(tǒng)內(nèi)各個環(huán)節(jié)之間的配合關(guān)系，包括各環(huán)節(jié)間的阻抗匹配關(guān)系,、靈敏度匹配關(guān)系,、測試精度匹配關(guān)系等。

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