摘要： 振動(dòng)會(huì)對(duì)機(jī)器和設(shè)備帶來(lái)各種破壞， 特別是會(huì)對(duì)人體造成嚴(yán)重的危害。 正確合理地選擇傳感器對(duì)測(cè)試振動(dòng)尤為重要。本文介紹了振動(dòng)測(cè)試傳感器的分類、選擇、布置和使用中的注意事項(xiàng)。

　　關(guān)鍵詞：振動(dòng)測(cè)試；傳感器；選擇；使用

　　0  引言

　　振動(dòng)是自然界中廣泛存在的現(xiàn)象， 是一種伴隨人類社會(huì)生活較普遍的自然現(xiàn)象。 機(jī)器、建筑物、橋梁等經(jīng)常處在外界或內(nèi)在的激勵(lì)之下，都不可避免地要發(fā)生各種各樣的振動(dòng)。嚴(yán)重的振動(dòng)，會(huì)對(duì)機(jī)器和設(shè)備帶來(lái)各種破壞，特別是會(huì)對(duì)人體造成嚴(yán)重的危害。各種運(yùn)載工具以及機(jī)械裝置都可使人處于振動(dòng)環(huán)境之中，影響人的舒適性、工作效率以及人的健康和安全。例如當(dāng)車輛的隨機(jī)振動(dòng)頻帶在 30Hz 左右時(shí)，人的腹腔將發(fā)生共振，因而要嘔吐。當(dāng)頻帶在 300-400Hz 時(shí)，人的腦腔將發(fā)生共振，使人頭昏。振動(dòng)又是噪音的主要來(lái)源，強(qiáng)噪音造成環(huán)境污染， 使人不能正常工作， 并造成各種職業(yè)病或污染性病害， 危及人類健康。

　　因此要控制振動(dòng)、消除和避免振動(dòng)的危害，或在某些場(chǎng)合利用振動(dòng)，就必須掌握振動(dòng)的規(guī)律與特性，對(duì)振動(dòng)進(jìn)行測(cè)試，而正確合理地選擇振動(dòng)測(cè)試中的傳感器尤為重要。

　　1 　振動(dòng)測(cè)試傳感器的分類

　　按所測(cè)運(yùn)動(dòng)量可分為位移計(jì)、速度計(jì)、加速度計(jì)和加加速度計(jì)(即加速度隨時(shí)間的變化率)。其中加加速度計(jì)可用加速度計(jì)加微分電路構(gòu)成，為避免見(jiàn)微分電路的噪聲放大作用，現(xiàn)在已有用反饋原理的零平衡式加加速度計(jì)，在輸出加加速度信號(hào)同時(shí)還可輸出加速度。由于有源微積分器價(jià)格下降，選擇哪種運(yùn)動(dòng)量傳感器已不是大問(wèn)題。但除了注意信噪比等問(wèn)題外，一般還盡量做到測(cè)什么運(yùn)動(dòng)量用什么傳感器，以避免微積分電路帶來(lái)的噪聲和相移等誤差。

　　按力學(xué)原理可分為直接式和慣性式。直接式以固定在地面的定參考系或運(yùn)動(dòng)的動(dòng)參考系作為基準(zhǔn)來(lái)測(cè)量絕對(duì)運(yùn)動(dòng)或相對(duì)運(yùn)功的傳感器，通常用于測(cè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)。慣性式傳感器為一單自由度系統(tǒng)，質(zhì)量相對(duì)于底座的相對(duì)運(yùn)動(dòng)正比于底座（即試件)的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)。

　　按換能原理可分為機(jī)械式、機(jī)電式和光學(xué)式等，其中機(jī)電式最常用．它又可細(xì)分為壓電加速度計(jì)，壓阻加速度汁、應(yīng)變計(jì)加速度計(jì)、變阻式傳感器、靜電(電容)式傳感器、箔式應(yīng)變計(jì)、變磁阻式傳感器、磁致伸縮式傳感器、運(yùn)動(dòng)導(dǎo)體式傳感器、動(dòng)圈式傳感器、感應(yīng)式傳感器和電子式傳感器等。

　　傳感器中壓電加速度計(jì)和壓阻加速度計(jì)最常用，前者下限頻率在 0.1Hz 以上，而后者可測(cè)到零頻，目前內(nèi)裝集成電路的壓電加速度計(jì)也已普及，其輸出為低阻抗。兩者的具體性能比較見(jiàn)表 1。

　　表 1  壓電式和壓阻式的性能比較

　　2 　傳感器的選擇

　　傳感器的選擇除考慮測(cè)量哪種運(yùn)動(dòng)量外，還要注意以下幾點(diǎn)：

　1）為避免對(duì)試件增加質(zhì)量負(fù)載，改變?cè)嚰��?dòng)態(tài)特性，對(duì)塊狀試件，接觸式傳感器質(zhì)量應(yīng)小于試件有效質(zhì)量的十分之一； 對(duì)薄板狀試件， 傳感器質(zhì)量影響較嚴(yán)重且計(jì)算較繁瑣。非接觸式傳感器無(wú)此缺點(diǎn)，但其靈敏度常隨初始安裝間隙的變化而變化，調(diào)節(jié)間隙比較麻煩，此外它要有靜止的安裝架，但非接觸式可測(cè)旋轉(zhuǎn)物體的振動(dòng)。

　　2)測(cè)試前要大致估計(jì)被測(cè)量的頻率范圍， 并檢查它是否落在傳感器幅頻曲線的工作頻帶(曲線的平直段)內(nèi)。 圖 1 和圖 2 為無(wú)阻尼加速度計(jì)(壓電加速度計(jì)阻尼比約為 0.01-O.04，可視為無(wú)阻尼)的幅頻曲線， 由圖中可知如傳感器固有頻率 fn=1OkHz， 試件振動(dòng)頻率 f=3kHz，則靈敏度變化約為 10％。

　　　圖 1 無(wú)阻尼加速度計(jì)幅頻曲線  　　　　　　　圖 2 無(wú)阻尼加速度計(jì)幅頻曲線
　　　　　(f=1kHz～10kHz)   　　　　　　　　　　　　　(f=1kHz～100kHz)

　　3)傳感器的相移是否滿足要求

　　測(cè)量由多種頻率成份組成的復(fù)雜波形時(shí)必須選擇相移與頻率成線性關(guān)系(相頻曲線為過(guò)原點(diǎn)的斜直線)的傳感器，否則將產(chǎn)生輸出波形失真。圖 3 為加速度計(jì)相頻曲線。圖中可見(jiàn)當(dāng)阻尼比ξ=0 或ξ=0.7 時(shí)，相頻關(guān)系為線性。

　　圖 3 加速度計(jì)相頻曲線

　　4)估計(jì)被測(cè)系統(tǒng)可能產(chǎn)生的最大振動(dòng)量級(jí)， 并檢查它是否超過(guò)所采用傳感器額定最大沖擊值的三分之一。一般說(shuō)來(lái)，低靈敏度傳感器可用于高振動(dòng)量級(jí)振動(dòng)，反之低量級(jí)振動(dòng)應(yīng)采用高靈敏度傳感器以提高信噪比。

　　5)估計(jì)工作環(huán)境，如溫度、瞬變溫度、磁場(chǎng)、聲場(chǎng)等，并檢查所采用的傳感器是否能滿足要求。大多數(shù)壓電加速度計(jì)可在 260℃以下工作，溫度超過(guò) 260℃要采用特殊設(shè)計(jì)的傳感器(可達(dá)到 500℃)或采取冷卻措施。

　　6)估計(jì)試件所測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)方向以便安裝時(shí)使傳感器軸線與其重合， 如因條件所限無(wú)法做到時(shí)應(yīng)注意傳感器測(cè)出的只是試件振動(dòng)在傳感器軸向上的分量，并應(yīng)采用橫向靈敏度小的傳感器以減少測(cè)量誤差，必要時(shí)可采用三向傳感器進(jìn)行測(cè)量。


　　3 　傳感器的最優(yōu)布置方案

　　由于測(cè)試設(shè)備數(shù)量有限和某些結(jié)構(gòu)形狀、 尺寸的限制， 在試件上能安裝的傳感器數(shù)量往往不能滿足要求,如何將有限的傳感器布置在最優(yōu)位置在測(cè)試工作中至關(guān)重要。

　　3.1 傳感器布置的基本原則

　　1)被測(cè)物體的振動(dòng)越不均勻(振型越復(fù)雜)， 則所需標(biāo)尺刻度越小， 所需的傳感器也就越多，以梁為例，可用公式表示為：

　　n≥ cl/λ     (1)

　　式中，n 為傳感器數(shù)量，n 為整數(shù)；λ 為被測(cè)物體振動(dòng)的不均勻度，即平均標(biāo)尺刻度(m 或cm)；l 為梁的長(zhǎng)度(m 或 cm)；c 為大于 l 的常數(shù)。

　　2)根據(jù)所布置的傳感器測(cè)得的振型矩陣，其行列式應(yīng)不為零，即：

　　det[Ф ]≠0  （2）

　　式中，Ф為振型矩陣(n×n 方陣)。

　　3)由式(2)和矩陣的良態(tài)、病態(tài)概念可知傳感器布置的一個(gè)準(zhǔn)則為：

　　∣detФ ∣→max  　�。�3）

　　這個(gè)準(zhǔn)則有缺陷，用不同方法對(duì)矩陣進(jìn)行歸一化后其行列式大小不等，故式（3）無(wú)精確意義。

　　3.2 最優(yōu)布置的條件數(shù)準(zhǔn)則

　　我們改用條件數(shù)以避免上述缺陷，常用條件數(shù)有：圖林（Turing）第一條件數(shù) CⅠ[Ф]和第二條件數(shù) CⅡ[Ф] ，托德（Todd）第一條件數(shù)（Ф是對(duì)稱方陣）CⅢ[Ф] 和第二條件數(shù)（Ф是不對(duì)稱方陣或非方陣）CⅣ[Ф] 。條件數(shù)準(zhǔn)則為：

　　C（Φ）→min   　　(4)

　　3.3 最優(yōu)布置的偽逆法準(zhǔn)則

　　下面介紹另一種傳感器布置優(yōu)化方法，它由非方陣的偽逆法得出。
由振動(dòng)理論得：

　　X=ΦY   　　　　（5）

　　式中， X為加速度矢量（l×1） ； Φ 為振型矩陣（l×n） ；Y為模態(tài)加速度矢量（n×1） 。對(duì) Ф求偽逆后可得：

　　Y=Φ+X 　　　�。�6）

　　將式（5）代入式（6）后得

　　Y≈Φ+Y  　　　　（7）

　　上式采用近似符號(hào)是因?yàn)?l 可能小于 n (測(cè)點(diǎn)數(shù)少于自由度數(shù))。當(dāng) Ф+Ф十分接近于單位陣時(shí)，所選的傳感器布置方案較好。本準(zhǔn)則比較簡(jiǎn)單，但精度不如條件數(shù)準(zhǔn)則高。

　　3.4 二維各向同性隨機(jī)場(chǎng)的傳感器布置

　　由乃奎斯特定理可知，如傳感器的間隔為ΔL，則有下列公式：

　　Kmax=1/2ΔL=1/λmin  　(8)

　　式中，Kmax 為最大截?cái)嗖〝?shù)；λmin 為最小可分辨波長(zhǎng)。實(shí)踐中建議ΔL 的選擇應(yīng)保證在被測(cè)場(chǎng)的最大波數(shù)或最小波長(zhǎng)上至少有 2.5 個(gè)傳感器。

　　4 　傳感器最優(yōu)位置的事后選擇

　　在初次測(cè)量時(shí)由于對(duì)振動(dòng)情況缺乏先驗(yàn)知識(shí)，也有可能布置傳感器的數(shù)量時(shí)超過(guò)了獲
取信息所需的數(shù)量。測(cè)量后可對(duì)取得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析找出最佳位置以便作以后測(cè)量時(shí)取舍
的準(zhǔn)則。

　　5 　傳感器使用時(shí)的注意事項(xiàng)

　　1）傳感器應(yīng)安裝在能反映結(jié)構(gòu)整體動(dòng)態(tài)特性位置上，而不要裝在可能產(chǎn)生局部共振的部件上(例如汽車的擋泥板)，當(dāng)然如想測(cè)量的就是局部共振(如機(jī)床的主軸)另作別論。

　　2)傳感器應(yīng)直接裝在被測(cè)系統(tǒng)上而不要另用支架或中間連接件，如不得不采用時(shí)，則支架應(yīng)盡量剛硬，其最低階共振頻率應(yīng)為被測(cè)上限頻率的 5～10 倍。

　　3）傳感器的固定方式以壓電加速度計(jì)為例有：

　　a.用鋼螺栓：這種固定方式頻響特性最好，為增加接觸剛度以躲開接觸共振，除安裝面要平整光潔外還可涂一薄層硅脂。鋼螺栓不要完全擰入壓電加速度計(jì)基座螺孔，以免基座彎曲產(chǎn)生附加電荷。安裝力矩不要過(guò)大，M5 螺栓約用 176N·cm，M3 螺栓約用 58N·cm。

　　b.用絕緣螺栓：為避免多點(diǎn)接地產(chǎn)生接地回路噪聲可用絕緣螺栓和薄云母墊圈。注意絕緣螺栓所受扭轉(zhuǎn)力矩大于 350N·cm 后將損壞。

　　c.用永久磁鐵座：要頻繁移動(dòng)傳感器將壓電加速度計(jì)裝在磁鐵座上，其缺點(diǎn)為磁鐵座的附加質(zhì)量較大， 最大加速度不能超過(guò) 200g， 在環(huán)境溫度達(dá) 150℃時(shí)只能短時(shí)間使用。

　　d.用粘接劑：小型傳感器可用粘接劑如 502 膠粘在試件上，也可先將傳感器用螺紋連接在平頭螺栓上，再將螺栓粘在試件上。

　　e.用薄蠟粘：可用蜂蠟將傳感器粘在試件上，其頻響特性很好，但隨溫度升高特性將急劇惡化。

　　f.用手持： 傳感器擰上圓頭或尖頭的探針后用于手持測(cè)振， 其可測(cè)上限頻率小于 1kHz。

　　　　圖 4 為各種同定方式　　　　　　　　　　　　圖 5 為其頻響曲線

　　4)壓電加速度計(jì)的電纜噪聲

　　壓電加速度計(jì)電纜在使用時(shí)由于張緊、彎曲等機(jī)械運(yùn)動(dòng)會(huì)引起電容、電荷變化產(chǎn)生噪
聲，在低頻段尤其明顯．解決辦法除采用低噪聲電纜外還應(yīng)盡可能固定電纜。

　　6 　結(jié)束語(yǔ)

　　利用振動(dòng)測(cè)試手段對(duì)運(yùn)行設(shè)備進(jìn)行在線的狀態(tài)監(jiān)測(cè)是保證機(jī)組安全、及時(shí)消滅隱患的重要措施之一。但由于環(huán)境復(fù)雜，早期故障（如微小裂紋）造成的振動(dòng)參數(shù)變化又十分微小，因此對(duì)測(cè)試用傳感器提出了較高的要求，除考慮振動(dòng)測(cè)試的運(yùn)動(dòng)量外，還要考慮傳感器本身的技術(shù)指標(biāo)，有較高的靈敏度，能抗各種電、磁、聲或輻射干擾，能在嚴(yán)酷環(huán)境中長(zhǎng)期工作，最后還要注意采用合適的安裝方式。（作者：趙圣占，畢文輝）

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