振动传感器的工作原理和特性

王进　田玉艳

摘 要通过分析振动特性测量活动中振动传感器的工作原理和特性，对振动特性测量的改装环节进行了技术分析和研究；由此提出在振动特性测量试验改装环节中需要注意的关键点，以便得出最真实的试验数据。

【关键词】振动 压电式振动传感器

振动是自然界最普遍的现象之一，大至宇宙小至原子粒子，无不存在振动现象。在工程技术领域中振动现象比比皆是，但在很多情况下振动是有害的，例如：振动降低加工精度和光洁度，加剧结构件的疲劳和磨损，在航空领域中机体及结构件的振动会产生非常严重的后果，轻则会影响驾驶员的操作和舒适度重则会引起机体、结构件的断裂甚至解体。

在飞机试飞阶段为了验证在飞机设计阶段得出的飞机结构的固有频率、固有振型、阻尼系数等数据的正确性，需要对飞机的振动特性进行测量、评估。本文从振动特性测量的改装环节入手，分析影响振动测量的改装因素并提出规范和措施。

1 振动参数分类及特性

振动传感器是由弹簧、阻尼器及惯性质量块组成的单自由振荡系统。利用质量块的惯性在惯性空间建立坐标，测定相对大地或惯性空间的振动加速度。它通过其中的换能元件，将机械振动转换为便于传递、变换、处理和储存的电信号。

振动传感器形式有很多种，常见的分类如图1所示。

1.1 压电式振动传感器的测试原理

压电式振动传感器是试验机振动测试常用的传感器之一。相应标准提出了振动加速度测量传感器改装要求，但是往往因为对其中的概念理解不透，造成一些不合理的安装方式，在一定程度上影响了测试精度。

要正确理解和贯彻标准要求，必须了解有关背景知识，如传感器的测试原理、构造和基本特性等方面。

一些介质在沿一定方向上施加机械压力而产生变形时，其内部会产生极化现象，同时其表面产生电荷，当外力去掉以后，材料内部的电场和表面电荷也随之消失，这种特性称为压电效应。压电式振动传感器是利用这一特性，把基体感受到的机械振动转化为电能量输出。

1.2 典型压电式振动传感器的基本构造

压电式振动传感器的典型结构如图2所示。

压电晶体被压紧在质量块和基体之间，当加速度计感受振动时，质量块施加一个振动力于压电晶体上，压电晶体中产生可变电势。通过适当的设计，可以保证在一定的频率范围内输入加速度与输出电势成比例。

1.3 压电式振动传感器的特性

1.3.1 频率响应

Mm是压在敏感元件上的质量块的质量；Mb是加速度计基体及壳体的质量；K是Mm与Mb间的系统的等效刚度。这一系统的自然频率为：

fo=fm

式中fm为质量Mm在弹簧K上的自然频率。

根据振动理论：fm= 。

假设加速度计刚性安装在比它重的多的结构上，此时Mm/Mb→0，fo→fm。从而得到加速度计的上限响应频率为fm。

压电式振动传感器能够精确地检测宽范围的动态加速度，因此可以用来测量瞬态冲击过程外， 还可用来测量正弦振动和随机振动。但是，压电式振动传感器不适用于稳态测量的场合，例如地球引力、惯性制导或诸如发动机加速度及制动等缓慢变化的瞬态过程。

1.3.2 灵敏度

加速度计的灵敏度定义为电输出与机械输入之比。从传感器结构可知，灵敏度是有方向性的。由于传感器的制造误差，其最大灵敏度方向与几何轴不一致，最大灵敏度矢量可分解成轴向灵敏度和横向灵敏度两部分。

真正代表压电式振动传感器灵敏度的是电荷灵敏度，它不受传感器内部电容变化和电缆长度变化的影响，只取决于压电材料的压电常数，一般电荷灵敏度每年下降小于1%。

压电式振动传感器实质上是固态器件，它们非常坚固和耐用，在误用的情况下一般也不会引起损坏。在传感器内部，没有调整部件，增加了传感器的可靠性和可重复性，能够用于极其恶劣的环境下。

2 压电式振动传感器的改装要求与测量精度

2.1 振动加速度测量传感器的改装要求

相应标准规定了振动加速度测量传感器的通用改装要求：

（1）传感器测量轴与被测轴线平行，横向灵敏轴应避开侧向加速度最大的方向。

（2）传感器安装支架质量小，刚度好，接触面接触弹簧的自然频率至少大于传感器自然频率的五倍。

（3）单极性传感器应与支架绝缘安装。

2.2 影响测量精度的因素

（1）安装刚度不足会降低响应频率及使用范围的上限，这一影响在高频测量中尤其显著。

标准规定“接触面接触弹簧的自然频率至少大于传感器自然频率的五倍”；这对传感器安装支架的刚度及安装面的接触刚度提出了很高的要求。若传感器直接安装在被测结构上，其接触弹簧的自然频率可按接触弹簧静态变形求得：

fm=

因传感器的质量力一般很小，而接触弹簧刚度趋于无穷大；因此变形δ极小，接触频率可以满足标准要求。

若传感器通过转接支架安装在被测结构上，则必须同时考虑支架刚度及两个接触面的接触刚度，并要在满足安装刚度要求的前提下尽量减小支架的质量。若传感器与支架绝缘安装，采用绝缘螺桩及云母垫片可以获得最大安装刚度。

（2）安装支架质量太大，其质量载荷改变了结构的原有振动，导致测量结果失真；如果是在较轻或较薄的结构上测振，这一影响不可忽视。

（3）安装方向偏离传感器的校准状态，传感器轴向灵敏度轴方向与要求的测量方向应尽可能一致，一旦偏离将导致轴向响应降低，而横向响应增大加速度计应当安装在平坦、干净的表面上，横向灵敏轴（在壳体上以红点标出）应避开侧向加速度最大的方向。

（4）螺栓拧紧不当，螺栓拧入基体太深，引起基体拱弯变形，从而产生额外的电输出。拧紧力矩要适当，过大会损坏螺纹，太小将影响安装刚度。

2.3 压电式振动传感器的典型安装方式和关键点

压电式振动传感器有金属螺栓安装、对地绝缘转换螺栓连接、胶粘剂粘接和磁铁转换吸盘连接四种安装方式，其中金属螺栓安装和胶粘剂粘接最为常见。利用钢制螺桩把传感器固定在抛光的金属面上，这种方式可以得到最高的响应频率，其它的安装方式会降低响应频率。

要做到数据结论准确，首先要正确使用和安装传感器。在设计振动传感器支架、紧固件及实施安装时应遵循以下几点：

（1）了解所测参数的基本情况，如振动加速度的振幅、频率范围；

（2）了解传感器的结构形式和特性，包括传感器质量，自然频率，安装尺寸等；

（3）根据被测结构的具体情况确定传器的安装方式，对低频测量应重点考虑附加质量对测量结果的影响；对高频测量则应保证安装刚度符合标准要求；

（4）传感器及转接支架的安装接触面应平整、光滑，以保证传感器安装精度和刚度；

（5）仔细调整传感器的安装方向。使轴向灵敏轴与所要测量方向一致，横向灵敏轴应避开侧向加速度最大的方向；

（6）控制螺栓拧入深度及拧紧力矩，适当的拧紧力矩为1.8N·m。

3 结论

为了得到最真实、可靠的被试数据，需要深度挖掘试验的各个环节；本文从改装环节剖析了一型振动传感器的相关特性并由此提出了改装关键点，以便能够更好、更真实的得出试验数据为被试对象提供数据支持。

参考文献

[1]闻邦椿，李以农，张义民，宋占伟著.振动利用工程[M].北京：科学出版社，2005（08）.

[2]压电加速度计使用规范[S].秦皇岛市协力科技有限公司，2011.

作者简介

王进（1980-），男，现为中国飞行试验研究院改装部工程师，从事试验机改装设计及人机功效设计工作。

田玉艳（1984-），女，现为中国飞行试验研究院改装部工程师，从事试验机改装设计工作。

作者单位

中国飞行试验研究院改装部 陕西省西安市 710089