《模態(tài)分析與綜合技術(shù)》05信號(hào)測(cè)量分析與處理-01第7章信號(hào)測(cè)量續(xù)

第7章信號(hào)測(cè)量7.6測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量系統(tǒng)負(fù)責(zé)將被測(cè)機(jī)械量采集下來(lái)，轉(zhuǎn)換成某種電信號(hào)，經(jīng)前置放大和微積分變換，變成可供分析儀器使用的與機(jī)械量對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)或數(shù)字信號(hào)。測(cè)量系統(tǒng)由傳感器及其配套測(cè)量電路組成，如圖所示。第7章信號(hào)測(cè)量7.6測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量系統(tǒng)是整個(gè)動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)的基本環(huán)節(jié)之一，直接關(guān)系到試驗(yàn)的成敗和精度。選擇測(cè)量系統(tǒng)要考慮試驗(yàn)要求的頻率范圍、幅值量級(jí)、測(cè)量參數(shù)(位移、速度、加速度、力、應(yīng)變等)及試驗(yàn)環(huán)境、測(cè)試條件等多種因素。測(cè)量系統(tǒng)中傳感器是非常重要的一環(huán)。傳感器有很多種分類(lèi)方法，如根據(jù)與被測(cè)結(jié)構(gòu)的接觸方式不同，分為：接觸式和非接觸式兩種；根據(jù)測(cè)試信號(hào)不同，分為力、響應(yīng)傳感器；根據(jù)傳感器換能方式不同，分為壓電、渦流等。

第7章信號(hào)測(cè)量7.6測(cè)量系統(tǒng)模態(tài)實(shí)驗(yàn)中常用壓電式力傳感器和壓電式加速度傳感器，屬于接觸式傳感器，與之配套的測(cè)量放大器是電荷放大器。第7章信號(hào)測(cè)量7.7傳感器

1引言人們?yōu)榱藦耐饨绔@取信息如溫度、氣味等，必須借助感覺(jué)器官。而單靠感官，在研究自然現(xiàn)象或規(guī)律時(shí)其功能及精確度就遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。此時(shí)需要借助傳感器（能夠感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置），可以認(rèn)為傳感器是人類(lèi)五官的延長(zhǎng)（電五官）。傳感器的定義包含以下幾方面的意思：

傳感器是測(cè)量裝置，能完成檢測(cè)任務(wù)；

第7章信號(hào)測(cè)量7.7傳感器

輸入量是某一被測(cè)量；輸出量是某種物理量（電物理量），這種量要便于傳輸、轉(zhuǎn)換、顯示和處理；

輸入與輸出有特定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。在利用信息的過(guò)程中，首先要解決的就是要獲取準(zhǔn)確可靠的信息，而傳感器是獲取自然和生產(chǎn)領(lǐng)域中信息的主要的途徑和手段。

1引言第7章信號(hào)測(cè)量7.7傳感器在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，要用各種傳感器來(lái)監(jiān)視和控制生產(chǎn)過(guò)程中的各個(gè)參數(shù)，使設(shè)備工作在正常狀態(tài)或最佳狀態(tài)。在實(shí)驗(yàn)室和基礎(chǔ)學(xué)科實(shí)驗(yàn)研究中，傳感器更具有突出的地位?？茖W(xué)技術(shù)的發(fā)展，使傳感器進(jìn)入了很多新的領(lǐng)域：觀察宇宙（哈勃太空望遠(yuǎn)鏡：15億光年）；粒子世界；超正常狀態(tài)等。1引言第7章信號(hào)測(cè)量7.7傳感器傳感器通常由敏感元件（直接感受被測(cè)量，并輸出與被測(cè)量成確定關(guān)系的某一物理量的元件）、轉(zhuǎn)換元件（將敏感元件的輸出作為輸入，它將輸入轉(zhuǎn)換成電路參量）、基本轉(zhuǎn)換電路（對(duì)轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換成的電路參量轉(zhuǎn)換成電量輸出）三部分組成。組成框圖如下：1引言敏感元件轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換電路被測(cè)量電量第7章信號(hào)測(cè)量7.7傳感器有些傳感器很簡(jiǎn)單，最簡(jiǎn)單的傳感器就由一個(gè)敏感元件組成，如溫度計(jì)、熱電偶。再有些傳感器，如壓電式的加速度傳感器由敏感元件（質(zhì)量塊）和轉(zhuǎn)換元件（壓電晶體）組成。因壓電晶體的輸出已經(jīng)是電量，故無(wú)需轉(zhuǎn)換電路。而有些傳感器的轉(zhuǎn)換元件不只一個(gè)，要經(jīng)過(guò)若干次轉(zhuǎn)換。1引言第7章信號(hào)測(cè)量7.7傳感器傳感器的特性主要是輸入與輸出之間的關(guān)系。另外還有使用條件、使用環(huán)境、使用要求等有關(guān)的特性。下面主要介紹傳感器的靜特性（被測(cè)量處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的輸出輸入關(guān)系）：

線性度傳感器的輸出輸入關(guān)系或多或少地存在非線性問(wèn)題。2傳感器特性第7章信號(hào)測(cè)量7.7傳感器在不考慮遲滯、蠕變、不穩(wěn)定性等因素的情況下，其輸入輸出可用下列多項(xiàng)式表示：

2傳感器特性式中：

y-輸出量；

x-輸入量；

a0-零點(diǎn)輸出；

a1-理論靈敏度；

a2，…非線性項(xiàng)系數(shù)。

線性度第7章信號(hào)測(cè)量7.7傳感器特性曲線可實(shí)際測(cè)試獲得，在獲得特性曲線之后，可以說(shuō)問(wèn)題已經(jīng)得到解決。但是為了標(biāo)定和數(shù)據(jù)處理的方便，希望得到線性關(guān)系。一般在非線性不太大的情況下，總是采用直線擬合的辦法來(lái)線性化。目前常用的擬合方法有：理論擬合；過(guò)零旋轉(zhuǎn)擬合；端點(diǎn)連線擬合；端點(diǎn)連線平移擬合；最小二乘擬合等。2傳感器特性

線性度第7章信號(hào)測(cè)量7.7傳感器最簡(jiǎn)單常用的是理論擬合：2傳感器特性

線性度第7章信號(hào)測(cè)量7.7傳感器2傳感器特性設(shè)傳感器滿量程的輸出量為Um,則傳感器的線性度為：

線性度線性度應(yīng)愈小愈好。線性范圍：在誤差范圍內(nèi)，傳感器的測(cè)量振動(dòng)量范圍。最低可測(cè)振動(dòng)幅值取決于傳感器的分辨率，最高可測(cè)振動(dòng)幅值取決于傳感器的結(jié)構(gòu)特性。

頻率范圍：在允許的誤差范圍可測(cè)量頻率。第7章信號(hào)測(cè)量7.7傳感器

遲滯特性2傳感器特性傳感器在正（輸入量增大）反（輸入量減少）行程中輸出輸入曲線不重合，稱(chēng)為遲滯。遲滯特性曲線由試驗(yàn)測(cè)得，如圖所示：第7章信號(hào)測(cè)量7.7傳感器

可重復(fù)性2傳感器特性

可重復(fù)性是指?jìng)鞲衅髟谳斎氚赐环较蜻B續(xù)多次變動(dòng)時(shí)所得特性曲線一致性的程度。第7章信號(hào)測(cè)量7.7傳感器

靈敏度2傳感器特性傳感器輸出的變化量Dy與引起該變化量的輸入變化量Dx之比即為其靜態(tài)靈敏度。如測(cè)振傳感器，其靈敏度是指輸出的電量（如電壓）與其所感受的機(jī)械量（如振幅、速度、加速度）變化量之比。其實(shí)傳感器輸出曲線的斜率就是其靈敏度。第7章信號(hào)測(cè)量7.7傳感器

靈敏度2傳感器特性如測(cè)振傳感器，其設(shè)輸入的振動(dòng)為：輸出的電壓信號(hào)為：式中j為輸出信號(hào)u與被測(cè)振動(dòng)量x的相位滯后，稱(chēng)之為相移。則其靈敏度為：第7章信號(hào)測(cè)量7.7傳感器

靈敏度2傳感器特性與靈敏度有直接關(guān)系的是分辨率（分辨力）

。分辨率是指輸出的電量的變化量Du可以辨認(rèn)時(shí)，輸出振動(dòng)量的最小變化量Dx（指?jìng)鞲衅髂軝z測(cè)到的最小的輸入增量）。Dx越小表明分辨率越高。有些傳感器，當(dāng)輸入量連續(xù)變化時(shí)，輸出量只作階梯變化，則分辨力就是輸出量的每個(gè)“階梯”所代表的輸入量的大小。

第7章信號(hào)測(cè)量7.7傳感器

靈敏度2傳感器特性顯然，靈敏度越高，則分辨率則越高。因此，為了測(cè)量微小的幅值變化，要求傳感器有較高的靈敏度或分辨率。但注意，確定靈敏度時(shí)應(yīng)考慮在該靈敏度下的信躁比，片面追求靈敏度，將會(huì)造成信躁比的下降。傳感器的靈敏度應(yīng)是常量（線性度）。第7章信號(hào)測(cè)量7.7傳感器

穩(wěn)定性2傳感器特性穩(wěn)定性是指?jìng)鞲衅髟陂L(zhǎng)時(shí)間工作的情況下輸出量變化的情況，也稱(chēng)為長(zhǎng)時(shí)間工作穩(wěn)定性或零點(diǎn)漂移。傳感器對(duì)于外界干擾抵抗能力的大小，如振動(dòng)、電磁、沖擊、潮濕等，稱(chēng)為抗干擾穩(wěn)定性。第7章信號(hào)測(cè)量7.7傳感器

3壓電式傳感器某些晶體材料（例如天然石英晶體和人工極化陶瓷等）在承受一定方向的外力或變形時(shí)，其晶面或極化面上會(huì)產(chǎn)生電荷，這種現(xiàn)象稱(chēng)為壓電效應(yīng)。利用這種原理制成的傳感器稱(chēng)為壓電式傳感器（力、響應(yīng)）。壓電式傳感器的關(guān)鍵元件是壓電晶體，利用壓電晶體的壓電效應(yīng)，將機(jī)械量(力、加速度)轉(zhuǎn)換為電荷量，經(jīng)電荷放大器放大并以電壓量輸出。第7章信號(hào)測(cè)量7.7傳感器3壓電式傳感器壓電式傳感器結(jié)構(gòu)原理圖：xmMbakqxrPca第7章信號(hào)測(cè)量7.7傳感器3壓電式傳感器慣性式接受電荷放大器壓電式變換動(dòng)壓力Pxqu電荷電壓信號(hào)第7章信號(hào)測(cè)量7.7傳感器3壓電式傳感器

壓電加速度傳感器的電荷輸出幅值q正比于被測(cè)物體的加速度幅值a，即定義為壓電速度傳感器的靈敏度。

電荷靈敏度的含義是：對(duì)應(yīng)于每一單位簡(jiǎn)諧加速度（m·S-2）的輸入，傳感器同頻率簡(jiǎn)諧電荷量（pC）的輸出。第7章信號(hào)測(cè)量7.7傳感器3壓電式傳感器

電荷靈敏度是壓電式傳感器的最重要性能參數(shù)，是我們選用傳感器的依據(jù)。其靈敏度很大程度上取決于質(zhì)量塊的大小。加速度傳感器的輸出為低電平、高阻抗信號(hào)，需要進(jìn)行調(diào)理。但目前已有將調(diào)理電路集成在傳感器內(nèi)的一體化加速度傳感器。加速度傳感器具有以下優(yōu)點(diǎn)：

測(cè)量頻率范圍寬；

尺寸小，重量輕；

第7章信號(hào)測(cè)量7.7傳感器3壓電式傳感器

加速度傳感器具有以下優(yōu)點(diǎn)：

將調(diào)理電路一體化后，幾乎可全部涵蓋速度傳感器可測(cè)的范圍和場(chǎng)合;

線性度好,靈敏度高,性能穩(wěn)定等。加速度傳感器具有以下缺點(diǎn)：

一般需要信號(hào)調(diào)理；

低頻特性不好。壓電式加速度傳感器屬于接觸式、慣性式、絕對(duì)式傳感器，直接被固定在被測(cè)物體上。要求滿足跟隨條件。第7章信號(hào)測(cè)量7.7傳感器4電渦流傳感器

電渦流傳感器（趨近式探頭）屬于一種非接觸式傳感器。其工作原理基于電渦流效應(yīng)，如圖所示。u磁芯線圈被測(cè)物體第7章信號(hào)測(cè)量7.7傳感器4電渦流傳感器線圈中通以交流電流則產(chǎn)生交變磁通。當(dāng)被測(cè)物體表面靠近線圈時(shí)，交變磁通在物體表面感應(yīng)出電渦流。此電渦流又產(chǎn)生磁通，其總是阻礙原磁通變化，從而改變了線圈中的電感。u磁芯線圈被測(cè)物體在被測(cè)物體材料確定后，電感的變化只與距離的大小有關(guān)。通過(guò)測(cè)量電路將電感隨距離的變化轉(zhuǎn)化為電壓隨距離的變化。第7章信號(hào)測(cè)量7.7傳感器4電渦流傳感器電渦流傳感器具有以下優(yōu)點(diǎn)：

結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠；

抗干擾能力強(qiáng)，對(duì)工作環(huán)境要求不高；

分辨率較高（如測(cè)量位移時(shí)可精確到0.1mm）;

測(cè)量頻率范圍寬；

測(cè)量精度高，穩(wěn)定性好。但也具有以下缺點(diǎn)：

安裝要求高；

必須提供外加電源；

輸出信號(hào)中包含一直流偏量（通常-8v），會(huì)影響測(cè)量靈敏度；

需在機(jī)器某一部位加工安裝孔。

第7章信號(hào)測(cè)量7.8傳感器的標(biāo)定

傳感器在制造、裝配完畢后必須對(duì)設(shè)計(jì)指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，以保證量值的準(zhǔn)確傳遞。傳感器使用一段時(shí)間后或經(jīng)過(guò)修理，也必須對(duì)其主要技術(shù)指標(biāo)再次進(jìn)行標(biāo)定試驗(yàn)，即校準(zhǔn)試驗(yàn)，以確保其性能指標(biāo)達(dá)到要求。

傳感器的標(biāo)定有兩個(gè)目的:第7章信號(hào)測(cè)量7.8傳感器的標(biāo)定

就是通過(guò)試驗(yàn)確立傳感器的輸入量和輸出量之間的關(guān)系（確定傳感器的性能指標(biāo)）；

同時(shí)也確定出不同使用條件下的誤差關(guān)系（明確性能指標(biāo)的適用條件）。標(biāo)定的基本方法是將已知的被測(cè)量（標(biāo)準(zhǔn)量）輸入到待標(biāo)定的傳感器，同時(shí)得到傳感器的輸出量（測(cè)量量）；對(duì)所獲得的傳感器輸入量和輸出量進(jìn)行處理和比較，從而得到一系列表征兩者關(guān)系的標(biāo)定曲線。從而得到傳感器性能指標(biāo)的實(shí)測(cè)結(jié)果。第7章信號(hào)測(cè)量7.8傳感器的標(biāo)定

1力傳感器標(biāo)定最簡(jiǎn)單的力標(biāo)定設(shè)備是各種測(cè)力砝碼。下圖給出了一種杠桿式力傳感器標(biāo)定原理圖第7章信號(hào)測(cè)量7.8傳感器的標(biāo)定

2

振動(dòng)標(biāo)定設(shè)備利用振動(dòng)臺(tái)進(jìn)行標(biāo)定時(shí)，其關(guān)鍵是精確測(cè)量振動(dòng)臺(tái)在正弦信號(hào)激勵(lì)下的振幅值。測(cè)量振幅值可采用顯微鏡直接觀察振動(dòng)臺(tái)確定點(diǎn)或面的運(yùn)動(dòng)距離；也可采用激光干涉法（邁克爾遜干涉儀），其測(cè)量鏡感受振動(dòng)臺(tái)的振幅值并與固定的參考鏡反射相干涉而產(chǎn)生干涉條紋。前者使用于0.01mm以上的振幅值；后者適用于mm級(jí)振幅的測(cè)量。第7章信號(hào)測(cè)量7.9使用測(cè)量系統(tǒng)注意的兩個(gè)問(wèn)題

1傳感器與電荷放大器之間電纜線的連接

盡量避免電纜線與試驗(yàn)結(jié)構(gòu)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。應(yīng)將傳感器到電荷放大器的電纜線與試驗(yàn)結(jié)構(gòu)固定好，一般用膠帶或蠟粘接，如圖所示。第7章信號(hào)測(cè)量7.9振動(dòng)量的表示通過(guò)測(cè)量系統(tǒng)，可以測(cè)得振動(dòng)量（位移等）的變化過(guò)程（波形）。但是從工程使用的觀點(diǎn)來(lái)說(shuō)，往往要對(duì)振動(dòng)大小作出衡量。如衡量轉(zhuǎn)子振動(dòng)的大小主要依據(jù)峰峰值。下面以周期振動(dòng)為例，給出通常表示振動(dòng)量大小的方法：峰值、峰峰值、平均值和有效值。

1峰值

峰值：波形上與零線的最大偏離值。通常用XPeak或XP來(lái)表示。第7章信號(hào)測(cè)量7.9振動(dòng)量的表示1峰值峰值相同的波，其波形可能差別很大。峰值在實(shí)用中有它的價(jià)值。如結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度性破壞便直接與峰值有關(guān)。第7章信號(hào)測(cè)量7.9振動(dòng)量的表示

2峰峰值

峰峰值：一個(gè)周期內(nèi)波形上、下峰值的最大偏離值。通常用XPeak-Peak或XP-P來(lái)表示。峰值、峰峰值來(lái)描述振動(dòng)量大小的缺點(diǎn)在于它僅考慮了一個(gè)周期中的最大瞬時(shí)值，而根本不考慮所測(cè)振動(dòng)的時(shí)間歷程（點(diǎn)信息如脈沖，振動(dòng)能量）。第7章信號(hào)測(cè)量7.9振動(dòng)量的表示

3有效值周期振動(dòng)x(t)=x(t+T)=XPsin(wt+a),則其有效值Xeff為：用有效值來(lái)衡量振動(dòng)量的大小是一種比較好的方法，涉及了振動(dòng)隨時(shí)間變化的過(guò)程，它克服了峰值和峰峰值的缺陷。更重要的是與振動(dòng)能量有關(guān)。如位移的有效值與位能有關(guān)，速度-動(dòng)能。第7章信號(hào)測(cè)量7.9振動(dòng)量的表示

4平均值周期振動(dòng)x(t)=x(