根据振动传感器的工作原理,介绍了几种常用的电流振动传感器的基本原理和特点,并展望了振动传感器的发展趋势。振动传感器有多种类型,振动传感器通过其机械结构检测物体的振动参数,通过物理效应将振动参数转换成电信号,实现非电信号向电信号的传递。振动传感器根据测量的振动参数分为位移(振幅)传感器、速度传感器和加速度传感器。由于位移的存在,速度和加速度可以通过简单的计算相互转换,这三种传感器有时可以通用。目前,根据不同的振动检测方法,发明了具有不同物理效应的振动传感器,广泛应用于以下类别。
电感式振动传感器
电感应式振动传感器是一种电子接近传感器,它不接触金属物体就可以检测到金属物体。感应式振动传感器是以电磁感应为基础,利用自感线圈或互感线圈来实现对由振动转换而来的电信号的检测。感应式振动传感器的突出特点是结构简单、可靠,具有精度高、零稳定性好、输出功率大等特点。我们的感应传感器能够检测任何黑色金属。其缺点是灵敏度、线性度和范围相互制约,不适合高频动态信号的测量。
压电振动传感器
压电振动传感器是一种典型的能自行发电的传感器。它基于一些压电材料的压电效应。当它受到振动时,压电材料的表面会产生电荷。经过电压放大器或电荷放大器的放大和阻抗转换后,这个电荷就成了与传感器受到的外力成正比的功率输出。实现了测量非电信号振动参数的目的。压电振动传感器主要用于测量动态力和加速度。
压电振动传感器的突出特点是无运动部件,频带宽,灵敏度高,信噪比高,结构简单可靠,重量轻。缺点是谐振频率高,易受外界干扰,输出阻抗高,输出信号弱,需要通过放大器电路放大,检测电路检测。目前,随着电子技术的飞速发展,伴随而来的低噪声、高绝缘电阻和小电容的二次仪表和电缆使压电振动传感器的应用更加广泛。
磁性振动传感器
磁性振动传感器又称电传感器,它将振动参数转化为感应电动势。它是一种将机械能转化为电能的传感器。磁传感器基于电磁感应原理。根据电磁感应定律,线圈中的感应电动势与磁通量变化率,磁通量变化率与磁场强度、磁阻、线圈速度有关。当振动引起这些因素中的一个变化时,它将改变线圈中的感应电动势。通过测量感应电动势的变化可以实现测量振动的目的。
磁振动传感器的突出特点是输出信号大,后处理电路简单,抗干扰能力强。缺点是结构比较复杂,比较大。目前,电路校正方法可用于降低磁振动传感器的测试频率,也可用于低频振动测试。
电容式振动传感器
电容式振动传感器检测任何导电的或具有与空气不同的电介质的东西。电容式振动传感器是利用电容器的原理,将非电量信号参数转化为电容量,再将电容量转化为电压或电流的仪器。在振动场中,电容式传感器一般分为变间隙型和变面积型两种。
电容式传感器的突出特点是分辨率高、测量范围宽、精度高、动态响应时间短,适用于在线、动态测量和非接触测量。其缺点是测量范围小,输出阻抗高,具有寄生电容,抗干扰能力差,测量方法易受电介质和电磁场的影响[8]。目前,随着对电容式传感器测量原理和结构的深入研究,以及新电路、新材料、新工艺的发展,其一些不足逐渐被克服。电容式传感器的精度和稳定性不断提高,在非接触测量领域得到了越来越广泛的应用。
光纤振动传感器
一般由光纤振动传感器、激光器和光检测器三部分组成的光纤传感器。根据光纤传感器工作原理的不同,可分为功能性和非功能性两种。前者是利用光纤本身的特性,并利用光纤作为敏感元件。后者是利用其它敏感元件来检测被测物理量的变化,只是利用光纤作为传输介质,将光信号从遥远或不可接近的位置传输出去。在实际应用中,光纤作为振动信息的敏感元件,很难直接将变化的影响与其它物理量分开,因此,非功能光纤振动传感器在振动检测领域得到了广泛的应用,其基本原理是利用其它敏感检测。被测物理量和光参数的变化由敏感元件调节
振动物体改变信号束与参考束的相对相位,产生相位调制,通过解调检测相位调制,可以得到相应的振动幅度。
光纤振动传感器的突出特点是具有重量轻、体积小、灵敏度高、响应快、抗电磁干扰、耐腐蚀、电绝缘、软弯曲、适合远距离传输、易于与计算机连接和遥测网络等特点。采用光纤传输系统,特别是在恶劣的工业环境中能实现远距离振动。实践证明,该方法具有较高的灵敏度和可靠性,能检测10-12米范围内的振动振幅,可用于三维振动测量。
缺点是测量频率范围窄,成本高,对终端用户不熟悉。因此,光纤振动传感器具有广阔的研究开发价值。
光电振动传感器
光电振动传感器首先将非功率振动参数转化为光的变化,然后通过光电器件的光电效应,将光信号转化为电信号,*终达到将振动参数的变化转化为功率变化的目的。
激光发射的激光束分为参考光束和分束器测量光束。参考光束经平面反射镜反射后,再经分束器再次分束,*后直接进入光学元件,测量光束经透镜聚焦后拍摄被测物体表面的垂直振动,当振动物体沿激光束方向振动时,由于多普勒效应发生频率sh。反射光的频移的IFT是由物镜偏转拍摄在分束光电器件上,并与参考光束的频移进行干涉,在感光表面实现混合。光学元件将混合得到的光学频差转换为电信号,通过信号处理可获得振动幅度和振动频率。
光电振动传感器的突出特点是分辨率高、精度高、响应快、不接触等,特别是以激光为光源的光电传感器,利用激光干涉、衍射和高精度测量光学振动传感器的振动。N场越来越受到关注。缺点是距离测量有限,光电器件特性受环境干扰影响,后续处理电路复杂,应用难度大。目前,由于光电传感器的精度可以达到纳米级,但在工程实际应用中应用难度较大,因此光电传感器的研究已成为当今国际上*热门的课题之一。