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     德國(guó)IFM易福門振動(dòng)傳感器的測(cè)試方法及接收原理

在高度發(fā)展的現(xiàn)代工業(yè)中，現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)向數(shù)字化、信息化方向發(fā)展已成必然發(fā)展趨勢(shì)，而測(cè)試系統(tǒng)的最前端是傳感器，它是整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的靈魂，被各國(guó)列為技術(shù)，特別是近幾年快速發(fā)展的IC技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)，為傳感器的發(fā)展提供了良好與可靠的科學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)。使傳感器的發(fā)展日新月益，且數(shù)字化、多功能與智能化是現(xiàn)代傳感器發(fā)展的重要特征。

1.引入新技術(shù)發(fā)展新功能 

隨著人們對(duì)自然認(rèn)識(shí)的深化，會(huì)不斷發(fā)現(xiàn)一些新的物理效應(yīng)、化學(xué)效應(yīng)、生物效應(yīng)等。利用這些新的效應(yīng)可開發(fā)出相應(yīng)的新型傳感器，從而為提高傳感器性能和拓展傳感器的應(yīng)用范圍提供新的可能。圖爾克市場(chǎng)技術(shù)部產(chǎn)品經(jīng)理兼技術(shù)支持主管楊德友向記者表示，“目前傳感器界的最大特點(diǎn)就是不斷引入新技術(shù)發(fā)展新功能。”如檢測(cè)金屬產(chǎn)品位置的電感式接近開關(guān)，它利用金屬物體接近能產(chǎn)生電磁場(chǎng)的振蕩感應(yīng)頭時(shí)在被測(cè)金屬上形成的渦流效應(yīng)來檢測(cè)金屬產(chǎn)品的位置。由于不同金屬渦流效應(yīng)的效果不同，因此不同金屬的檢測(cè)距離是不一樣的，尤其是面對(duì)各類合金時(shí)，普通的電感式接近開關(guān)就顯得力不從心，這就要求生產(chǎn)廠商在提高產(chǎn)品功能上下功夫。由于電感式接近開關(guān)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)是在鐵氧體磁芯上繞制線圈作為電感線圈，而鐵氧體磁芯自身的限制使得電感式傳感器不可能在已有的設(shè)計(jì)理念下發(fā)展，那么只能在技術(shù)上開發(fā)出可以替代鐵氧體線圈的產(chǎn)品來提高產(chǎn)品的性能。圖爾克公司的電感式接近開關(guān)就摒棄了鐵氧體磁芯，從而去掉了磁芯的限制。這樣在檢測(cè)不同金屬時(shí)可以通過電路調(diào)節(jié)提高產(chǎn)品的檢測(cè)距離，并且全金屬檢測(cè)距離無衰減，抗干擾能力也有所提升。

2. 利用新材料發(fā)展新產(chǎn)品

傳感器材料是傳感器技術(shù)的重要基礎(chǔ)，隨著材料科學(xué)的進(jìn)步，人們可制造出各種新型傳感器。例如用高分子聚合物薄膜制成溫度傳感器，光導(dǎo)纖維能制成壓力、流量、溫度、位移等多種傳感器，用陶瓷制成壓力傳感器。高分子聚合物能隨周圍環(huán)境的相對(duì)濕度大小成比例地吸附和釋放水分子。將高分子電介質(zhì)做成電容器，測(cè)定電容容量的變化，即可得出相對(duì)濕度。利用這個(gè)原理制成的等離子聚合法聚苯乙烯薄膜溫度傳感器，具有測(cè)濕范圍寬、溫度范圍寬、響應(yīng)速度快、尺寸小、可用于小空間測(cè)濕、溫度系數(shù)小等特點(diǎn)。陶瓷電容式壓力傳感器是一種無中介液的干式壓力傳感器。采用先進(jìn)的陶瓷技術(shù)，厚膜電子技術(shù)，其技術(shù)性能穩(wěn)定，年漂移量的滿量程誤差不超過0.1%，溫漂小，抗過載更可達(dá)量程的數(shù)百倍。

光導(dǎo)纖維的應(yīng)用是傳感材料的重大突破，光纖傳感器與傳統(tǒng)傳感器相比有許多特點(diǎn)：靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、耐腐蝕、電絕緣性好、光路可彎曲、便于實(shí)現(xiàn)遙測(cè)等。而光纖傳感器與集成光路技術(shù)的結(jié)合，加速了光纖傳感器技術(shù)的發(fā)展。將集成光路器件代替原有光學(xué)元件和無源光器件，光纖傳感器又具有了高帶寬、低信號(hào)處理電壓、可靠性高、成本低等特點(diǎn)。

在工程振動(dòng)測(cè)試領(lǐng)域中，測(cè)試手段與方法多種多樣，但是按各種參數(shù)的測(cè)量方法及測(cè)量過程的物理性質(zhì)來分，可以分成三類。

機(jī)械式

將工程振動(dòng)的參量轉(zhuǎn)換成機(jī)械信號(hào)，再經(jīng)機(jī)械系統(tǒng)放大后，進(jìn)行測(cè)量、記錄，常用的儀器有杠桿式測(cè)振儀和蓋格爾測(cè)振儀，它能測(cè)量的頻率較低，精度也較差。但在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)較為簡(jiǎn)單方便。

光學(xué)式

將工程振動(dòng)的參量轉(zhuǎn)換為光學(xué)信號(hào)，經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)放大后顯示和記錄。如讀數(shù)顯微鏡和激光測(cè)振儀等。

電測(cè)

將工程振動(dòng)的參量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)電子線路放大后顯示和記錄。電測(cè)法的要點(diǎn)在于先將機(jī)械振動(dòng)量轉(zhuǎn)換為電量（電動(dòng)勢(shì)、電荷、及其它電量），然后再對(duì)電量進(jìn)行測(cè)量，從而得到所要測(cè)量的機(jī)械量。這是目前應(yīng)用得泛的測(cè)量方法。

上述三種測(cè)量方法的物理性質(zhì)雖然各不相同，但是，組成的測(cè)量系統(tǒng)基本相同，它們都包含拾振、測(cè)量放大線路和顯示記錄三個(gè)環(huán)節(jié)。

1、拾振環(huán)節(jié)。把被測(cè)的機(jī)械振動(dòng)量轉(zhuǎn)換為機(jī)械的、光學(xué)的或電的信號(hào)，完成這項(xiàng)轉(zhuǎn)換工作的器件叫傳感器。

2、測(cè)量線路。測(cè)量線路的種類甚多，它們都是針對(duì)各種傳感器的變換原理而設(shè)計(jì)的。比如，專配壓電式傳感器的測(cè)量線路有電壓放大器、電荷放大器等；此外，還有積分線路、微分線路、濾波線路、歸一化裝置等等。

3、信號(hào)分析及顯示、記錄環(huán)節(jié)。從測(cè)量線路輸出的電壓信號(hào)，可按測(cè)量的要求輸入給信號(hào)分析儀或輸送給顯示儀器（如電子電壓表、示波器、相位計(jì)等）、記錄設(shè)備（如光線示波器、磁帶記錄儀、X—Y 記錄儀等）等。也可在必要時(shí)記錄在磁帶上，然后再輸入到信號(hào)分析儀進(jìn)行各種分析處理，從而得到最終結(jié)果。

IFM振動(dòng)傳感器在測(cè)試技術(shù)中是關(guān)鍵部件之一，它的作用主要是將機(jī)械量接收下來，并轉(zhuǎn)換為與之成比例的電量。由于它也是一種機(jī)電轉(zhuǎn)換裝置。所以我們有時(shí)也稱它為換能器、拾振器等。

IFM振動(dòng)傳感器并不是直接將原始要測(cè)的機(jī)械量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏?，而是將原始要測(cè)的機(jī)械量做為IFM振動(dòng)傳感器的輸入量，然后由機(jī)械接收部分加以接收，形成另一個(gè)適合于變換的機(jī)械量，最后由機(jī)電變換部分再將變換為電量。因此一個(gè)傳感器的工作性能是由機(jī)械接收部分和機(jī)電變換部分的工作性能來決定的。

1、相對(duì)式機(jī)械接收原理

由于機(jī)械運(yùn)動(dòng)是物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的的形式，因此人們最先想到的是用機(jī)械方法測(cè)量振動(dòng)，從而制造出了機(jī)械式測(cè)振儀（如蓋格爾測(cè)振儀等）。傳感器的機(jī)械接收原理就是建立在此基礎(chǔ)上的。相對(duì)式測(cè)振儀的工作接收原理是在測(cè)量時(shí)，把儀器固定在不動(dòng)的支架上，使觸桿與被測(cè)物體的振動(dòng)方向一致，并借彈簧的彈性力與被測(cè)物體表面相接觸，當(dāng)物體振動(dòng)時(shí)，觸桿就跟隨它一起運(yùn)動(dòng)，并推動(dòng)記錄筆桿在移動(dòng)的紙帶上描繪出振動(dòng)物體的位移隨時(shí)間的變化曲線，根據(jù)這個(gè)記錄曲線可以計(jì)算出位移的大小及頻率等參數(shù)。

由此可知，相對(duì)式機(jī)械接收部分所測(cè)得的結(jié)果是被測(cè)物體相對(duì)于參考體的相對(duì)振動(dòng)，只有當(dāng)參考體絕對(duì)不動(dòng)時(shí)，才能測(cè)得被測(cè)物體的絕對(duì)振動(dòng)。這樣，就發(fā)生一個(gè)問題，當(dāng)需要測(cè)的是絕對(duì)振動(dòng)，但又找不到不動(dòng)的參考點(diǎn)時(shí)，這類儀器就無用武之地。例如：在行駛的內(nèi)燃機(jī)車上測(cè)試內(nèi)燃機(jī)車的振動(dòng)，在地震時(shí)測(cè)量地面及樓房的振動(dòng)……，都不存在一個(gè)不動(dòng)的參考點(diǎn)。在這種情況下，我們必須用另一種測(cè)量方式的測(cè)振儀進(jìn)行測(cè)量，即利用慣性式測(cè)振儀。

2、慣性式機(jī)械接收原理

慣性式機(jī)械測(cè)振儀測(cè)振時(shí)，是將測(cè)振儀直接固定在被測(cè)振動(dòng)物體的測(cè)點(diǎn)上，當(dāng)傳感器外殼隨被測(cè)振動(dòng)物體運(yùn)動(dòng)時(shí)，由彈性支承的慣性質(zhì)量塊將與外殼發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，則裝在質(zhì)量塊上的記錄筆就可記錄下質(zhì)量元件與外殼的相對(duì)振動(dòng)位移幅值，然后利用慣性質(zhì)量塊與外殼的相對(duì)振動(dòng)位移的關(guān)系式，即可求出被測(cè)物體的絕對(duì)振動(dòng)位移波形。

一般來說，IFM振動(dòng)傳感器在機(jī)械接收原理方面，只有相對(duì)式、慣性式兩種，但在機(jī)電變換方面，由于變換方法和性質(zhì)不同，其種類繁多，應(yīng)用范圍也極其廣泛。

在現(xiàn)代振動(dòng)測(cè)量中所用的傳感器，已不是傳統(tǒng)概念上獨(dú)立的機(jī)械測(cè)量裝置，它僅是整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)中的一個(gè)環(huán)節(jié)，且與后續(xù)的電子線路緊密相關(guān)。

由于傳感器內(nèi)部機(jī)電變換原理的不同，輸出的電量也各不相同。有的是將機(jī)械量的變化變換為電動(dòng)勢(shì)、電荷的變化，有的是將機(jī)械振動(dòng)量的變化變換為電阻、電感等電參量的變化。一般說來，這些電量并不能直接被后續(xù)的顯示、記錄、分析儀器所接受。因此針對(duì)不同機(jī)電變換原理的傳感器，必須附以專配的測(cè)量線路。測(cè)量線路的作用是將傳感器的輸出電量最后變?yōu)楹罄m(xù)顯示、分析儀器所能接受的一般電壓信號(hào)。因此，IFM振動(dòng)傳感器按其功能可有以下幾種分類方法：

按機(jī)械接收原理分：相對(duì)式、慣性式；

按機(jī)電變換原理分：電動(dòng)式、壓電式、電渦流式、電感式、電容式、電阻式、光電式；

按所測(cè)機(jī)械量分：位移傳感器、速度傳感器、加速度傳感器、力傳感器、應(yīng)變傳感器、扭振傳感器、扭矩傳感器。

以上三種分類法中的傳感器是相容的。

相對(duì)式

電動(dòng)式傳感器基于電磁感應(yīng)原理，即當(dāng)運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)體在固定的磁場(chǎng)里切割磁力線時(shí)，導(dǎo)體兩端就感生出電動(dòng)勢(shì)，因此利用這一原理而生產(chǎn)的傳感器稱為電動(dòng)式傳感器。

相對(duì)式電動(dòng)傳感器從機(jī)械接收原理來說，是一個(gè)位移傳感器，由于在機(jī)電變換原理中應(yīng)用的是電磁感應(yīng)定律，其產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)同被測(cè)振動(dòng)速度成正比，所以它實(shí)際上是一個(gè)速度傳感器。

電渦流式

電渦流傳感器是一種相對(duì)式非接觸式傳感器，它是通過傳感器端部與被測(cè)物體之間的距離變化來測(cè)量物體的振動(dòng)位移或幅值的。電渦流傳感器具有頻率范圍寬（0～10 kHZ），線性工作范圍大、靈敏度高以及非接觸式測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，主要應(yīng)用于靜位移的測(cè)量、振動(dòng)位移的測(cè)量、旋轉(zhuǎn)機(jī)械中監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)軸的振動(dòng)測(cè)量。

電感式

依據(jù)傳感器的相對(duì)式機(jī)械接收原理，電感式傳感器能把被測(cè)的機(jī)械振動(dòng)參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換成為電參量信號(hào)的變化。因此，電感傳感器有二種形式，一是可變間隙，二是可變導(dǎo)磁面積。

電容式

電容式傳感器一般分為兩種類型。即可變間隙式和可變公共面積式。可變間隙式可以測(cè)量直線振動(dòng)的位移?？勺兠娣e式可以測(cè)量扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的角位移。

慣性式

慣性式電動(dòng)傳感器由固定部分、可動(dòng)部分以及支承彈簧部分所組成。為了使傳感器工作在位移傳感器狀態(tài)，其可動(dòng)部分的質(zhì)量應(yīng)該足夠的大，而支承彈簧的剛度應(yīng)該足夠的小，也就是讓傳感器具有足夠低的固有頻率。

根據(jù)電磁感應(yīng)定律，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為：u=Blx&r

式中B為磁通密度，l為線圈在磁場(chǎng)內(nèi)的有效長(zhǎng)度， r x&為線圈在磁場(chǎng)中的相對(duì)速度。

從傳感器的結(jié)構(gòu)上來說，慣性式電動(dòng)傳感器是一個(gè)位移傳感器。然而由于其輸出的電信號(hào)是由電磁感應(yīng)產(chǎn)生，根據(jù)電磁感應(yīng)電律，當(dāng)線圈在磁場(chǎng)中作相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，所感生的電動(dòng)勢(shì)與線圈切割磁力線的速度成正比。因此就傳感器的輸出信號(hào)來說，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)是同被測(cè)振動(dòng)速度成正比的，所以它實(shí)際上是一個(gè)速度傳感器。

壓電式

壓電式加速度傳感器的機(jī)械接收部分是慣性式加速度機(jī)械接收原理，機(jī)電部分利用的是壓電晶體的正壓電效應(yīng)。其原理是某些晶體（如人工極化陶瓷、壓電石英晶體等，不同的壓電材料具有不同的壓電系數(shù)，一般都可以在壓電材料性能表中查到。）在一定方向的外力作用下或承受變形時(shí)，它的晶體面或極化面上將有電荷產(chǎn)生，這種從機(jī)械能（力，變形）到電能（電荷，電場(chǎng)）的變換稱為正壓電效應(yīng)。而從電能（電場(chǎng)，電壓）到機(jī)械能（變形，力）的變換稱為逆壓電效應(yīng)。

因此利用晶體的壓電效應(yīng)，可以制成測(cè)力傳感器，在振動(dòng)測(cè)量中，由于壓電晶體所受的力是慣性質(zhì)量塊的牽連慣性力，所產(chǎn)生的電荷數(shù)與加速度大小成正比，所以壓電式傳感器是加速度傳感器。

壓電式力

在振動(dòng)試驗(yàn)中，除了測(cè)量振動(dòng)，還經(jīng)常需要測(cè)量對(duì)試件施加的動(dòng)態(tài)激振力。壓電式力傳感器具有頻率范圍寬、動(dòng)態(tài)范圍大、體積小和重量輕等優(yōu)點(diǎn)，因而獲得廣泛應(yīng)用。壓電式力傳感器的工作原理是利用壓電晶體的壓電效應(yīng)，即壓電式力傳感器的輸出電荷信號(hào)與外力成正比。

阻抗頭

阻抗頭是一種綜合性傳感器。它集壓電式力傳感器和壓電式加速度傳感器于一體，其作用是在力傳遞點(diǎn)測(cè)量激振力的同時(shí)測(cè)量該點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。因此阻抗頭由兩部分組成，一部分是力傳感器，另一部分是加速度傳感器，它的優(yōu)點(diǎn)是，保證測(cè)量點(diǎn)的響應(yīng)就是激振點(diǎn)的響應(yīng)。使用時(shí)將小頭（測(cè)力端）連向結(jié)構(gòu)，大頭（測(cè)量加速度）與激振器的施力桿相連。從“力信號(hào)輸出端”測(cè)量激振力的信號(hào)，從“加速度信號(hào)輸出端”測(cè)量加速度的響應(yīng)信號(hào)。

注意，阻抗頭一般只能承受輕載荷，因而只可以用于輕型的結(jié)構(gòu)、機(jī)械部件以及材料試樣的測(cè)量。無論是力傳感器還是阻抗頭，其信號(hào)轉(zhuǎn)換元件都是壓電晶體，因而其測(cè)量線路均應(yīng)是電壓放大器或電荷放大器。

電阻應(yīng)變式

電阻式應(yīng)變式傳感器是將被測(cè)的機(jī)械振動(dòng)量轉(zhuǎn)換成傳感元件電阻的變化量。實(shí)現(xiàn)這種機(jī)電轉(zhuǎn)換的傳感元件有多種形式，其中常見的是電阻應(yīng)變式的傳感器。

電阻應(yīng)變片的工作原理為：應(yīng)變片粘貼在某試件上時(shí)，試件受力變形，應(yīng)變片原長(zhǎng)變化，從而應(yīng)變片阻值變化，實(shí)驗(yàn)證明，在試件的彈性變化范圍內(nèi)，應(yīng)變片電阻的相對(duì)變化和其長(zhǎng)度的相對(duì)變化成正比。

激光

激光傳感器利用激光技術(shù)進(jìn)行測(cè)量的傳感器。它由激光器、激光檢測(cè)器和測(cè)量電路組成。激光傳感器是新型測(cè)量?jī)x表，它的優(yōu)點(diǎn)是能實(shí)現(xiàn)無接觸遠(yuǎn)距離測(cè)量，速度快，精度高，量程大，抗光、電干擾能力強(qiáng)等，極適合于工業(yè)和實(shí)驗(yàn)室的非接觸測(cè)量應(yīng)用。

IFM振動(dòng)傳感器

VVB021

VIBRATION IO-LINK SWITCH

根據(jù)失衡、滾動(dòng)元件軸承或齒輪狀態(tài)的基于條件維護(hù)

工作溫度范圍廣，擁有適應(yīng)嚴(yán)苛工業(yè)環(huán)境的高防護(hù)等級(jí)

長(zhǎng)期可靠監(jiān)測(cè)特征值，包括采集原始數(shù)據(jù)

無需控制柜和復(fù)雜的布線即可集成在工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng)中

異步傳輸原始數(shù)據(jù)（BLOB），并集成了運(yùn)行時(shí)間計(jì)數(shù)器