摘 要
振动的研究与测试在工程应用和科学测量中占有非常重要的地位。当代工程中各种机械系统, 如大型发电设备, 电动机, 重型机械, 汽车, 船舶, 航空航天设备, 等, 都不断向着高速、高准确度方向发展。为保证其良好的性能以及可靠的寿命, 振动问题已成为必须认真研究和解决的重要课题。以压电式、电磁式以及半导体式为代表的传统振动测试装置以其原理简单、成本低等优点而广泛应用于各个领域。
振动测量技术是利用各种方法测量振动信号从而检测出系统的振动特性，本文主要介绍了基于电测法和光学法对振动的测量，根据这两种方法例举了一些振动测量的实例。
关键字：振动测量；电测法；光学法
Abstract
Vibration research and testing in the engineering and scientific measurement
plays a very important position.Contemporary works of various mechanical systems such as large-scale power generation equipment, motors, heavy machinery,
automobiles, ships, aerospace equipment, etc have been toward the high-speed, high accuracy direction.In order to ensure their good performance and reliable service life, vibration has become must seriously study and solve important issues.By
piezoelectric, electromagnetic and semiconductor type as the representative of the traditional principle of vibration test equipment for its simple, low cost and widely used in various fields.
Vibration measurement technology is the use of measured vibration signals to
detect the vibration characteristics of the system, this paper introduces the
measurement method based on electrical and optical vibration measurement method, according to two methods of measuring vibration cite some examples.
Keywords : Vibration measurement; electric method; optical method
目 录
摘 要.......................................................... I Abstract........................................................ I
第1章 绪论................................................. - 1 -
1.1 什么是振动.......................................... - 1 -
1.2 振动测量目的........................................ - 1 -
1.3 振动测量技术简介.................................... - 2 -
1.3.1 振动测量分类.................................. - 2 -
1.3.2 振动参量的测量................................ - 3 -
1.3.3 机械阻抗测量.................................. - 4 -
1.3.4 振动信号的频谱分析............................ - 4 -
1.4 振动测量的意义...................................... - 5 -
第2章 振动测量技术......................................... - 5 -
2.1 电测法振动测量...................................... - 5 -
2.1.1 压电式加速度传感器在振动测量.................. - 5 -
2.1.2 基于电磁感应的扭转振动测量.................... - 7 -
2.1.3 电阻式应变传感器振动测量...................... - 9 -
2.1.4 电感式传感器振动测量......................... - 11 -
2.1.5 微变电容式传感器振动测量..................... - 12 -
2.1.6 无源伺服传感器的振动测量..................... - 13 -
2.2 光学法振动测量..................................... - 14 -
2.2.1 激光干涉原理在振动测量中的应用............... - 14 -
2.2.2 PSD在弦振动测量中的应用 .................... - 16 -
2.2.3 全光纤传感器振动测量......................... - 19 -
2.2.4 激光光栅多普勒效应微小振动测量............... - 21 -
结 论..................................................... - 21 - 参考文献................................................... - 22 -
第1章 绪论
1.1 什么是振动
振动是指一个状态改变的过程。即物体的往复运动。
从广义上说振动是指描述系统状态的参量在其基准值上下交替变化的过程。狭义的指机械振动，即力学系统中的振动。电磁振动习惯上称为振荡。力学系统能维持振动，必须具有弹性和惯性。由于弹性，系统偏离其平衡位置时，会产生回复力，促使系统返回原来位置；由于惯性，系统在返回平衡位置的过程中积累了动能，从而使系统越过平衡位置向另一侧运动。正是由于弹性和惯性的相互影响，才造成系统的振动。按系统运动自由度分，有单自由度系统振动和多自由度系统振动。有限多自由度系统与离散系统相对应，其振动由常微分方程描述；无限多自由度系统与连续系统相对应，其振动由偏微分方程描述。方程中不显含时间的系统称自治系统；显含时间的称非自治系统。按系统受力情况分，有自由振动、衰减振动和受迫振动。按弹性力和阻尼力性质分，有线性振动和非线性振动。振动又可分为确定性振动和随机振动，后者无确定性规律，如车辆行进中的颠簸。振动是自然界和工程界常见的现象。振动的消极方面是：影响仪器设备功能，降低机械设备的工作精度，加剧构件磨损，甚至引起结构疲劳破坏；振动的积极方面是：有许多需利用振动的设备和工艺。振动分析的基本任务是讨论系统的激励、响应和系统动态特性三者之间的关系。20世纪60年代以后，计算机和振动测试技术的重大进展，为综合利用分析、实验和计算方法解决振动问题开拓了广阔的前景。
1.2 振动测量目的
振动是工程技术和日常生活中常见的物理现象，在大多数情况下，振动是有害的，它对仪器设备的精度，寿命和可靠性都会产生影响。当然，振动也有可以被利用的一面，如输送、清洗、磨削、监测等，无论是利用振动还是防止振动，都必须确定其量值。在长期的科学研究和工程实践中，已逐步形成了一门较完整的振动工程学科，可供进行理论计算和分析。但这些毕竟还是建立在简化和近似的数学模型上，还必须用试验和测量技术进行验证。随着现代工业和现代科学技术的发展，对各种仪器设备提出了低振级和低噪声的要求，以及对主要生产过程或重要设备进行监测、诊断，对工作环境进行控制等等。这些都离不开振动的测量。
1.3 振动测量技术简介
1.3.1 振动测量分类
1）振动信号分类
振动信号按时间历程的分类可分为确定性振动和随机振动两大类。
确定性振动可分为周期性振动和非周期性振动。周期性振动包括简谐振动和复杂周期振动。非周期性振动包括准周期振动和瞬态振动。准周期振动由一些不同频率的简谐振动合成，在这些不同频率的简谐分量中，总会有一个分量与另一个分量的频率之比值为无理数，因而是非周期振动。
随机振动是一种非确定性振动，它只服从一定的统计规律性。可分为平稳随机振动和非平稳随机振动。平稳随机振动又包括各态历经的平稳随机振动和非各态历经的平稳随机振动。
一般来说，仪器设备的振动信号中既包含有确定性的振动，又包含有随机振动，但对于一个线性振动系统来说，振动信号可用谱分析技术化作许多谐振动的叠加。因此简谐振动是最基本也是最简单的振动。
2）振动测量方法分类
振动测量方法按振动信号转换的方式可分为电测法、机械法和光学法。
电测法：将被测对象的振动量转换成电量，然后用电量测试仪器进行测量，灵敏度高，频率范围及动态、线性范围宽，便于分析和遥测，但易受电磁场干扰。是目前最广泛采用的方法。
机械法：利用杠杆原理将振动量放大后直接记录下来，抗干扰能力强，频率范围及动态、线性范围窄、测试时会给工件加上一定的负荷，影响测试结果，用于低频大振幅振动及扭振的测量。
光学法：利用光杠杆原理、读数显微镜、光波干涉原理，激光多普勒效应等进行测量，不受电磁场干扰，测量精度高，适于对质量小及不易安装传感器的试件作非接触测量。在精密测量和传感器、测振仪标定中用得较多。
根据测量传感器类型，可分为发电型、电参数变化型、伺服型。其中发电型可分为压电式、电动式、电磁式，电参数变化型可分为电容式、电感式、电阻式。
3）测振传感器分类
拾振部分是振动测量仪器的最基本部分，它的性能往往决定了整个仪器或系统的性能。根据测量传感器类型，可分为发电型、电参数变化型、伺服型。其中发电型可分为压电式、电动式、电磁式，电参数变化型可分为电容式、电感式、电阻式。
1.3.2 振动参量的测量
振动参量是指振幅、频率、相位角和阻尼比等物理量。
1）振幅的测量
振动量的幅值是时间的函数，常用峰值、峰峰值、有效值和平均绝对值来表示。峰值是从振动波形的基线位置到波峰的距离，峰峰值是正峰值到负峰值之间的距离。在考虑时间过程时常用有效（均方根）值和平均绝对值表示。有效值和平均绝对值分别定义为
z 有效=zrms =
1T ⎰T 0z 2(t ) dt
z|平均|== Z= 1T ⎰T
0|z (t ) |dt
对于谐振动而言，峰值、有效值和平均绝对值之间的关系为
z rm s =z =z f 2 22
式中，Zf 为振动峰值。
2）谐振动频率的测量
谐振动的频率是单一频率，测量方法分直接法和比较法两种。直接法是将拾振器的输出信号送到各种频率计或频谱分析仪直接读出被测谐振动的频率。在缺少直接测量频率仪器的条件下，可用示波器通过比较测得频率。常用的比较法有录波比较法和李沙育图形法。录波比较法是将被测振动信号和时标信号一起送入示波器或记录仪中同时显示，根据它们在波形图上的周期或频率比，算出振动信号的周期或频率。李沙育图形法则是将被测信号和由信号发生器发出的标准频率正弦波信号分别送到双轴示波器的y 轴及x 轴，根据荧火屏上呈现出的李沙育图形来判断被测信号的频率。
3）相位角的测量
相位差角只有在频率相同的振动之间才有意义。测定同频两个振动之间的相位差也常用直读法和比较法。直读法是利用各种相位计直接测定。比较法常用录波比较法和李沙育图形法两种。录波比较法利用记录在同一坐标纸上的被测信号与参考信号之间的时间差η求出相位差。
ϕ=⨯360
李沙育图测相位法则是根据被测信号与同频的标准信号之间的李沙育图形来判别相位差。
4）阻尼比测量
阻尼比是导出参数，可以通过测量振动的某些基本参数，再用公式算出。常用的方法有振动波形图法、共振法、半功率点法和李沙育图法四种。 T
1.3.3 机械阻抗测量
振动测量从本质上说属动态测量，测振传感器检测的信号是被测对象在某种激励下的输出响应信号。振动测量的一个主要目的就是通过对激励和响应信号的测试分析，找出系统的动态特性参数，包括固有频率、固有振型、模态质量、模态刚度、模态阻尼比等。振动测量是结构模态分析和设备故障诊断的基础。
1.3.4 振动信号的频谱分析
在振动测量中，由测振传感器接收的信号通常是复杂的时间函数。利用信号处理技术，通过傅里叶变换，将时域信号转换成频域信号加以分析的方法就称为频谱分析。频谱分析技术包括幅值谱分析、自功率谱密度函数分析、互功率谱密度函数分析、相干函数分析、倒频谱分析等。振动信号经过频谱分析，可以求得信号的频率成分和结构，并进而分析系统的传递特性；通过频谱分析，还可以对被测对象进行振动监测和故障诊断。
机器故障诊断学是识别机器或机组运行状态的科学，它研究的是机器或机组运行状态的变化在诊断信息中的反映。机器故障诊断技术很复杂，方法也很多。可用作诊断的信息包括温度、应力、变形、排放气体和液体以及润滑油的物理化学参数等。利用振动和噪声的响应信号，并对其进行频谱分析则是常采用的主要诊断手段。
1.4 振动测量的意义
振动的研究与测试在工程应用和科学测量中占有非常重要的地位。振动可以传播到人体的振动车辆，机械，结构件，在与人体，或通过声音宛如表面接触辐射领域[1]。当代工程中各种机械系统, 如大型发电设备, 电动机, 重型机械, 汽车, 船舶, 航空航天设备, 等, 都不断向着高速、高准确度方向发展。随着工业技术的飞速发展, 各种机械结构向高速度、高精度、小型化方向发展, 这就对物体的振动特性控制提出了越来越高的要求[2]。为保证其良好的性能以及可靠的寿命, 振动问题已成为必须认真研究和解决的重要课题。
第2章 振动测量技术
根据振动测量方法分类，振动测量按振动信号转换的方式可分为电测法、机械法和光学法。
下面重点介绍电测法和光学法振动测量技术。
2.1 电测法振动测量
2.1.1 压电式加速度传感器在振动测量
压电式传感器是基于压电效应的传感器。是一种自发电式和机电转换式传感器。它的敏感元件由压电材料制成。压电材料受力后表面产生电荷。此电荷经电荷放大器和测量电路放大和变换阻抗后就成为正比于所受外力的电量输出。压电式传感器用于测量力和能变换为力的非电物理量，如压力、加速度等。
压电效应可分为正压电效应和逆压电效应。正压电效应是指：当晶体受到某固定方向外力的作用时, 内部就产生电极化现象, 同时在某两个表面上产生符号相反的电荷；当外力撤去后，晶体又恢复到不带电的状态；当外力作用方向改变时，电荷的极性也随之改变；晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。压电式传感器大多是利用正压电效应制成的。
压电式加速计的测振原理
压电式传感器是一种机电换能器, 所用的压电材料(如天然石英、人工极化陶瓷等) 在受到一定的机械荷载时, 会在压电材料的极化面上产生电荷, 其电荷量与所受的载荷成正比。当压电晶体片受力时, 晶体的两表面上聚集等量的正、负电荷, 由于晶体片的绝缘电阻很高, 因此压电晶体片相当于一只平行板电容器, 如图
2-1-1所示。
图2-1-1 压电晶体内部等效图
εA 其电容量为 C a = d
晶体片上产生的电压量与作用力的关系
e a =d d q d 33d =F =33F m sin ωt (1) C a εA εA
式中:ε为压电晶体的介电常数;A 为晶体片(构成极板) 的面积;d 为晶体片的厚度;d33为压电系数;F 为沿晶轴施加的力。
压电式加速度计的晶体片确定后,d33、d 、ε、A 都是常数, 则晶体片上产生的电压量与作用力成正比。测量时, 将压电式加速度计基座与试件刚性固定在一起(安装基面粗糙度不超过0·41μm) 。当加速度计受振动时, 由于压电片具有的压电效应, 它的2个表面上就会产生交变电荷(电压) 。而此交变电荷(电压) 又与作用力成正比, 因此交变电荷(电压) 与试件的加速度成正比。这就是压电式加速度计
[3]能够将振动加速度转变成为电量进行测振的原理。
系统组成
(1)压电式加速度计
测试系统中, 压电式加速度计的作用是把振动量转换成相应的电信号。
(2)电荷放大器
压电加速度计产生的电荷量很小, 输出阻抗很高, 因此与它相连的仪器输入阻抗的大小将对测量系统的性能产生重大影响。高输入阻抗的前置放大器就是以此为目的而设置的。
压电加速度计与电荷放大器相连后的等效电路如图2-1-2所示。其中,q 为传感器产生的电荷;A 为电荷放大器开环放大倍数;Ra 为传感器内部电阻;Ri 为电荷放大器的输入电阻;Ca 为传感器内部固有电容;Cc 为连接电缆的分布电容;Ci 为放大器的等效电容;Cf 为电荷转换级的反馈电容; Ui与Uo 分别为电荷放大器的输入与输出电压。
图2-1-2 电荷放大器等效电路
电荷放大器实际上是具有负反馈电容、输入阻抗极高的高增益运算放大器。它将压电加速度计看成电荷源, 并输出与之成正比的低输入阻抗的电信号。其作用是:变压电加速度计的高输出阻抗为前置放大器的低输出阻抗, 以便同测仪相匹配; 放大从传感器输出的微弱信号, 或者把它的电荷变成电压信号; 输出电压归一化。即它与不同灵敏度的传感器相配合时, 在相同的信号输入下, 达到相同的输出电压。
(3)动态数据采集测试仪
动态数据采集测试仪是振动测试系统最重要的一环。其实质是一种带通讯接口和程序控制的多功能智能仪表, 具有内置调理功能, 可直接对加速度信号进行测量, 也可以通过相应的控制模块对外控制输出, 通过其自带的RS-232、RS-485/422、GPIB 或Ethernet 等通讯接口, 能与加速度传感器、前置处理器、计算机等设备组成适用于各种领域的振动测量数据测试分析系统。[3]
压电式传感器应用特点：
（1）灵敏度和分辨率高，线性范围大，结构简单、牢固，可靠性好，寿命长；
（2）体积小重量轻，刚度强度、承载能力和测量范围大，频带宽，动态误差小；
（3）易于大量生产，便于选用，使用和校准方便，并适用于近测、遥测。
2.1.2 基于电磁感应的扭转振动测量
在回转机械中, 轴的扭转振动是一种振动形式, 它是由于作用在轴上的扭矩随时间变化而产生的旋转振动。对于大型回转机械, 这种振动的破坏性很强, 极易引起机械结构疲劳破坏, 尤其是当振动频率接近机械结构的固有频率时, 破坏性将会更严重。因此对扭转振动进行测量具有重大意义。
本文研究基于电磁感应的扭转振动测量及相应的信号提取方法, 基本思路是使线圈与永磁体做相对运动, 根据线圈切割磁感应线的速度与感应电动势正相关的原理, 由线圈两端的电压变化量计算各点的瞬时速度变化量, 再由瞬时速度变化量积分求出扭振信息。与其他方法相比, 该方法有以下优点:a)对硬件性能要求不高;b) 利用信号的幅值提取扭振, 算法较简单;c) 能较好地消除轴向振动和部分横振的影响。
There are two methods commonly used in torsional vibration measurement.One is to fit sensitive strain gauges to the shaft journal.The torsional deformation will be estimated by analysing the shear strain.[4]
测量原理
电磁感应现象即闭合导体的一部分在磁场中做切割磁感线的运动时, 导体中就会产生电流, 如果不是闭合回路, 则导体中自由电子的定向移动使断开处两端积累正、负电荷而产生电势差———感应电动势。
当导体L 在磁场中运动时, 导体内的自由电子受到的洛仑兹力为
→
f =-e (V ⨯B ) （1）
→→→其中,-e 为电子所带电量; f 为洛仑兹力; V 是线元 d L 处导体的速度; →→
B 是线元d L 处的磁场强度。
由(1)式可得作用在单位正电荷上的洛仑兹力为: →→f =V ⨯B （2） k =-e →→→
于是得动生电动势:
ε=⎰k ⋅d L =⎰(V ⨯B ) ⋅d L （3） -L +→→→→
不论导体是否闭合, 只要作切割磁感应线的运动, 导体中都会产生动生电动势。
可以看出, 若在每一时刻, B 和d L 是定值, 且 V 与 B 垂直的话, 则感应电动势的大小与线圈在磁场中的相对运动速度成正比。由此可以设计感应电路, 使随轴转动的磁体不断通过固定的线圈, 当轴平稳旋转时, 感应电动势是稳定且规则的波形; 当有扭振发生时, 速度的变化就会以与之成正比的量在电动势上体现出来, 而速度的变化表征了扭振信息, 通过一定的算法, 即可得出扭振。[5]
结论
通过设计的扭振测量装置, 可将微弱的转子扭振信号转化为较大幅值的电磁感应信号来进行提取和分析, 方法本身方便易行，和其他方法相比主要的优缺点如下：
优点：
(1)采用调幅波的方式减少了数据采集量和处理难度；
→→→→
(2)采用半周期细分以及对应点比较的算法在准确提取瞬时速度变化量的同时很好地消除了装置制造和安装过程中磁体分布不均等系统精度问题的影响；
(3)使用相对安装的方法较好地消除了轴向振动和部分横振的影响；
(4)整个装置结构简单, 搭建容易, 成本低廉。
缺点：
(1)测量装置可能会改变被测对象的扭振特性；
(2)由于采用电磁感应的方式, 信号容易受周围电磁环境的影响。可以安装相应的电磁屏蔽设备, 但这样会使测量装置复杂化, 应用场合受到限制。
总体来说, 理论分析和实验结果都表明, 该方法是一种行之有效的转子扭振测量方法。
2.1.3 电阻式应变传感器振动测量
将被测非电量（如位移、应变、振动、温度、湿度、气体浓度等）的变化转换成导电材料的电阻变化的装置，称为电阻式传感器。它是将非电量的变化量，利用电阻元件，变换成有一定关系的电阻值的变化，再通过电子测量技术对电阻值进行测量，从而达到对上述非电量测量的目的。
电阻应变式传感器是利用电阻应变片将应变转换为电阻变化的传感器, 传感器由在弹性元件上粘贴电阻应变敏感元件构成。 当被测物理量作用在弹性元件上时, 弹性元件的变形引起应变敏感元件的阻值变化, 通过转换电路将其转变成电量输出, 电量变化的大小反映了被测物理量的大小。应变式电阻传感器是目前测量力、力矩、 压力、加速度、重量等参数应用最广泛的传感器。
各种机械的运转过程总是伴随着各种各样的振动。在机械工业中，进行机械结构或结构的动力分析和动力设计离不开固有频率和阻尼系数这两个基本参数。在工程实践中，常用试验的方法测定动这些参数，主要有电阻应变计法、加速度计法以及近年的一些新技术如光纤传感器等。这其中，加速度计法的频率响应范围较窄，而光纤技术等还不成熟，相比之下，电阻应变测量技术有其独特的优点，如应变片的质量轻，不影响梁的固有特性；频率响应范围宽，可以从0Hz 到几千赫兹；精度高，可以得到2‰的精度；价格低廉、经久耐用、不易损坏、且易粘贴，因而应用较为广泛[6]。
参数计算原理
实验中所需要的参数主要包括：固有频率f0、减缩系数η、δ对数减缩系数、阻尼系数n 、以及阻尼比ζ等等。
对于悬臂梁系统的力学模型，由于振动系统中不可避免地要出现阻尼，整个实验系统可以简化为一个单自由度阻尼自由振动系统，根据等效刚度的原则，可以将梁看作一个弹簧。如跨中受集中荷载P 作用的简支梁，其挠度f 为：
f=PL3/48EI
其中，L —梁的长度；E —材料弹性模量；I —截面贯性矩。
则有：P=(48EIf/L3) ，所以可看作弹簧常数k 为48EI/L3的弹簧。这样，整个系统可以用图2-1-3所示简图来表示。
图2-1-3 带阻尼的质量-弹簧系统
质量为m 的物体压缩弹簧，当物体速度不是很大时，介质的阻力近似与速度成正比，这种线性阻尼也成粘性阻尼。粘性阻尼力Fd 沿物体速度的反方向。则物体的运动方程为：
mx" +cx' +kx =0
22令各项除以m ，化作：x " +2ξω0x ' +ω0x =0或x " +2nx ' +ω0x =
ω0—无阻尼系统的固有频率，ω0=
n —阻尼系数，n =k ； m c ； 2m
ζ—阻尼比，ζ=c ； 2m k
当ζ
图2-1-4 欠阻尼系统的衰减振动
ωd =ω0-ζ2 T d =2π
ω0
实际上，因为阻尼比ζ的值很小，甚至可以忽略，所以一般可以认为ωd =ω0。由于阻尼引起能量耗散，系统不能保持等幅的简谐振动，而转变为振幅不断衰减的衰减振动。相邻两个振幅之比称作减缩系数，记作η [7]
2.1.4 电感式传感器振动测量
电感式传感器是利用电磁感应把被测的物理量如位移，压力，流量，振动等转换成线圈的自感系数和互感系数的变化，再由电路转换为电压或电流的变化量输出，实现非电量到电量的转换。
电感式传感器工作原理
电感式传感器即差动变压器, 由衔铁、初级线圈、次级线圈和线圈骨架等组成。初级线圈作为差动变压器激励, 相当于变压器的原边，次级线圈由两个结构尺寸和参数相同的线圈反相串接而成，相当于变压器的副边。差动变压器是开磁路, 工作建立在互感基础上。
电感式传感器振动测量方法
测量选用CSY10A 型传感器系统实验仪。实验部件:电感式传感器、音频振荡器、电桥、差动放大器、移相器、相敏检波器、低通滤波器、电压表、示波器。测量时按图2-1-5接线, 调节好系统各部分。
图2-1-5 电感式传感器振动测量电路图
低频振荡器接入“激振I ”, 使振动圆盘保持适当振幅。维持低频振荡器输出幅度不变, 用示波器观察低通滤波器的输出, 电压/频率表2kHz 档接低频输出端, 改变振荡频率从5~30Hz,读出Vop-p 值。
根据实验结果做出振动台的振幅—频率特性曲线。[8]
结论
该方法通过电感式传感器对振动进行测量，原理简单，简便易行，电感式传感器有以下特点：
（1）结构简单，传感器无活动电触点，工作可靠寿命长；
（2）灵敏度和分辨力高，传感器的输出信号强；
（3）线性度和重复性都比较好，同时，这种传感器能实现信息的远距离传输、记录、显示和控制，它在工业自动控制系统中广泛被采用。
但不足的是，它有频率响应较低，不宜快速动态测控等缺点。
2.1.5 微变电容式传感器振动测量
电容式传感器是将被测非电量的变化转换为电容量变化的一种传感器。结构简单、高分辨力、可非接触测量，并能在高温、辐射和强烈振动等恶劣条件下工作，这是它的独特优点。
随着MEMS 技术的发展, 电容式MEMS 传感器具有结构简单、分辨率高等优点, 它广泛应用于位移、振动、角度、加速度等物理量的测量, 而且, 还逐步扩大应用于压力、差压、液面、成分含量的测量。在振动、角度等测量领域, 采用差动式结构的MEMS 电容传感器可进一步提高灵敏度, 减小非线性误差, 然而, 受结构微型化的影响, 这种传感器的电容量一般只有几个pF, 而由外界引起的差分电容变化量就更小。因此, 提出了一种将差分电容的变化量检测出来, 并将其转换为角度—振动信号方法。
基本原理
如图2-1-6所示, 电容器中央是一块被悬置的敏感质量块, 可左右移动, 两侧为固定电极, 图中标示的方向为敏感质量块的移动方向。当左、右电极与中央质量块的间隙相等时, 结构电容C1=C2=C0。如果芯片有位移时, 质量块偏离平衡位置, 使得2个结构电容的电容量发生相反的变化, 通过检测两电容信号即可得到位移量的大小。[9]
图2-1-6 微变电容式传感器结构示意图
当电容式传感器在敏感方向上受到外力作用产生加速度时, 质量块偏离平衡
位置, 导致2个结构电容大小不同。应用方波电压信号激励差分电容, 2个结构电容充电至稳态的时间有所不同, 通过检测充电峰峰值的差别, 得出原始信号。然后, 经过低通滤波去除原始信号中的尖峰脉冲干扰, 再进一步通过均值滤波等方法分析处理得出振动和角度变化信号。这里, 选取单片机作为整个电路的基础, 该电路具有良好的扩展性能。
电容式传感器有以下特点：
优点：
（1）温度稳定性好；
（2）电容式传感器结构简单，易于制造，易于保证高的精度；
（3）动态响应好，系统工作频率高。它可用于测量高速变化的参数；
（4）可以非接触测量，具有平均效应。
缺点：
（1）输出阻抗高，负载能力差；
（2）寄生电容影响大。
2.1.6 无源伺服传感器的振动测量
振动测量系统的组成
如图2-1-7所示, 一个振动测量系统通常由传感器、放大器、数据采集分析系统及其相应的传输线组成。传感器是其中的一个关键环节, 用于拾取测量信号; 由传
感器输出的信号很微弱, 一般只有几个毫伏, 在测量小信号时甚至只有几个微伏, 而且该信号一般还混杂有各种噪声, 所以传感器的后面通常会连接一个放大器对信号进行放大滤波处理。信号经放大器放大后送入数据采集系统根据具体需要可以进行各种分析处理。
图2-1-7 振动测量系统的组成
无源伺服传感器的基本原理
无源伺服传感器属动圈换能传感器, 结构可用图2-1-8所示的模型描述。基本
测量原理为:测量时, 将传感器与被测物体刚性连接, 传感器与被测物体一起振动。传感器振动时, 带动内部的摆体运动, 摆体处在磁场中, 摆体运动时, 绕在摆体上的线圈(称为动圈) 切割磁力线产生感应电动势, 通过合理控制可以使该电动势与被测振动形成确定的函数关系, 这样就能检测出外界振动, 通过不同的控制, 传感器可以测量速度和加速度, 经放大器积分变换后还可测位移。
图2-1-8 动圈换能无源伺服反馈传感器原理图
在图2-1-8中, 主线圈用于输出传感器信号, 标定线圈用于标定传感器参数,m 为摆体的质量, k为弹性元件的刚度, b为包括空气阻尼在内的机械阻尼力系数, G为动圈的机电耦合系数,X 为被测振动的运动位移,x 为摆体相对于被测振动的运动位移。Rs 为主线圈内阻, e为传感器的输出电压。[10]
无源伺服传感器低频特性良好, 动态范围大、分辨率高、可以测量多个参量, 因此广泛用于低频超低频振动测量。
2.2 光学法振动测量
2.2.1 激光干涉原理在振动测量中的应用
振动量值的计量是计量科学中一个非常重要的方面。在现实中, 描述振动特性的最常用的量值是位移、速度、加速度。常用的测振技术是接触式测量。在测量物体上安装加速度传感器, 利用加速度传感器的电荷输出信号实现加速度-速度-位移的相关测量。如果测量较小物体的振动, 附加的传感器质量往往影响被测物体的振动, 从而产生测量误差; 而且一些工作场合因被测物体表面影响或是测量条件的限制往往不允许在被测物体表面安装测振传感器。因此设计和开发新型的非接触式、高精度、实时性的测振技术一直是工程科学和技术领域中的重要任务。
激光振动检测是激光测量技术的重要应用之一[11]。由于激光的方向性、单色性和相干性好等特性, 使激光测量技术广泛应用于各种军事目标的测量和精密民用测量中, 尤其是在测量各种微弱振动、目标运动的速度及其微小的变化等方面。
激光干涉测振原理
激光干涉测振技术是以激光干涉原理为基础进行测试的一门技术, 测试灵敏度和准确度高, 绝大部分都是非接触式的。激光干涉原理如图2-2-1所示。
图2-2-1 激光干涉原理
光源S 处发出的频率为f 、波长为λ的激光束一部分投射到记录介质H(比如全息干板) 上, 光波的复振幅记为E1, 另一部分经物体O 表面反射后投射到记录介质H 上, 光波的复振幅记为E2。其中:
E 1=A 1cos(2πft +σ1) （1） E 2=A 2cos(2πft +σ2) （2） 式中:A1和A2分别为光波的振幅; ζ1和ζ2分别是光波的位相; 当E1和E2满足相干条件时, 其光波的合成复振幅E 为:
E =E 1+E 2=A 1cos(2πft +σ1) +A 2cos(2πft +σ2) （3） 光强分布I 为:
2 I =E =A 12cos 2(2πft +σ1) +A 2cos 2(2πft +σ2) + 2A 1A 2cos(2πft +σ1) cos(2πft +σ2)
2 =A 12cos 2(2πft +σ1) +A 2cos 2(2πft +σ2) + A 1A 2cos(4πft +σ1+σ2) +A 1A 2cos(σ1-σ2) （4）
式(4)的四项中前三项均为高频分量, 只有第四项为低频分量, 且与物体表面的状态有关。第四项的含义是ζ2代表的物体表面与ζ1代表的参考面之间的相对变化量。因此通过处理和分析物体表面与参考在变形前后的位相变化、光强变化等, 从而得到被测物体振动速度、位移等关系式。[12] 2
激光干涉测振方法分析
激光干涉测振主要的方法有:时间平均全息方法、激光散斑干涉技术、激光
多普勒测振技术等。
时间平均全息方法：
对于在某一稳定频率下作简谐振动的物体, 用连续激光照射, 并在比振动周期长得多的时间内在全息干板上曝光, 可将物体表面所反射的光与未作位相调制的参考光相叠加, 将两束光的干涉图记录在全息干板上。其重现象由反映节线和等振幅线组成的干涉条纹来表示振幅分布。这就是时间平均全息方法的测振原理。
如果物体振动的规律不同, 条纹的强度分布规律也不同, 但计算方法是类似的。时间平均全息方法的实验过程简单, 节线清晰, 可以检测形状复杂的透光物体或反射物体以及漫散射体, 因此在振动分析中广泛使用。不足之处是测量范围小(仅几十微米左右), 对记录信息过多, 对记录介质的分辨率要求过高, 故限制了应用范围。
激光散斑干涉技术：
激光散斑干涉是指被测物体表面的散射光产生的散斑与另一参考光相干涉, 当物体表面发生变化时, 如位移或变形等, 干涉条纹也发生变化。通过对这些干涉条纹的处理, 可以得到物体表面的振动情况。
散斑法光路简单, 不但可以非接触测量, 无损检测, 而且可以遥感测量。不仅用来研究物体的状态, 而且可对物体作振动分析。
激光多普勒测振技术:
如果一定频率的声波、无线电波或光波在传播过程中, 对于接收器有相对运动时, 接收器接收到的反射波的频率会随相对运动的速度变化, 这种现象叫做多普勒频移效应。激光多普勒测振原理就是基于测量从物体表面微小区域反射回的相干激光光波的多普勒频移ΔfD, 进而确定该测点的振动速度V 。利用激光多普勒效应, 不仅能测量固体的振动速度, 而且也能测量流体的流动速度。
激光多普勒技术具有测量精度高, 空间分辨力高, 动态响应快, 非接触测量的特点, 适用于高温、高压、高速、放射等特殊环境中, 应用范围广泛。但也存在一定的缺陷, 受被测体表面情况影响较大, 另外光学测量头的性能也会影响测量精度。[11]
一般的干涉测量需要极为严格的实验环境, 因为系统对环境的变化十分敏感, 给测量带来了极其不利的影响[13], 因此要建立恒温系统来减小测量误差。
2.2.2 PSD 在弦振动测量中的应用
位置敏感器件PSD (Position Sensitive Device)。PSD 属于半导体器件, 一般做成P+IN结构, 具有高灵敏度、高分辨率、响应速度快和配置电路简单等优点, 其弱点主要是非线性。其工作原理是基于横向光电效应。作为新型器件, PSD 已经被广泛应用在位置坐标的精确测量上, 如: 兵器制导和跟踪、工业自动控制、或位置变化等技术领域上。
PSD 光电器件是一种光能/位置转换器件，由于位置量为模拟量输出，系统响应快，分辨率高，成本低，因此具有广泛应用的价值。同时可对目标信号进行调制，因而可以显著提高系统的抗干扰能力，可以用来实现高速、高精度、抗干扰能力强的位置检测系统。因而近年来采用PSD 作为位置检测实现技术一直受到重视，并不断研究开发出新的应用技术。研究表明，PSD 与CCD 器件的最大
不同之处是光电位置信号与照射强度相关，以及PSD 信号的非线性影响，因而PSD 传感装置主要用于一维和二维位置量检测，直接用于D3定位和位置测量还有许多问题需要解决。
PSD 传感器的结构原理及工作原理
图2-2-2 一维PSD 的剖面图
当PSD 表面受到光照射时, 在光斑位置处产生比例于光能量的电子-空穴对流过P 层电阻, 分别从设置在P 层相对的两个电极上输出光电流I 1和I 2, 由于P 层电阻是均匀的, 电极输出的光电流反比于入射光斑位置到各自电极之间的距离, 光电流I 1和I 2可以用下面两种方式表示:
(1)坐标原点选在PSD 光敏面的中心时:
L -X A I 1=I 0 (1) 2L
L -X A I 2=I 0 (2) 2L
由式(1)和式(2)可以得到X A 的表达式:
X A =I 2-I 1L (3) I 1+I 2
(2)坐标原点选在PSD 光敏面的一端时:
2L -X B I 1=I 0 (4) 2L
X I 2=I 0B (5) 2L
由式(4)和式(5)可以得到:
X B =2L I 2 (6) I 1+I 2
式中:XA 为PSD 光敏面上的中心到入射光点之间的距离;X B 为选取一端的PSD 的光敏面的边缘到入射光点的距离;L 为PSD 光敏感面的有效长度的1/2;I1,I 2为两个光电极的输出电流;I0为基极的输入电流, 在数值上等于I 1和I 2两者数量之和。由式(3)和式(6)就可以把所测得两个电极的输出光电流I 1,I 2代入到公式中即可解得光点距中心的距离大小X A , 距另一端的距离X B , 即入射光在PSD 感光表面的位置。
PSD 弦振动测试系统的结构组成及原理
为了使振源的振动能够通过PSD 传感器的输出信号真实的反映出来, 通过实验找到一种可行的方法, 振动测试平台如图2-2-3所示,PSD 弦振动测试系统原理如图2-2-4所示。系统组成所用的器件主要有半导体激光发生器、短距聚焦透镜、吉它弦、镜片、PSD 传感器、电源、放大电路、示波器、计算机等。把激光发生器固定在振动测试平台上, 使得激光发生器发出的激光和镜片处在同一水平面上, 由于所采用的激光光源为半导体激光发生器, 其光斑模式比较大, 能量分散, 为了提高PSD 的测量精度, 在半导体激光发生器和镜片中间要用一个透镜进行聚焦, 使得激光入射到PSD 的感光表面时能量能够聚到一个最小的面积上。其原理为:半导体激光发生器发出的水平方向上的激光经过透镜聚焦照射到反光镜片上, 垂直反射到PSD 传感器的感光表面上, 经过PSD 传感器传换成电信号送入前置放大器, 放大后的模拟信号再送入贮存式示波器, 示波器一方面可以显示PSD 输出信号的波形, 另一方面还可以进行振动信号数据采样, 把模拟输入信号转换成数字信号送入计算机, 最后在计算机中作进一步的数据分析和处理, 并最终得到振动信号的振动曲线。
图2-2-3 振动测试平台实物图
图2-2-4 振动测试系统的原理图
经过计算机处理后, 可将所采集到的数据作进一步的处理, 画出光点在PSD 的感光表面的振动波形, 再作进一步的分析就可以得出光点的振动频率、幅值。[14]
结论
位置敏感器PSD 是一种基于横向光电效应的位置传感器, 不仅能够对照射在其感光表面的光点的位置进行精确的定位, 而且对连续快速移动的光点位置能够快速的响应。利用“半导体激光光源-振源-位置传感器PSD ”组建一个简易的振动测试系统, 外加PSD 振动信号处理电路和计算机处理系统。对
PSD 传感器在不同的振源、振动频率的情况下进行实验分析, 验证了PSD 传
感器不仅在位置测量领域有着自身的长处, 而且在振动测量也有着独特的优势。
2.2.3 全光纤传感器振动测量
光纤传感技术是近几十年来迅速发展起来的一门新型科学。与传统的各类传感器相比, 光纤传感器具有一系列独特的优点, 灵敏度高、抗电磁干扰、耐腐蚀、耐高压、防爆阻燃、光路可绕曲性好、几何形状具有多方面适应性等, 使其成为在诸多环境下的有效测量手段。
光纤传感器的基本工作原理是将来自光源的光经过光纤送入调制器，使待测参数与进入调制区的光相互作用后，导致光的光学性质（如光的强度、波长、频率、相位、偏正态等）发生变化，称为被调制的信号光，在经过光纤送入光探测器，经解调后，获得被测参数。光纤传感器具有以下优点：
一、灵敏度较高；
二、几何形状具有多方面的适应性，可以制成任意形状的光纤传感器；
三、可以制造传感各种不同物理信息（声、磁、温度、旋转等）的器件；
四、可以用于高压、电气噪声、高温、腐蚀、或其它的恶劣环境；
五、而且具有与光纤遥测技术的内在相容性。
To perform non-invasive vibration measurements in industrial environments, and/or on large structures found in aerospace engineering, and/or in very small devices used in micro-manipulation, optical methods are a preferable choice.[15]
光学干涉使无接触表面振动分析，提供多位移灵敏度比光的波长的分析和更小的频率范围非常广泛。[16]
全光纤传感器的设计与工作原理
全光纤传感器结构如图2-2-5所示
图2-2-5 全光纤传感器结构图
由于振动源介入全光纤系统的光路结构, 不同时间的振动信息使得干涉系统相干光束的光程差不同, 干涉信号的相位变化表现为光强度的不同, 通过反演干涉信号的相位, 得到振动信号的速度随时间的变化剖面曲线, 再通过微分和积分运算得到加速度和位移。
图2-2-6中全光纤干涉系统利用两只光纤耦合器构造干涉光路, 由于光源相干长度小, 从耦合器1出发的光路中只有经延迟臂→耦合器2→振动表面反射→耦合器2→直通臂和经直通臂→耦合器2→振动表面反射→耦合器2→延迟臂的
两束光因延迟臂的存在到达振动表面时间相差η最终能在耦合器1能形成稳定的干涉。系统由于干涉光路的对称性, 对温度变化等外界干扰具有明显的消除, 从原理上确保了系统工作的稳定性和可靠性。
图2-2-6 全光纤干涉系统结构示意图
未经延迟到达振动反射表面的光束x 1(t)和经延迟时间η到达振动反射表面的光x 2(t-η) 干涉, 得
j πx (t ) =x 1(t ) +x 2(t -τ) exp(-) (1) 2
x(t)通过PIN 光电探测器、放大器后的交流干涉项为
p (t ) =A sin[φ(t ) -φ(t -τ)] (2)
经反正弦变换后得
y (t ) =B [φ(t ) -φ(t -τ)] (3)
其中,A 、B 为比例系数。 2[s (t ) -s (t -τ)]⨯2π (4) φ(t ) -φ(t -τ) =λ
上式中, λ为激光的中心波长, η为光纤延迟线对应的光波传输时间, 与延迟线长度成正比。当η→0时, 可近似认为 4πv (t ) τ φ(t ) -φ(t -τ) = (5) λ
即两束光t 时刻的相位差与振动表面速度成正比, 也可以认为是系统得到的干涉条纹数N(t)与速度V(t)成正比, 可表示为:
λN (t ) (6) V (t ) =2τ
τ=n e f f L (7) C
式(2)中,C 为真空中的光速,n eff 为光纤纤芯的等效折射率,L 为光纤延迟
线长度。从式(7)得出全光纤传感器的灵敏度与光纤延迟线长度成正比, 对于小信号, 可以采用增加延迟线长度的方法提高测量精度; 对于大信号, 可减小光纤延迟线, 以保障系统具有足够的带宽, 满足测试的需要。通过调整光纤延迟线, 实现对不同振动信号(振动频率不同、幅度不同) 的测试。而一般机械式传感器, 对振动频率的要求较严格, 不同的振动频率只能采用不同的传感器; 全光纤传感器对振动频率不敏感, 能够实现超低频(零点一赫兹以下) 和超高频(数十仟赫兹以上) 振动信号的测试。因此, 它具有广阔的应用范围, 它不仅能够实现传统振动测试仪器的功能, 还能弥补常规振动测试仪器的不足。[17]
2.2.4 激光光栅多普勒效应微小振动测量
此外还有激光光栅多普勒效应微小振动测量，这是为了提高测量微小振动的精度和动态范围, 提出的一种基于激光光栅多普勒效应的微振动测量系统[18]。这里就不再过多介绍。
结 论
本文主要介绍了各种振动测量技术，根据电测法、光学法分别介绍了基于压电式传感器、基于电磁感应传感器、电感式传感器、电阻式应变传感器、微变电容式传感器、无源伺服传感器、激光干涉、PSD 传感器以及全光纤传感器的振动测量方法原理及基本组成，以及这些测量方法的特点。
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摘 要
振动的研究与测试在工程应用和科学测量中占有非常重要的地位。当代工程中各种机械系统, 如大型发电设备, 电动机, 重型机械, 汽车, 船舶, 航空航天设备, 等, 都不断向着高速、高准确度方向发展。为保证其良好的性能以及可靠的寿命, 振动问题已成为必须认真研究和解决的重要课题。以压电式、电磁式以及半导体式为代表的传统振动测试装置以其原理简单、成本低等优点而广泛应用于各个领域。
振动测量技术是利用各种方法测量振动信号从而检测出系统的振动特性，本文主要介绍了基于电测法和光学法对振动的测量，根据这两种方法例举了一些振动测量的实例。
关键字：振动测量；电测法；光学法
Abstract
Vibration research and testing in the engineering and scientific measurement
plays a very important position.Contemporary works of various mechanical systems such as large-scale power generation equipment, motors, heavy machinery,
automobiles, ships, aerospace equipment, etc have been toward the high-speed, high accuracy direction.In order to ensure their good performance and reliable service life, vibration has become must seriously study and solve important issues.By
piezoelectric, electromagnetic and semiconductor type as the representative of the traditional principle of vibration test equipment for its simple, low cost and widely used in various fields.
Vibration measurement technology is the use of measured vibration signals to
detect the vibration characteristics of the system, this paper introduces the
measurement method based on electrical and optical vibration measurement method, according to two methods of measuring vibration cite some examples.
Keywords : Vibration measurement; electric method; optical method
目 录
摘 要.......................................................... I Abstract........................................................ I
第1章 绪论................................................. - 1 -
1.1 什么是振动.......................................... - 1 -
1.2 振动测量目的........................................ - 1 -
1.3 振动测量技术简介.................................... - 2 -
1.3.1 振动测量分类.................................. - 2 -
1.3.2 振动参量的测量................................ - 3 -
1.3.3 机械阻抗测量.................................. - 4 -
1.3.4 振动信号的频谱分析............................ - 4 -
1.4 振动测量的意义...................................... - 5 -
第2章 振动测量技术......................................... - 5 -
2.1 电测法振动测量...................................... - 5 -
2.1.1 压电式加速度传感器在振动测量.................. - 5 -
2.1.2 基于电磁感应的扭转振动测量.................... - 7 -
2.1.3 电阻式应变传感器振动测量...................... - 9 -
2.1.4 电感式传感器振动测量......................... - 11 -
2.1.5 微变电容式传感器振动测量..................... - 12 -
2.1.6 无源伺服传感器的振动测量..................... - 13 -
2.2 光学法振动测量..................................... - 14 -
2.2.1 激光干涉原理在振动测量中的应用............... - 14 -
2.2.2 PSD在弦振动测量中的应用 .................... - 16 -
2.2.3 全光纤传感器振动测量......................... - 19 -
2.2.4 激光光栅多普勒效应微小振动测量............... - 21 -
结 论..................................................... - 21 - 参考文献................................................... - 22 -
第1章 绪论
1.1 什么是振动
振动是指一个状态改变的过程。即物体的往复运动。
从广义上说振动是指描述系统状态的参量在其基准值上下交替变化的过程。狭义的指机械振动，即力学系统中的振动。电磁振动习惯上称为振荡。力学系统能维持振动，必须具有弹性和惯性。由于弹性，系统偏离其平衡位置时，会产生回复力，促使系统返回原来位置；由于惯性，系统在返回平衡位置的过程中积累了动能，从而使系统越过平衡位置向另一侧运动。正是由于弹性和惯性的相互影响，才造成系统的振动。按系统运动自由度分，有单自由度系统振动和多自由度系统振动。有限多自由度系统与离散系统相对应，其振动由常微分方程描述；无限多自由度系统与连续系统相对应，其振动由偏微分方程描述。方程中不显含时间的系统称自治系统；显含时间的称非自治系统。按系统受力情况分，有自由振动、衰减振动和受迫振动。按弹性力和阻尼力性质分，有线性振动和非线性振动。振动又可分为确定性振动和随机振动，后者无确定性规律，如车辆行进中的颠簸。振动是自然界和工程界常见的现象。振动的消极方面是：影响仪器设备功能，降低机械设备的工作精度，加剧构件磨损，甚至引起结构疲劳破坏；振动的积极方面是：有许多需利用振动的设备和工艺。振动分析的基本任务是讨论系统的激励、响应和系统动态特性三者之间的关系。20世纪60年代以后，计算机和振动测试技术的重大进展，为综合利用分析、实验和计算方法解决振动问题开拓了广阔的前景。
1.2 振动测量目的
振动是工程技术和日常生活中常见的物理现象，在大多数情况下，振动是有害的，它对仪器设备的精度，寿命和可靠性都会产生影响。当然，振动也有可以被利用的一面，如输送、清洗、磨削、监测等，无论是利用振动还是防止振动，都必须确定其量值。在长期的科学研究和工程实践中，已逐步形成了一门较完整的振动工程学科，可供进行理论计算和分析。但这些毕竟还是建立在简化和近似的数学模型上，还必须用试验和测量技术进行验证。随着现代工业和现代科学技术的发展，对各种仪器设备提出了低振级和低噪声的要求，以及对主要生产过程或重要设备进行监测、诊断，对工作环境进行控制等等。这些都离不开振动的测量。
1.3 振动测量技术简介
1.3.1 振动测量分类
1）振动信号分类
振动信号按时间历程的分类可分为确定性振动和随机振动两大类。
确定性振动可分为周期性振动和非周期性振动。周期性振动包括简谐振动和复杂周期振动。非周期性振动包括准周期振动和瞬态振动。准周期振动由一些不同频率的简谐振动合成，在这些不同频率的简谐分量中，总会有一个分量与另一个分量的频率之比值为无理数，因而是非周期振动。
随机振动是一种非确定性振动，它只服从一定的统计规律性。可分为平稳随机振动和非平稳随机振动。平稳随机振动又包括各态历经的平稳随机振动和非各态历经的平稳随机振动。
一般来说，仪器设备的振动信号中既包含有确定性的振动，又包含有随机振动，但对于一个线性振动系统来说，振动信号可用谱分析技术化作许多谐振动的叠加。因此简谐振动是最基本也是最简单的振动。
2）振动测量方法分类
振动测量方法按振动信号转换的方式可分为电测法、机械法和光学法。
电测法：将被测对象的振动量转换成电量，然后用电量测试仪器进行测量，灵敏度高，频率范围及动态、线性范围宽，便于分析和遥测，但易受电磁场干扰。是目前最广泛采用的方法。
机械法：利用杠杆原理将振动量放大后直接记录下来，抗干扰能力强，频率范围及动态、线性范围窄、测试时会给工件加上一定的负荷，影响测试结果，用于低频大振幅振动及扭振的测量。
光学法：利用光杠杆原理、读数显微镜、光波干涉原理，激光多普勒效应等进行测量，不受电磁场干扰，测量精度高，适于对质量小及不易安装传感器的试件作非接触测量。在精密测量和传感器、测振仪标定中用得较多。
根据测量传感器类型，可分为发电型、电参数变化型、伺服型。其中发电型可分为压电式、电动式、电磁式，电参数变化型可分为电容式、电感式、电阻式。
3）测振传感器分类
拾振部分是振动测量仪器的最基本部分，它的性能往往决定了整个仪器或系统的性能。根据测量传感器类型，可分为发电型、电参数变化型、伺服型。其中发电型可分为压电式、电动式、电磁式，电参数变化型可分为电容式、电感式、电阻式。
1.3.2 振动参量的测量
振动参量是指振幅、频率、相位角和阻尼比等物理量。
1）振幅的测量
振动量的幅值是时间的函数，常用峰值、峰峰值、有效值和平均绝对值来表示。峰值是从振动波形的基线位置到波峰的距离，峰峰值是正峰值到负峰值之间的距离。在考虑时间过程时常用有效（均方根）值和平均绝对值表示。有效值和平均绝对值分别定义为
z 有效=zrms =
1T ⎰T 0z 2(t ) dt
z|平均|== Z= 1T ⎰T
0|z (t ) |dt
对于谐振动而言，峰值、有效值和平均绝对值之间的关系为
z rm s =z =z f 2 22
式中，Zf 为振动峰值。
2）谐振动频率的测量
谐振动的频率是单一频率，测量方法分直接法和比较法两种。直接法是将拾振器的输出信号送到各种频率计或频谱分析仪直接读出被测谐振动的频率。在缺少直接测量频率仪器的条件下，可用示波器通过比较测得频率。常用的比较法有录波比较法和李沙育图形法。录波比较法是将被测振动信号和时标信号一起送入示波器或记录仪中同时显示，根据它们在波形图上的周期或频率比，算出振动信号的周期或频率。李沙育图形法则是将被测信号和由信号发生器发出的标准频率正弦波信号分别送到双轴示波器的y 轴及x 轴，根据荧火屏上呈现出的李沙育图形来判断被测信号的频率。
3）相位角的测量
相位差角只有在频率相同的振动之间才有意义。测定同频两个振动之间的相位差也常用直读法和比较法。直读法是利用各种相位计直接测定。比较法常用录波比较法和李沙育图形法两种。录波比较法利用记录在同一坐标纸上的被测信号与参考信号之间的时间差η求出相位差。
ϕ=⨯360
李沙育图测相位法则是根据被测信号与同频的标准信号之间的李沙育图形来判别相位差。
4）阻尼比测量
阻尼比是导出参数，可以通过测量振动的某些基本参数，再用公式算出。常用的方法有振动波形图法、共振法、半功率点法和李沙育图法四种。 T
1.3.3 机械阻抗测量
振动测量从本质上说属动态测量，测振传感器检测的信号是被测对象在某种激励下的输出响应信号。振动测量的一个主要目的就是通过对激励和响应信号的测试分析，找出系统的动态特性参数，包括固有频率、固有振型、模态质量、模态刚度、模态阻尼比等。振动测量是结构模态分析和设备故障诊断的基础。
1.3.4 振动信号的频谱分析
在振动测量中，由测振传感器接收的信号通常是复杂的时间函数。利用信号处理技术，通过傅里叶变换，将时域信号转换成频域信号加以分析的方法就称为频谱分析。频谱分析技术包括幅值谱分析、自功率谱密度函数分析、互功率谱密度函数分析、相干函数分析、倒频谱分析等。振动信号经过频谱分析，可以求得信号的频率成分和结构，并进而分析系统的传递特性；通过频谱分析，还可以对被测对象进行振动监测和故障诊断。
机器故障诊断学是识别机器或机组运行状态的科学，它研究的是机器或机组运行状态的变化在诊断信息中的反映。机器故障诊断技术很复杂，方法也很多。可用作诊断的信息包括温度、应力、变形、排放气体和液体以及润滑油的物理化学参数等。利用振动和噪声的响应信号，并对其进行频谱分析则是常采用的主要诊断手段。
1.4 振动测量的意义
振动的研究与测试在工程应用和科学测量中占有非常重要的地位。振动可以传播到人体的振动车辆，机械，结构件，在与人体，或通过声音宛如表面接触辐射领域[1]。当代工程中各种机械系统, 如大型发电设备, 电动机, 重型机械, 汽车, 船舶, 航空航天设备, 等, 都不断向着高速、高准确度方向发展。随着工业技术的飞速发展, 各种机械结构向高速度、高精度、小型化方向发展, 这就对物体的振动特性控制提出了越来越高的要求[2]。为保证其良好的性能以及可靠的寿命, 振动问题已成为必须认真研究和解决的重要课题。
第2章 振动测量技术
根据振动测量方法分类，振动测量按振动信号转换的方式可分为电测法、机械法和光学法。
下面重点介绍电测法和光学法振动测量技术。
2.1 电测法振动测量
2.1.1 压电式加速度传感器在振动测量
压电式传感器是基于压电效应的传感器。是一种自发电式和机电转换式传感器。它的敏感元件由压电材料制成。压电材料受力后表面产生电荷。此电荷经电荷放大器和测量电路放大和变换阻抗后就成为正比于所受外力的电量输出。压电式传感器用于测量力和能变换为力的非电物理量，如压力、加速度等。
压电效应可分为正压电效应和逆压电效应。正压电效应是指：当晶体受到某固定方向外力的作用时, 内部就产生电极化现象, 同时在某两个表面上产生符号相反的电荷；当外力撤去后，晶体又恢复到不带电的状态；当外力作用方向改变时，电荷的极性也随之改变；晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。压电式传感器大多是利用正压电效应制成的。
压电式加速计的测振原理
压电式传感器是一种机电换能器, 所用的压电材料(如天然石英、人工极化陶瓷等) 在受到一定的机械荷载时, 会在压电材料的极化面上产生电荷, 其电荷量与所受的载荷成正比。当压电晶体片受力时, 晶体的两表面上聚集等量的正、负电荷, 由于晶体片的绝缘电阻很高, 因此压电晶体片相当于一只平行板电容器, 如图
2-1-1所示。
图2-1-1 压电晶体内部等效图
εA 其电容量为 C a = d
晶体片上产生的电压量与作用力的关系
e a =d d q d 33d =F =33F m sin ωt (1) C a εA εA
式中:ε为压电晶体的介电常数;A 为晶体片(构成极板) 的面积;d 为晶体片的厚度;d33为压电系数;F 为沿晶轴施加的力。
压电式加速度计的晶体片确定后,d33、d 、ε、A 都是常数, 则晶体片上产生的电压量与作用力成正比。测量时, 将压电式加速度计基座与试件刚性固定在一起(安装基面粗糙度不超过0·41μm) 。当加速度计受振动时, 由于压电片具有的压电效应, 它的2个表面上就会产生交变电荷(电压) 。而此交变电荷(电压) 又与作用力成正比, 因此交变电荷(电压) 与试件的加速度成正比。这就是压电式加速度计
[3]能够将振动加速度转变成为电量进行测振的原理。
系统组成
(1)压电式加速度计
测试系统中, 压电式加速度计的作用是把振动量转换成相应的电信号。
(2)电荷放大器
压电加速度计产生的电荷量很小, 输出阻抗很高, 因此与它相连的仪器输入阻抗的大小将对测量系统的性能产生重大影响。高输入阻抗的前置放大器就是以此为目的而设置的。
压电加速度计与电荷放大器相连后的等效电路如图2-1-2所示。其中,q 为传感器产生的电荷;A 为电荷放大器开环放大倍数;Ra 为传感器内部电阻;Ri 为电荷放大器的输入电阻;Ca 为传感器内部固有电容;Cc 为连接电缆的分布电容;Ci 为放大器的等效电容;Cf 为电荷转换级的反馈电容; Ui与Uo 分别为电荷放大器的输入与输出电压。
图2-1-2 电荷放大器等效电路
电荷放大器实际上是具有负反馈电容、输入阻抗极高的高增益运算放大器。它将压电加速度计看成电荷源, 并输出与之成正比的低输入阻抗的电信号。其作用是:变压电加速度计的高输出阻抗为前置放大器的低输出阻抗, 以便同测仪相匹配; 放大从传感器输出的微弱信号, 或者把它的电荷变成电压信号; 输出电压归一化。即它与不同灵敏度的传感器相配合时, 在相同的信号输入下, 达到相同的输出电压。
(3)动态数据采集测试仪
动态数据采集测试仪是振动测试系统最重要的一环。其实质是一种带通讯接口和程序控制的多功能智能仪表, 具有内置调理功能, 可直接对加速度信号进行测量, 也可以通过相应的控制模块对外控制输出, 通过其自带的RS-232、RS-485/422、GPIB 或Ethernet 等通讯接口, 能与加速度传感器、前置处理器、计算机等设备组成适用于各种领域的振动测量数据测试分析系统。[3]
压电式传感器应用特点：
（1）灵敏度和分辨率高，线性范围大，结构简单、牢固，可靠性好，寿命长；
（2）体积小重量轻，刚度强度、承载能力和测量范围大，频带宽，动态误差小；
（3）易于大量生产，便于选用，使用和校准方便，并适用于近测、遥测。
2.1.2 基于电磁感应的扭转振动测量
在回转机械中, 轴的扭转振动是一种振动形式, 它是由于作用在轴上的扭矩随时间变化而产生的旋转振动。对于大型回转机械, 这种振动的破坏性很强, 极易引起机械结构疲劳破坏, 尤其是当振动频率接近机械结构的固有频率时, 破坏性将会更严重。因此对扭转振动进行测量具有重大意义。
本文研究基于电磁感应的扭转振动测量及相应的信号提取方法, 基本思路是使线圈与永磁体做相对运动, 根据线圈切割磁感应线的速度与感应电动势正相关的原理, 由线圈两端的电压变化量计算各点的瞬时速度变化量, 再由瞬时速度变化量积分求出扭振信息。与其他方法相比, 该方法有以下优点:a)对硬件性能要求不高;b) 利用信号的幅值提取扭振, 算法较简单;c) 能较好地消除轴向振动和部分横振的影响。
There are two methods commonly used in torsional vibration measurement.One is to fit sensitive strain gauges to the shaft journal.The torsional deformation will be estimated by analysing the shear strain.[4]
测量原理
电磁感应现象即闭合导体的一部分在磁场中做切割磁感线的运动时, 导体中就会产生电流, 如果不是闭合回路, 则导体中自由电子的定向移动使断开处两端积累正、负电荷而产生电势差———感应电动势。
当导体L 在磁场中运动时, 导体内的自由电子受到的洛仑兹力为
→
f =-e (V ⨯B ) （1）
→→→其中,-e 为电子所带电量; f 为洛仑兹力; V 是线元 d L 处导体的速度; →→
B 是线元d L 处的磁场强度。
由(1)式可得作用在单位正电荷上的洛仑兹力为: →→f =V ⨯B （2） k =-e →→→
于是得动生电动势:
ε=⎰k ⋅d L =⎰(V ⨯B ) ⋅d L （3） -L +→→→→
不论导体是否闭合, 只要作切割磁感应线的运动, 导体中都会产生动生电动势。
可以看出, 若在每一时刻, B 和d L 是定值, 且 V 与 B 垂直的话, 则感应电动势的大小与线圈在磁场中的相对运动速度成正比。由此可以设计感应电路, 使随轴转动的磁体不断通过固定的线圈, 当轴平稳旋转时, 感应电动势是稳定且规则的波形; 当有扭振发生时, 速度的变化就会以与之成正比的量在电动势上体现出来, 而速度的变化表征了扭振信息, 通过一定的算法, 即可得出扭振。[5]
结论
通过设计的扭振测量装置, 可将微弱的转子扭振信号转化为较大幅值的电磁感应信号来进行提取和分析, 方法本身方便易行，和其他方法相比主要的优缺点如下：
优点：
(1)采用调幅波的方式减少了数据采集量和处理难度；
→→→→
(2)采用半周期细分以及对应点比较的算法在准确提取瞬时速度变化量的同时很好地消除了装置制造和安装过程中磁体分布不均等系统精度问题的影响；
(3)使用相对安装的方法较好地消除了轴向振动和部分横振的影响；
(4)整个装置结构简单, 搭建容易, 成本低廉。
缺点：
(1)测量装置可能会改变被测对象的扭振特性；
(2)由于采用电磁感应的方式, 信号容易受周围电磁环境的影响。可以安装相应的电磁屏蔽设备, 但这样会使测量装置复杂化, 应用场合受到限制。
总体来说, 理论分析和实验结果都表明, 该方法是一种行之有效的转子扭振测量方法。
2.1.3 电阻式应变传感器振动测量
将被测非电量（如位移、应变、振动、温度、湿度、气体浓度等）的变化转换成导电材料的电阻变化的装置，称为电阻式传感器。它是将非电量的变化量，利用电阻元件，变换成有一定关系的电阻值的变化，再通过电子测量技术对电阻值进行测量，从而达到对上述非电量测量的目的。
电阻应变式传感器是利用电阻应变片将应变转换为电阻变化的传感器, 传感器由在弹性元件上粘贴电阻应变敏感元件构成。 当被测物理量作用在弹性元件上时, 弹性元件的变形引起应变敏感元件的阻值变化, 通过转换电路将其转变成电量输出, 电量变化的大小反映了被测物理量的大小。应变式电阻传感器是目前测量力、力矩、 压力、加速度、重量等参数应用最广泛的传感器。
各种机械的运转过程总是伴随着各种各样的振动。在机械工业中，进行机械结构或结构的动力分析和动力设计离不开固有频率和阻尼系数这两个基本参数。在工程实践中，常用试验的方法测定动这些参数，主要有电阻应变计法、加速度计法以及近年的一些新技术如光纤传感器等。这其中，加速度计法的频率响应范围较窄，而光纤技术等还不成熟，相比之下，电阻应变测量技术有其独特的优点，如应变片的质量轻，不影响梁的固有特性；频率响应范围宽，可以从0Hz 到几千赫兹；精度高，可以得到2‰的精度；价格低廉、经久耐用、不易损坏、且易粘贴，因而应用较为广泛[6]。
参数计算原理
实验中所需要的参数主要包括：固有频率f0、减缩系数η、δ对数减缩系数、阻尼系数n 、以及阻尼比ζ等等。
对于悬臂梁系统的力学模型，由于振动系统中不可避免地要出现阻尼，整个实验系统可以简化为一个单自由度阻尼自由振动系统，根据等效刚度的原则，可以将梁看作一个弹簧。如跨中受集中荷载P 作用的简支梁，其挠度f 为：
f=PL3/48EI
其中，L —梁的长度；E —材料弹性模量；I —截面贯性矩。
则有：P=(48EIf/L3) ，所以可看作弹簧常数k 为48EI/L3的弹簧。这样，整个系统可以用图2-1-3所示简图来表示。
图2-1-3 带阻尼的质量-弹簧系统
质量为m 的物体压缩弹簧，当物体速度不是很大时，介质的阻力近似与速度成正比，这种线性阻尼也成粘性阻尼。粘性阻尼力Fd 沿物体速度的反方向。则物体的运动方程为：
mx" +cx' +kx =0
22令各项除以m ，化作：x " +2ξω0x ' +ω0x =0或x " +2nx ' +ω0x =
ω0—无阻尼系统的固有频率，ω0=
n —阻尼系数，n =k ； m c ； 2m
ζ—阻尼比，ζ=c ； 2m k
当ζ
图2-1-4 欠阻尼系统的衰减振动
ωd =ω0-ζ2 T d =2π
ω0
实际上，因为阻尼比ζ的值很小，甚至可以忽略，所以一般可以认为ωd =ω0。由于阻尼引起能量耗散，系统不能保持等幅的简谐振动，而转变为振幅不断衰减的衰减振动。相邻两个振幅之比称作减缩系数，记作η [7]
2.1.4 电感式传感器振动测量
电感式传感器是利用电磁感应把被测的物理量如位移，压力，流量，振动等转换成线圈的自感系数和互感系数的变化，再由电路转换为电压或电流的变化量输出，实现非电量到电量的转换。
电感式传感器工作原理
电感式传感器即差动变压器, 由衔铁、初级线圈、次级线圈和线圈骨架等组成。初级线圈作为差动变压器激励, 相当于变压器的原边，次级线圈由两个结构尺寸和参数相同的线圈反相串接而成，相当于变压器的副边。差动变压器是开磁路, 工作建立在互感基础上。
电感式传感器振动测量方法
测量选用CSY10A 型传感器系统实验仪。实验部件:电感式传感器、音频振荡器、电桥、差动放大器、移相器、相敏检波器、低通滤波器、电压表、示波器。测量时按图2-1-5接线, 调节好系统各部分。
图2-1-5 电感式传感器振动测量电路图
低频振荡器接入“激振I ”, 使振动圆盘保持适当振幅。维持低频振荡器输出幅度不变, 用示波器观察低通滤波器的输出, 电压/频率表2kHz 档接低频输出端, 改变振荡频率从5~30Hz,读出Vop-p 值。
根据实验结果做出振动台的振幅—频率特性曲线。[8]
结论
该方法通过电感式传感器对振动进行测量，原理简单，简便易行，电感式传感器有以下特点：
（1）结构简单，传感器无活动电触点，工作可靠寿命长；
（2）灵敏度和分辨力高，传感器的输出信号强；
（3）线性度和重复性都比较好，同时，这种传感器能实现信息的远距离传输、记录、显示和控制，它在工业自动控制系统中广泛被采用。
但不足的是，它有频率响应较低，不宜快速动态测控等缺点。
2.1.5 微变电容式传感器振动测量
电容式传感器是将被测非电量的变化转换为电容量变化的一种传感器。结构简单、高分辨力、可非接触测量，并能在高温、辐射和强烈振动等恶劣条件下工作，这是它的独特优点。
随着MEMS 技术的发展, 电容式MEMS 传感器具有结构简单、分辨率高等优点, 它广泛应用于位移、振动、角度、加速度等物理量的测量, 而且, 还逐步扩大应用于压力、差压、液面、成分含量的测量。在振动、角度等测量领域, 采用差动式结构的MEMS 电容传感器可进一步提高灵敏度, 减小非线性误差, 然而, 受结构微型化的影响, 这种传感器的电容量一般只有几个pF, 而由外界引起的差分电容变化量就更小。因此, 提出了一种将差分电容的变化量检测出来, 并将其转换为角度—振动信号方法。
基本原理
如图2-1-6所示, 电容器中央是一块被悬置的敏感质量块, 可左右移动, 两侧为固定电极, 图中标示的方向为敏感质量块的移动方向。当左、右电极与中央质量块的间隙相等时, 结构电容C1=C2=C0。如果芯片有位移时, 质量块偏离平衡位置, 使得2个结构电容的电容量发生相反的变化, 通过检测两电容信号即可得到位移量的大小。[9]
图2-1-6 微变电容式传感器结构示意图
当电容式传感器在敏感方向上受到外力作用产生加速度时, 质量块偏离平衡
位置, 导致2个结构电容大小不同。应用方波电压信号激励差分电容, 2个结构电容充电至稳态的时间有所不同, 通过检测充电峰峰值的差别, 得出原始信号。然后, 经过低通滤波去除原始信号中的尖峰脉冲干扰, 再进一步通过均值滤波等方法分析处理得出振动和角度变化信号。这里, 选取单片机作为整个电路的基础, 该电路具有良好的扩展性能。
电容式传感器有以下特点：
优点：
（1）温度稳定性好；
（2）电容式传感器结构简单，易于制造，易于保证高的精度；
（3）动态响应好，系统工作频率高。它可用于测量高速变化的参数；
（4）可以非接触测量，具有平均效应。
缺点：
（1）输出阻抗高，负载能力差；
（2）寄生电容影响大。
2.1.6 无源伺服传感器的振动测量
振动测量系统的组成
如图2-1-7所示, 一个振动测量系统通常由传感器、放大器、数据采集分析系统及其相应的传输线组成。传感器是其中的一个关键环节, 用于拾取测量信号; 由传
感器输出的信号很微弱, 一般只有几个毫伏, 在测量小信号时甚至只有几个微伏, 而且该信号一般还混杂有各种噪声, 所以传感器的后面通常会连接一个放大器对信号进行放大滤波处理。信号经放大器放大后送入数据采集系统根据具体需要可以进行各种分析处理。
图2-1-7 振动测量系统的组成
无源伺服传感器的基本原理
无源伺服传感器属动圈换能传感器, 结构可用图2-1-8所示的模型描述。基本
测量原理为:测量时, 将传感器与被测物体刚性连接, 传感器与被测物体一起振动。传感器振动时, 带动内部的摆体运动, 摆体处在磁场中, 摆体运动时, 绕在摆体上的线圈(称为动圈) 切割磁力线产生感应电动势, 通过合理控制可以使该电动势与被测振动形成确定的函数关系, 这样就能检测出外界振动, 通过不同的控制, 传感器可以测量速度和加速度, 经放大器积分变换后还可测位移。
图2-1-8 动圈换能无源伺服反馈传感器原理图
在图2-1-8中, 主线圈用于输出传感器信号, 标定线圈用于标定传感器参数,m 为摆体的质量, k为弹性元件的刚度, b为包括空气阻尼在内的机械阻尼力系数, G为动圈的机电耦合系数,X 为被测振动的运动位移,x 为摆体相对于被测振动的运动位移。Rs 为主线圈内阻, e为传感器的输出电压。[10]
无源伺服传感器低频特性良好, 动态范围大、分辨率高、可以测量多个参量, 因此广泛用于低频超低频振动测量。
2.2 光学法振动测量
2.2.1 激光干涉原理在振动测量中的应用
振动量值的计量是计量科学中一个非常重要的方面。在现实中, 描述振动特性的最常用的量值是位移、速度、加速度。常用的测振技术是接触式测量。在测量物体上安装加速度传感器, 利用加速度传感器的电荷输出信号实现加速度-速度-位移的相关测量。如果测量较小物体的振动, 附加的传感器质量往往影响被测物体的振动, 从而产生测量误差; 而且一些工作场合因被测物体表面影响或是测量条件的限制往往不允许在被测物体表面安装测振传感器。因此设计和开发新型的非接触式、高精度、实时性的测振技术一直是工程科学和技术领域中的重要任务。
激光振动检测是激光测量技术的重要应用之一[11]。由于激光的方向性、单色性和相干性好等特性, 使激光测量技术广泛应用于各种军事目标的测量和精密民用测量中, 尤其是在测量各种微弱振动、目标运动的速度及其微小的变化等方面。
激光干涉测振原理
激光干涉测振技术是以激光干涉原理为基础进行测试的一门技术, 测试灵敏度和准确度高, 绝大部分都是非接触式的。激光干涉原理如图2-2-1所示。
图2-2-1 激光干涉原理
光源S 处发出的频率为f 、波长为λ的激光束一部分投射到记录介质H(比如全息干板) 上, 光波的复振幅记为E1, 另一部分经物体O 表面反射后投射到记录介质H 上, 光波的复振幅记为E2。其中:
E 1=A 1cos(2πft +σ1) （1） E 2=A 2cos(2πft +σ2) （2） 式中:A1和A2分别为光波的振幅; ζ1和ζ2分别是光波的位相; 当E1和E2满足相干条件时, 其光波的合成复振幅E 为:
E =E 1+E 2=A 1cos(2πft +σ1) +A 2cos(2πft +σ2) （3） 光强分布I 为:
2 I =E =A 12cos 2(2πft +σ1) +A 2cos 2(2πft +σ2) + 2A 1A 2cos(2πft +σ1) cos(2πft +σ2)
2 =A 12cos 2(2πft +σ1) +A 2cos 2(2πft +σ2) + A 1A 2cos(4πft +σ1+σ2) +A 1A 2cos(σ1-σ2) （4）
式(4)的四项中前三项均为高频分量, 只有第四项为低频分量, 且与物体表面的状态有关。第四项的含义是ζ2代表的物体表面与ζ1代表的参考面之间的相对变化量。因此通过处理和分析物体表面与参考在变形前后的位相变化、光强变化等, 从而得到被测物体振动速度、位移等关系式。[12] 2
激光干涉测振方法分析
激光干涉测振主要的方法有:时间平均全息方法、激光散斑干涉技术、激光
多普勒测振技术等。
时间平均全息方法：
对于在某一稳定频率下作简谐振动的物体, 用连续激光照射, 并在比振动周期长得多的时间内在全息干板上曝光, 可将物体表面所反射的光与未作位相调制的参考光相叠加, 将两束光的干涉图记录在全息干板上。其重现象由反映节线和等振幅线组成的干涉条纹来表示振幅分布。这就是时间平均全息方法的测振原理。
如果物体振动的规律不同, 条纹的强度分布规律也不同, 但计算方法是类似的。时间平均全息方法的实验过程简单, 节线清晰, 可以检测形状复杂的透光物体或反射物体以及漫散射体, 因此在振动分析中广泛使用。不足之处是测量范围小(仅几十微米左右), 对记录信息过多, 对记录介质的分辨率要求过高, 故限制了应用范围。
激光散斑干涉技术：
激光散斑干涉是指被测物体表面的散射光产生的散斑与另一参考光相干涉, 当物体表面发生变化时, 如位移或变形等, 干涉条纹也发生变化。通过对这些干涉条纹的处理, 可以得到物体表面的振动情况。
散斑法光路简单, 不但可以非接触测量, 无损检测, 而且可以遥感测量。不仅用来研究物体的状态, 而且可对物体作振动分析。
激光多普勒测振技术:
如果一定频率的声波、无线电波或光波在传播过程中, 对于接收器有相对运动时, 接收器接收到的反射波的频率会随相对运动的速度变化, 这种现象叫做多普勒频移效应。激光多普勒测振原理就是基于测量从物体表面微小区域反射回的相干激光光波的多普勒频移ΔfD, 进而确定该测点的振动速度V 。利用激光多普勒效应, 不仅能测量固体的振动速度, 而且也能测量流体的流动速度。
激光多普勒技术具有测量精度高, 空间分辨力高, 动态响应快, 非接触测量的特点, 适用于高温、高压、高速、放射等特殊环境中, 应用范围广泛。但也存在一定的缺陷, 受被测体表面情况影响较大, 另外光学测量头的性能也会影响测量精度。[11]
一般的干涉测量需要极为严格的实验环境, 因为系统对环境的变化十分敏感, 给测量带来了极其不利的影响[13], 因此要建立恒温系统来减小测量误差。
2.2.2 PSD 在弦振动测量中的应用
位置敏感器件PSD (Position Sensitive Device)。PSD 属于半导体器件, 一般做成P+IN结构, 具有高灵敏度、高分辨率、响应速度快和配置电路简单等优点, 其弱点主要是非线性。其工作原理是基于横向光电效应。作为新型器件, PSD 已经被广泛应用在位置坐标的精确测量上, 如: 兵器制导和跟踪、工业自动控制、或位置变化等技术领域上。
PSD 光电器件是一种光能/位置转换器件，由于位置量为模拟量输出，系统响应快，分辨率高，成本低，因此具有广泛应用的价值。同时可对目标信号进行调制，因而可以显著提高系统的抗干扰能力，可以用来实现高速、高精度、抗干扰能力强的位置检测系统。因而近年来采用PSD 作为位置检测实现技术一直受到重视，并不断研究开发出新的应用技术。研究表明，PSD 与CCD 器件的最大
不同之处是光电位置信号与照射强度相关，以及PSD 信号的非线性影响，因而PSD 传感装置主要用于一维和二维位置量检测，直接用于D3定位和位置测量还有许多问题需要解决。
PSD 传感器的结构原理及工作原理
图2-2-2 一维PSD 的剖面图
当PSD 表面受到光照射时, 在光斑位置处产生比例于光能量的电子-空穴对流过P 层电阻, 分别从设置在P 层相对的两个电极上输出光电流I 1和I 2, 由于P 层电阻是均匀的, 电极输出的光电流反比于入射光斑位置到各自电极之间的距离, 光电流I 1和I 2可以用下面两种方式表示:
(1)坐标原点选在PSD 光敏面的中心时:
L -X A I 1=I 0 (1) 2L
L -X A I 2=I 0 (2) 2L
由式(1)和式(2)可以得到X A 的表达式:
X A =I 2-I 1L (3) I 1+I 2
(2)坐标原点选在PSD 光敏面的一端时:
2L -X B I 1=I 0 (4) 2L
X I 2=I 0B (5) 2L
由式(4)和式(5)可以得到:
X B =2L I 2 (6) I 1+I 2
式中:XA 为PSD 光敏面上的中心到入射光点之间的距离;X B 为选取一端的PSD 的光敏面的边缘到入射光点的距离;L 为PSD 光敏感面的有效长度的1/2;I1,I 2为两个光电极的输出电流;I0为基极的输入电流, 在数值上等于I 1和I 2两者数量之和。由式(3)和式(6)就可以把所测得两个电极的输出光电流I 1,I 2代入到公式中即可解得光点距中心的距离大小X A , 距另一端的距离X B , 即入射光在PSD 感光表面的位置。
PSD 弦振动测试系统的结构组成及原理
为了使振源的振动能够通过PSD 传感器的输出信号真实的反映出来, 通过实验找到一种可行的方法, 振动测试平台如图2-2-3所示,PSD 弦振动测试系统原理如图2-2-4所示。系统组成所用的器件主要有半导体激光发生器、短距聚焦透镜、吉它弦、镜片、PSD 传感器、电源、放大电路、示波器、计算机等。把激光发生器固定在振动测试平台上, 使得激光发生器发出的激光和镜片处在同一水平面上, 由于所采用的激光光源为半导体激光发生器, 其光斑模式比较大, 能量分散, 为了提高PSD 的测量精度, 在半导体激光发生器和镜片中间要用一个透镜进行聚焦, 使得激光入射到PSD 的感光表面时能量能够聚到一个最小的面积上。其原理为:半导体激光发生器发出的水平方向上的激光经过透镜聚焦照射到反光镜片上, 垂直反射到PSD 传感器的感光表面上, 经过PSD 传感器传换成电信号送入前置放大器, 放大后的模拟信号再送入贮存式示波器, 示波器一方面可以显示PSD 输出信号的波形, 另一方面还可以进行振动信号数据采样, 把模拟输入信号转换成数字信号送入计算机, 最后在计算机中作进一步的数据分析和处理, 并最终得到振动信号的振动曲线。
图2-2-3 振动测试平台实物图
图2-2-4 振动测试系统的原理图
经过计算机处理后, 可将所采集到的数据作进一步的处理, 画出光点在PSD 的感光表面的振动波形, 再作进一步的分析就可以得出光点的振动频率、幅值。[14]
结论
位置敏感器PSD 是一种基于横向光电效应的位置传感器, 不仅能够对照射在其感光表面的光点的位置进行精确的定位, 而且对连续快速移动的光点位置能够快速的响应。利用“半导体激光光源-振源-位置传感器PSD ”组建一个简易的振动测试系统, 外加PSD 振动信号处理电路和计算机处理系统。对
PSD 传感器在不同的振源、振动频率的情况下进行实验分析, 验证了PSD 传
感器不仅在位置测量领域有着自身的长处, 而且在振动测量也有着独特的优势。
2.2.3 全光纤传感器振动测量
光纤传感技术是近几十年来迅速发展起来的一门新型科学。与传统的各类传感器相比, 光纤传感器具有一系列独特的优点, 灵敏度高、抗电磁干扰、耐腐蚀、耐高压、防爆阻燃、光路可绕曲性好、几何形状具有多方面适应性等, 使其成为在诸多环境下的有效测量手段。
光纤传感器的基本工作原理是将来自光源的光经过光纤送入调制器，使待测参数与进入调制区的光相互作用后，导致光的光学性质（如光的强度、波长、频率、相位、偏正态等）发生变化，称为被调制的信号光，在经过光纤送入光探测器，经解调后，获得被测参数。光纤传感器具有以下优点：
一、灵敏度较高；
二、几何形状具有多方面的适应性，可以制成任意形状的光纤传感器；
三、可以制造传感各种不同物理信息（声、磁、温度、旋转等）的器件；
四、可以用于高压、电气噪声、高温、腐蚀、或其它的恶劣环境；
五、而且具有与光纤遥测技术的内在相容性。
To perform non-invasive vibration measurements in industrial environments, and/or on large structures found in aerospace engineering, and/or in very small devices used in micro-manipulation, optical methods are a preferable choice.[15]
光学干涉使无接触表面振动分析，提供多位移灵敏度比光的波长的分析和更小的频率范围非常广泛。[16]
全光纤传感器的设计与工作原理
全光纤传感器结构如图2-2-5所示
图2-2-5 全光纤传感器结构图
由于振动源介入全光纤系统的光路结构, 不同时间的振动信息使得干涉系统相干光束的光程差不同, 干涉信号的相位变化表现为光强度的不同, 通过反演干涉信号的相位, 得到振动信号的速度随时间的变化剖面曲线, 再通过微分和积分运算得到加速度和位移。
图2-2-6中全光纤干涉系统利用两只光纤耦合器构造干涉光路, 由于光源相干长度小, 从耦合器1出发的光路中只有经延迟臂→耦合器2→振动表面反射→耦合器2→直通臂和经直通臂→耦合器2→振动表面反射→耦合器2→延迟臂的
两束光因延迟臂的存在到达振动表面时间相差η最终能在耦合器1能形成稳定的干涉。系统由于干涉光路的对称性, 对温度变化等外界干扰具有明显的消除, 从原理上确保了系统工作的稳定性和可靠性。
图2-2-6 全光纤干涉系统结构示意图
未经延迟到达振动反射表面的光束x 1(t)和经延迟时间η到达振动反射表面的光x 2(t-η) 干涉, 得
j πx (t ) =x 1(t ) +x 2(t -τ) exp(-) (1) 2
x(t)通过PIN 光电探测器、放大器后的交流干涉项为
p (t ) =A sin[φ(t ) -φ(t -τ)] (2)
经反正弦变换后得
y (t ) =B [φ(t ) -φ(t -τ)] (3)
其中,A 、B 为比例系数。 2[s (t ) -s (t -τ)]⨯2π (4) φ(t ) -φ(t -τ) =λ
上式中, λ为激光的中心波长, η为光纤延迟线对应的光波传输时间, 与延迟线长度成正比。当η→0时, 可近似认为 4πv (t ) τ φ(t ) -φ(t -τ) = (5) λ
即两束光t 时刻的相位差与振动表面速度成正比, 也可以认为是系统得到的干涉条纹数N(t)与速度V(t)成正比, 可表示为:
λN (t ) (6) V (t ) =2τ
τ=n e f f L (7) C
式(2)中,C 为真空中的光速,n eff 为光纤纤芯的等效折射率,L 为光纤延迟
线长度。从式(7)得出全光纤传感器的灵敏度与光纤延迟线长度成正比, 对于小信号, 可以采用增加延迟线长度的方法提高测量精度; 对于大信号, 可减小光纤延迟线, 以保障系统具有足够的带宽, 满足测试的需要。通过调整光纤延迟线, 实现对不同振动信号(振动频率不同、幅度不同) 的测试。而一般机械式传感器, 对振动频率的要求较严格, 不同的振动频率只能采用不同的传感器; 全光纤传感器对振动频率不敏感, 能够实现超低频(零点一赫兹以下) 和超高频(数十仟赫兹以上) 振动信号的测试。因此, 它具有广阔的应用范围, 它不仅能够实现传统振动测试仪器的功能, 还能弥补常规振动测试仪器的不足。[17]
2.2.4 激光光栅多普勒效应微小振动测量
此外还有激光光栅多普勒效应微小振动测量，这是为了提高测量微小振动的精度和动态范围, 提出的一种基于激光光栅多普勒效应的微振动测量系统[18]。这里就不再过多介绍。
结 论
本文主要介绍了各种振动测量技术，根据电测法、光学法分别介绍了基于压电式传感器、基于电磁感应传感器、电感式传感器、电阻式应变传感器、微变电容式传感器、无源伺服传感器、激光干涉、PSD 传感器以及全光纤传感器的振动测量方法原理及基本组成，以及这些测量方法的特点。
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