微振动测试仪设计31140.docx

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1、书目1概述-1-2系统硬件电路设计-5-2.1 压电陶瓷传感器的等效电路-5-2.2 电荷放大电路-6-2.3 测量电路82.4 4振动测量-10-3总结-13-参考资料-14-1概述振动测试仪是一种能测量机械、物体等振动的测量仪器。比如测振仪、动平衡仪、振动测试与模态分析仪都算是振动测试仪。振动是自然界、工程技术和日常生活中普遍存在的物理现象。各种机器、仪器和设备运行时，不行避开地存在着诸如回转件的不平街、负我的不匀称、结构刚度的各向异性、涧济状况的不良及间隙等缘由而引起受力的变动、碰撞和冲击，以及由运用、运输和外界环境下能量传递、存储和择放都会诱发或激励机械振动。所以说，任何一台运行者的机

2、器、仪器和设备都存在着振动现象。在大多数状况下，机械振动是有宙的。振动往往会破坏机潜的正常工作和原有性能,振动的动载荷使机器加速失效、缩短运用寿命甚至导致损坏造成事故。机械振动还干脆或间接地产生噪声，恶化环境和劳动条件，危害人类的健康。因此，要实行适当的措施使机器振动在限定范国之内，以避开危害人类和其他结构。随着现代工业技术的发展，除了对各种机械设备提出了低振级和低噪声的要求外，还应随时对生产过程或设备进行监测、诊断，对工作环境进行限制，这些都离不开振动测量。为了提高机械结构的抗振性能，有必要进行机械结构的振动分析和振动设计，找出其薄弱环节，改善其抗振性能.另外，对很多承受困难载荷或本身性质困

3、难的机械结构的动力学模型及其动力学参数，如阻尼系数、固有频率和边界条件等，目前尚无法用理论公式正确计算，振动试验和测量便是唯的求解方法。因此，振动测试在工程技术中起着非常重要的作用。微振动测试仪的设计主要组成部分用电式传感器，用于信息的采集:在本设计方案里选择压电阻谎传感器做为压电式传感器。通过电路连接把所采集的信息传递绐电荷放大冠，对微弱的电荷信号进行放大，信号的放大通常有两种：电压放大和电荷放大。这里考虑避开接入电容的影响，所以采纳电荷放大。除电荷放大，还要再一次对信号进行放大，这里采纳运算放大器和由定的电路组成.把最终信号传输给显示器就可以得到微振动的多组数据结果，就可以得到被测物体的每

4、刻状态。系统硬件原理图如图1-1：谕图1.1.系统框图(一)电式传感器的工作原理1、压电效应某些电介质在沿肯定方向上受到外力的作用而变形时都会产生极化现象，同时么其表面上产生电荷，当外力去掉后，又重新回到不带电的状态.这种现象称为压电效应。反之，在电介版的极化方向上施加交变电场或电压、它会产朝气械变形：当去掉外加电场时，电介版变形随之消逝，这种现象称为逆压电效应(电致伸缩效应)例如音乐贺卡中的压电片就是利用逆压电效应而发声的。具有压电效应的物质很多，如自然形成的石英晶体,人工制造的压电陶兖等.在晶体的弹性限度内,压电材料受力后，其表面产生的电荷Q与所施加的力F成正比即QKdF式中d1压电常数“

5、自然界中与压电效应有关的现象很多*例如在敦煌的鸣沙丘.当很多游客在沙丘上蹦跳或从呜沙厅上柠下滑时，可以听到雷鸣般的隆隆声：产生这个现象的缘由是多数干煤的沙子（siO2晶体）在重压下表面产个电荷。在某一一时刻，形成电压串联，产生很高的电压。并通过空气放电而发出声音。2、压电材料的分类及特性压电式传感器中的压电元件件材料一般仃三类：-类是压电晶体（单晶体）：其次类是经过极化处理的压电网究（多晶体）：第一:类是高分子压电材料。这里我们主要介绍其次类。（二）压电陶瓷压电陶竟是人工制造的多晶压电材料.它由多数微小的电畴组成.这些电晒事实上是分子自发极化的小区域，在无外电场作用时，各个电畴在晶体中杂乱分布

6、。它们的极化效应被相互抵消了，因此原始的在电陶瓷呈中性，不具有压电性质。为了使压电陶瓷具有压电效应，必需在行定温度下做极化处理。极化处理之后，陶在材料内部存在有很强的剩余极化强度.当压电陶瓷受外力作用时，其表面也能产生电荷，所以压电陶龙也具有压电效应。压电陶瓷制造工艺成熟，通过变更配方或掺杂微量元素可使材料的技术件能有较大变更，以适应各种要求它还具有良好的工艺性.可以便利地加工成各种须要的形态，在通常状况卜.，它比石英晶体的比电系数高得多，而制造成本较低，因此日前冈内外压电元件绝大多数都采纳压电陶兖。常用的压电陶资材料主要有以下几种：(1)粘钛酸铅系列用电陶潼(PZD馅钛酸铅用电陶瓷是由钛酸铅

7、和铁酸铅组成的固熔体。它有较高的压电常数d-(200-500)*10-12cn和居里点(50OC左右).是目前常常采纳的一种压电材料。在上述材料小加入微量的蛹(1.a)、线(Nb)或睇(Sb)等,可以得到不同性能的PZT材料。PzT足工业中应用较多的压电陶兖。(2)钝镁酸铅压电陶谎(PMN)铜铁酸铅压电陶在具有较高的压电常数Gm=(800-9OO)x1.OT2Cn)和居里点(260C),它能在压力大至70MPa时正常工作。因此可作为高压下的力传感造。目前还有些银酸盐(如锯酸理)具有很高的居里点，可作为1温压电传感器.(3)运用PV-96型压电加速度传感器进行测量，它的灵敏度为100OPCg,也

8、就是说在1.g(g=9.8Ms*s)加速度的作用下，传感器能产生一万微库的电荷。I、96型压电传感器的性能如表1-2：100OOpC/g1.OpF疑O.b1.OOH?200T史我目10CM梯不触图1-2Pv-96型用电传感器特性2系统硬件电路设计2.1 压电陶瓷传感器的等效电路压电式传感器对被测量的变更是通过其压电元件产生电荷量的大小来反映的，因此它相当于个电荷源。而压电元件电极表面聚集电荷时，它又相当于一个以压电材料为电介质的电容器，其电容fit为C二Ce,S式中S极板面枳：C1.压电材料相对介电常数：c一一真空介电常数：3用电元件厚度。当压电刀件受外力作用时，两表面产生等量的正，负电荷Q.

9、压电元件的开路电压(认为其负载电阻为无穷大)U为U=QCf1.这样，可以把压电元件等效为一个电荷源Q和一个电容器CI的等效电路。因此可以把压电式传感器等效成一个与电容相并联的电荷源，如图.1：、Ua=QZCaQCa2-1.a所示，也可以等效为一个电压源，如图2-1.b所示。Ca(.)Ua=Q/Ca。O图2-1压电传感器的等效电路压电传感器与测量仪表联接时，还必需考虑电缆电容江，放大器的输入电阻i和输入电容G以及传感器的泄漏电阻他。图22画出了压电传感器完整的等效电路。1.I1.Ir1.1，)Q=CRa=ZCcR1CiIIY1.Y1.CIICa尸A1T厂()QRu1.CcRi=ZCi1.I_I_

10、I_I图2-2压电传感器实际的等效电路2.2 电荷放大电路由丁电压放大器使所配接的压电式传!器的电压灵敏度将随电缆分市电容及传感器自身电容的变更而变更，而且电缆的更换得引起重新标定的麻烦，为此义发展了便于远距离测量的电荷放大器、目前它已被公认是一种较好的冲击测量放大器。这种放大器事实上是一种具有深度电容负反馈的高增益运算放大潺，其等效电路如图611所示。图中已把R。、R1.看作是无限大，而加以忽视，这样当容抗远小于电R1.Rf折到输入端的等效阻抗时，可有下式成立：U。=也C+g+g+(1+A)CF当K足够大时，+幻C,(c,+c+c1.),因此有式中CF反馈电容。电荷放大器的高频上限主要取决于

11、乐电器件的C和电缆的C与R.:f.,=2万凡（C+C）由于C.、C、R,通常都很小，因此高频上限可高达180kHz。电荷放大器的低频卜.限，由于A相当大，通常（1+）C（C,Rf（1+）R1.因此只取决于反馈回路参数R,、C1=儿2nRG它与电缆电容无关。由于运算放大器的时间常数RC可做得很大，因此电荷放大器的低频下限可低达1.Q10Hz（准静态）。图2-3压电传感器与电荷放大器连接的等效电路图2-4为电荷放大器原理框图，它主要由六部分组成，其中主电荷放大级是整个仪器的核心，它又包括高阻输入级、运算放大级、互补功放输出级三部分。互补功放输出级使电路供应应Cf以必要的反馈电流。适调放大级的作用是

12、当被测量（加速度或用力）肯定时,用不同灵敏度的压电元件测量而有相同的输出，实现综合灵敏度的归一化，便于记录和数据处理。滤波器备有不同截止频率的分档，依据实际状况选择。在电荷故大级班调放大级过载指示图2T电荷放大器原理框图须要指出,电荷放大器虽然允许运用很长的电缆,并11电容Cf变更不影响灵极度，但它比电压放大器的价格高，电路较困琲，调整也比较困难。2.3测量电路测量电路如图2-5所示。图中的模拟测量电路由两级放大器组成。AD5441.组成一个电荷放大涔，它的输入为电荷，输出为电压，也是一个Q/V转换器，它的输出为M,1.=等，传感器受到Ig加速度的作用，它V-1产生的电压，理论值为MN=-10

13、0OoX1.c300=-33Y（事实上，Ig的加速度使运放的输出为饱和值Vs）,即放大器AD5441.的灵旅度为-33Vg=-33.7WgMgR=980g=kwQ电荷放大器的缴率响应由反馈电容CI和反馈电阻RI确定.其故止频率为yb=1./2,7f?ici=O.O53W在0.1HZ时，输出约卜降IdBo&为运放AD5M1.的输入爱护电阻，避开AD5441.的输入过高而损坏。A776是个反相放大器，其闭环增益为=_R广RRACR调整电位器R”可使A,1.48,因此，4A776的输出灵敏度为(-1.4)X(-33.7hV/ga1.)=5()mV/ga1.近似为48.8Vg,也就是说，当振动加速度为

14、1/98Og时，电路能输出50mV的电压。本电路输出电压最大约为6V,因此此最大测量值约为48.860.1g.A776是低功耗可编程运算放大罂，为了降低噪声，可在8脚输入适当的电流/“产15,在低频测量时，随着频率的降低会增大闪耀噪声.由于采纳的运放A776的电压噪声在1A以F，噪声主要由电荷放大器产生。所以在降低噪声设计中不仅要选择电压噪声小的集成电路而且应有低的输入电压、低的偏压及失谢漂移等特性。在电路设计中，反馈电容尽可能小，因为即使很小的漏电流进入放大器也会产生误差，故输入部分要用聚四瓶乙烯绝缘纸进行绝缘。若要求测量电路的输出灵敏度更高，应提高A776的反馈电Rh例如，输出灵敏度为10

15、0n1.Vga1.时，“A776的闭环增益约为3,可适当增大(RJRQ的值。2.4振动测量(1)振动测量的概念物体围绕平衡位置作往更运动称为振动。从施功对象来分，有机械振动(例如机床电机、泵风机等远行时的振动)：上木结构振动(房屋、桥梁等的振动)；运输工具振动汽车、飞机等的振动)以及武器、爆炸引起的冲击振动等。从振动的频率范围来分.合高领振动、低频振动和超低核振动等：从振动信号的统计特征来看，可聘振动分为周期振动、非周期振动以及随机振动等。期振功是指经过相同的时间间隔，其振动特征量重复出现的振动。它包括简谐振动和困难周期振动.困难周期振动是由一些不同频率的简谐田量合成的振动。非周期振动的时域函数是一个衰减曲数，冲击振动是最常见的非周期振功。陵机振动是种非确定性振动,事先允法确定共振幅、频率从相位的瞬时值，但有肯定的统计规律性。振动;则量主要是探讨上述各种振动的持征、变更规律以及分析产生振动的缘由，从而找到解决问题的方法。物体标动一次所需的时间称为周期