摘要： 振動會對機器和設備帶來各種破壞， 特別是會對人體造成嚴重的危害。 正確合理地選擇傳感器對測試振動尤為重要。本文介紹了振動測試傳感器的分類、選擇、布置和使用中的注意事項。

　　關鍵詞：振動測試；傳感器；選擇；使用

　　0  引言

　　振動是自然界中廣泛存在的現象， 是一種伴隨人類社會生活較普遍的自然現象。 機器、建筑物、橋梁等經常處在外界或內在的激勵之下，都不可避免地要發生各種各樣的振動。嚴重的振動，會對機器和設備帶來各種破壞，特別是會對人體造成嚴重的危害。各種運載工具以及機械裝置都可使人處于振動環境之中，影響人的舒適性、工作效率以及人的健康和安全。例如當車輛的隨機振動頻帶在 30Hz 左右時，人的腹腔將發生共振，因而要嘔吐。當頻帶在 300-400Hz 時，人的腦腔將發生共振，使人頭昏。振動又是噪音的主要來源，強噪音造成環境污染， 使人不能正常工作， 并造成各種職業病或污染性病害， 危及人類健康。

　　因此要控制振動、消除和避免振動的危害，或在某些場合利用振動，就必須掌握振動的規律與特性，對振動進行測試，而正確合理地選擇振動測試中的傳感器尤為重要。

　　1 　振動測試傳感器的分類

　　按所測運動量可分為位移計、速度計、加速度計和加加速度計(即加速度隨時間的變化率)。其中加加速度計可用加速度計加微分電路構成，為避免見微分電路的噪聲放大作用，現在已有用反饋原理的零平衡式加加速度計，在輸出加加速度信號同時還可輸出加速度。由于有源微積分器價格下降，選擇哪種運動量傳感器已不是大問題。但除了注意信噪比等問題外，一般還盡量做到測什么運動量用什么傳感器，以避免微積分電路帶來的噪聲和相移等誤差。

　　按力學原理可分為直接式和慣性式。直接式以固定在地面的定參考系或運動的動參考系作為基準來測量絕對運動或相對運功的傳感器，通常用于測相對運動。慣性式傳感器為一單自由度系統，質量相對于底座的相對運動正比于底座（即試件)的絕對運動。

　　按換能原理可分為機械式、機電式和光學式等，其中機電式最常用．它又可細分為壓電加速度計，壓阻加速度汁、應變計加速度計、變阻式傳感器、靜電(電容)式傳感器、箔式應變計、變磁阻式傳感器、磁致伸縮式傳感器、運動導體式傳感器、動圈式傳感器、感應式傳感器和電子式傳感器等。

　　傳感器中壓電加速度計和壓阻加速度計最常用，前者下限頻率在 0.1Hz 以上，而后者可測到零頻，目前內裝集成電路的壓電加速度計也已普及，其輸出為低阻抗。兩者的具體性能比較見表 1。

　　表 1  壓電式和壓阻式的性能比較

　　2 　傳感器的選擇

　　傳感器的選擇除考慮測量哪種運動量外，還要注意以下幾點：

　1）為避免對試件增加質量負載，改變試件動態特性，對塊狀試件，接觸式傳感器質量應小于試件有效質量的十分之一； 對薄板狀試件， 傳感器質量影響較嚴重且計算較繁瑣。非接觸式傳感器無此缺點，但其靈敏度常隨初始安裝間隙的變化而變化，調節間隙比較麻煩，此外它要有靜止的安裝架，但非接觸式可測旋轉物體的振動。

　　2)測試前要大致估計被測量的頻率范圍， 并檢查它是否落在傳感器幅頻曲線的工作頻帶(曲線的平直段)內。 圖 1 和圖 2 為無阻尼加速度計(壓電加速度計阻尼比約為 0.01-O.04，可視為無阻尼)的幅頻曲線， 由圖中可知如傳感器固有頻率 fn=1OkHz， 試件振動頻率 f=3kHz，則靈敏度變化約為 10％。

　　　圖 1 無阻尼加速度計幅頻曲線  　　　　　　　圖 2 無阻尼加速度計幅頻曲線
　　　　　(f=1kHz～10kHz)   　　　　　　　　　　　　　(f=1kHz～100kHz)

　　3)傳感器的相移是否滿足要求

　　測量由多種頻率成份組成的復雜波形時必須選擇相移與頻率成線性關系(相頻曲線為過原點的斜直線)的傳感器，否則將產生輸出波形失真。圖 3 為加速度計相頻曲線。圖中可見當阻尼比ξ=0 或ξ=0.7 時，相頻關系為線性。

　　圖 3 加速度計相頻曲線

　　4)估計被測系統可能產生的最大振動量級， 并檢查它是否超過所采用傳感器額定最大沖擊值的三分之一。一般說來，低靈敏度傳感器可用于高振動量級振動，反之低量級振動應采用高靈敏度傳感器以提高信噪比。

　　5)估計工作環境，如溫度、瞬變溫度、磁場、聲場等，并檢查所采用的傳感器是否能滿足要求。大多數壓電加速度計可在 260℃以下工作，溫度超過 260℃要采用特殊設計的傳感器(可達到 500℃)或采取冷卻措施。

　　6)估計試件所測點的振動方向以便安裝時使傳感器軸線與其重合， 如因條件所限無法做到時應注意傳感器測出的只是試件振動在傳感器軸向上的分量，并應采用橫向靈敏度小的傳感器以減少測量誤差，必要時可采用三向傳感器進行測量。


　　3 　傳感器的最優布置方案

　　由于測試設備數量有限和某些結構形狀、 尺寸的限制， 在試件上能安裝的傳感器數量往往不能滿足要求,如何將有限的傳感器布置在最優位置在測試工作中至關重要。

　　3.1 傳感器布置的基本原則

　　1)被測物體的振動越不均勻(振型越復雜)， 則所需標尺刻度越小， 所需的傳感器也就越多，以梁為例，可用公式表示為：

　　n≥ cl/λ     (1)

　　式中，n 為傳感器數量，n 為整數；λ 為被測物體振動的不均勻度，即平均標尺刻度(m 或cm)；l 為梁的長度(m 或 cm)；c 為大于 l 的常數。

　　2)根據所布置的傳感器測得的振型矩陣，其行列式應不為零，即：

　　det[Ф ]≠0  （2）

　　式中，Ф為振型矩陣(n×n 方陣)。

　　3)由式(2)和矩陣的良態、病態概念可知傳感器布置的一個準則為：

　　∣detФ ∣→max  　　（3）

　　這個準則有缺陷，用不同方法對矩陣進行歸一化后其行列式大小不等，故式（3）無精確意義。

　　3.2 最優布置的條件數準則

　　我們改用條件數以避免上述缺陷，常用條件數有：圖林（Turing）第一條件數 CⅠ[Ф]和第二條件數 CⅡ[Ф] ，托德（Todd）第一條件數（Ф是對稱方陣）CⅢ[Ф] 和第二條件數（Ф是不對稱方陣或非方陣）CⅣ[Ф] 。條件數準則為：

　　C（Φ）→min   　　(4)

　　3.3 最優布置的偽逆法準則

　　下面介紹另一種傳感器布置優化方法，它由非方陣的偽逆法得出。
由振動理論得：

　　X=ΦY   　　　　（5）

　　式中， X為加速度矢量（l×1） ； Φ 為振型矩陣（l×n） ；Y為模態加速度矢量（n×1） 。對 Ф求偽逆后可得：

　　Y=Φ+X 　　　　（6）

　　將式（5）代入式（6）后得

　　Y≈Φ+Y  　　　　（7）

　　上式采用近似符號是因為 l 可能小于 n (測點數少于自由度數)。當 Ф+Ф十分接近于單位陣時，所選的傳感器布置方案較好。本準則比較簡單，但精度不如條件數準則高。

　　3.4 二維各向同性隨機場的傳感器布置

　　由乃奎斯特定理可知，如傳感器的間隔為ΔL，則有下列公式：

　　Kmax=1/2ΔL=1/λmin  　(8)

　　式中，Kmax 為最大截斷波數；λmin 為最小可分辨波長。實踐中建議ΔL 的選擇應保證在被測場的最大波數或最小波長上至少有 2.5 個傳感器。

　　4 　傳感器最優位置的事后選擇

　　在初次測量時由于對振動情況缺乏先驗知識，也有可能布置傳感器的數量時超過了獲
取信息所需的數量。測量后可對取得的數據進行分析找出最佳位置以便作以后測量時取舍
的準則。

　　5 　傳感器使用時的注意事項

　　1）傳感器應安裝在能反映結構整體動態特性位置上，而不要裝在可能產生局部共振的部件上(例如汽車的擋泥板)，當然如想測量的就是局部共振(如機床的主軸)另作別論。

　　2)傳感器應直接裝在被測系統上而不要另用支架或中間連接件，如不得不采用時，則支架應盡量剛硬，其最低階共振頻率應為被測上限頻率的 5～10 倍。

　　3）傳感器的固定方式以壓電加速度計為例有：

　　a.用鋼螺栓：這種固定方式頻響特性最好，為增加接觸剛度以躲開接觸共振，除安裝面要平整光潔外還可涂一薄層硅脂。鋼螺栓不要完全擰入壓電加速度計基座螺孔，以免基座彎曲產生附加電荷。安裝力矩不要過大，M5 螺栓約用 176N·cm，M3 螺栓約用 58N·cm。

　　b.用絕緣螺栓：為避免多點接地產生接地回路噪聲可用絕緣螺栓和薄云母墊圈。注意絕緣螺栓所受扭轉力矩大于 350N·cm 后將損壞。

　　c.用永久磁鐵座：要頻繁移動傳感器將壓電加速度計裝在磁鐵座上，其缺點為磁鐵座的附加質量較大， 最大加速度不能超過 200g， 在環境溫度達 150℃時只能短時間使用。

　　d.用粘接劑：小型傳感器可用粘接劑如 502 膠粘在試件上，也可先將傳感器用螺紋連接在平頭螺栓上，再將螺栓粘在試件上。

　　e.用薄蠟粘：可用蜂蠟將傳感器粘在試件上，其頻響特性很好，但隨溫度升高特性將急劇惡化。

　　f.用手持： 傳感器擰上圓頭或尖頭的探針后用于手持測振， 其可測上限頻率小于 1kHz。

　　　　圖 4 為各種同定方式　　　　　　　　　　　　圖 5 為其頻響曲線

　　4)壓電加速度計的電纜噪聲

　　壓電加速度計電纜在使用時由于張緊、彎曲等機械運動會引起電容、電荷變化產生噪
聲，在低頻段尤其明顯．解決辦法除采用低噪聲電纜外還應盡可能固定電纜。

　　6 　結束語

　　利用振動測試手段對運行設備進行在線的狀態監測是保證機組安全、及時消滅隱患的重要措施之一。但由于環境復雜，早期故障（如微小裂紋）造成的振動參數變化又十分微小，因此對測試用傳感器提出了較高的要求，除考慮振動測試的運動量外，還要考慮傳感器本身的技術指標，有較高的靈敏度，能抗各種電、磁、聲或輻射干擾，能在嚴酷環境中長期工作，最后還要注意采用合適的安裝方式。（作者：趙圣占，畢文輝）