典型振動(dòng)量檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

典型振動(dòng)量檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)
一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?br>1、了解振動(dòng)量檢測系統(tǒng)的構(gòu)成、測量原理、特性。
2、理解振動(dòng)量檢測系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性對(duì)輸出的影響。
3、掌握差動(dòng)變壓器、壓電傳感器、電渦流傳感器3 種典型位移傳感器的工作原理、基本結(jié)
構(gòu)、性能及應(yīng)用。了解各種傳感器的典型測量電路的基本構(gòu)成、特點(diǎn)及利用典型傳感器測量振動(dòng)
的方法。搭建3 種典型振動(dòng)量檢測系統(tǒng)并調(diào)試及完成實(shí)際振動(dòng)量檢測。
二、實(shí)驗(yàn)原理
差動(dòng)變壓器工作原理：
差動(dòng)變壓器由一只初級(jí)線圈和二只次級(jí)線圈及一個(gè)鐵芯組成，根據(jù)內(nèi)外層排列不同，有二
段式和三段式，本實(shí)驗(yàn)采用三段式結(jié)構(gòu)。在傳感器的初級(jí)線圈上接入高頻交流信號(hào)，當(dāng)初、次線
圈中間的鐵芯隨著被測體移動(dòng)時(shí)，由于初級(jí)線圈和次級(jí)線圈之間的互感磁通量發(fā)生變化促使兩個(gè)
次級(jí)線圈感應(yīng)電勢(shì)產(chǎn)生變化，一只次級(jí)線圈感應(yīng)電勢(shì)增加，另一只次級(jí)線圈感應(yīng)電勢(shì)則減少，將
兩只次級(jí)線圈反向串接(同名端連接)，在另兩端就能引出差動(dòng)電勢(shì)輸出，其輸出電勢(shì)的大小反映
出被測體的移動(dòng)量。
壓電式傳感器工作原理：
壓電式傳感器由慣性質(zhì)量塊和受壓的壓電陶瓷片等組成（觀察實(shí)驗(yàn)用壓電加速度計(jì)結(jié)構(gòu)）。
工作時(shí)傳感器感受與試件相同頻率的振動(dòng)，質(zhì)量塊便有正比于加速度的交變力作用在壓電陶瓷片
上，由于壓電效應(yīng)，壓電陶瓷片上產(chǎn)生正比于運(yùn)動(dòng)加速度的表面電荷，經(jīng)電荷放大器轉(zhuǎn)換成電壓，
即可測量物體的運(yùn)動(dòng)加速度。
電渦流傳感器工作原理：
通過高頻電流的線圈產(chǎn)生高頻磁場，當(dāng)金屬體處在高頻磁場時(shí)，根據(jù)電磁感應(yīng)原理，金屬
體內(nèi)產(chǎn)生電流，該電流在金屬體內(nèi)自行閉合，并呈旋渦狀，故稱為渦流。電渦流的產(chǎn)生必然要消
耗一部分磁場能量，從而改變激磁線圈阻抗，渦流傳感器就是基于這種渦流效應(yīng)制成的。渦流的
大小與金屬導(dǎo)體的電阻率、導(dǎo)磁率、厚度、線圈激勵(lì)電流頻率及線圈與金屬體表面的距離x 等參
數(shù)有關(guān)。電渦流工作在非接觸狀態(tài)（線圈與金屬體表面不接觸），當(dāng)線圈與金屬體表面的距離x
以外的所有參數(shù)一定時(shí)，通過檢測渦流效應(yīng)的強(qiáng)弱即可以進(jìn)行位移測量。根據(jù)電渦流傳感器的位
移特性和被測材料特性可選擇合適的工作點(diǎn)即可測量振動(dòng)的振幅大小。
三、需用器件與單元

主機(jī)箱、差動(dòng)變壓器、壓電傳感器、電渦流傳感器、差動(dòng)變壓器實(shí)驗(yàn)?zāi)０?、壓電傳感器?shí)驗(yàn)
模板、鐵圓片、電渦流傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)０?、移相?相敏檢波器/濾波器模板、振動(dòng)源、示波器、
萬用表。
四、實(shí)驗(yàn)步驟
（一）、差動(dòng)變壓器測振實(shí)驗(yàn)
1、安裝差動(dòng)變壓器：將差動(dòng)變壓器按圖4.1
卡在傳感器安裝支架的U 型槽上并擰緊差動(dòng)變
壓器的夾緊螺母，調(diào)整傳感器安裝支架使差動(dòng)變
壓器的鐵芯連桿與振動(dòng)臺(tái)中心點(diǎn)磁鋼吸合并擰
緊傳感器安裝支架壓緊螺帽，再調(diào)節(jié)升降桿使差
動(dòng)變壓器鐵芯大約處于線圈的中心位置。并用手
按壓振動(dòng)臺(tái)，不能使差動(dòng)變壓器的活動(dòng)桿有卡死
的現(xiàn)象，否則必須調(diào)整安裝位置。
2、實(shí)驗(yàn)步驟：按圖4.2 接線，并按以下步
驟操作：
首先：移相器調(diào)至起始零位（未移相）、相敏檢波器調(diào)至輸出波形不失真位置。（實(shí)驗(yàn)前已調(diào)
試完畢）
(1) 按圖4.2 接線，檢查接線無誤后，合上主控箱電源開關(guān)，振蕩器輸入電壓信號(hào)，用示
波器、頻率表觀察音頻振蕩器Lv 端的頻率和幅值Vp-p 值，調(diào)整音頻振蕩器幅度旋鈕使Vp-p=4V,
頻率調(diào)整在5KHz。
(2) 調(diào)節(jié)差動(dòng)變壓器起始測量位置：用示波器觀察相敏檢波器的輸出，調(diào)整傳感器連接支架
高度，使示波器顯示的波形幅值為最小。
(3) 補(bǔ)償零點(diǎn)殘余電壓值：仔細(xì)調(diào)節(jié)Rw1 和Rw2 使示波器(相敏檢波輸出)顯示的波形幅值更
小，基本為零。
(4)設(shè)置差動(dòng)變壓器最大測量范圍：用手按住振動(dòng)平臺(tái)(讓傳感器產(chǎn)生一個(gè)大位移)仔細(xì)調(diào)節(jié)
移相器和相敏檢波器的旋鈕，使示波器顯示的波形為一個(gè)接近全波的整流波形。松手后，整流波
形消失變?yōu)橐粭l接近零點(diǎn)的直線(否則再調(diào)節(jié)Rw1 和Rw2)。
(5)振動(dòng)信號(hào)接入并觀察輸出波形：將低頻振蕩器信號(hào)接入振動(dòng)源的輸入端，調(diào)節(jié)振動(dòng)幅度
旋鈕和頻率旋鈕（頻率大約為10Hz，）使振動(dòng)平臺(tái)振動(dòng)較為明顯，用示波器分別觀察放大器、相
敏檢波器及低通濾波器的輸出端波形。

圖4.1 差動(dòng)變壓器振動(dòng)測量安裝圖

圖 4.2 差動(dòng)變壓器測量振動(dòng)實(shí)驗(yàn)儀器連線圖

3、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：
（1）保持低頻振蕩器的幅度不變，改變振蕩頻率（3Hz～20Hz），用示波器觀察低通濾波器
的輸出，讀出峰-峰電壓值，記下實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，填入表4.1。同時(shí)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果做出振動(dòng)梁的振
幅——頻率特性曲線，指出梁的自振頻率范圍值。
表4.1 差動(dòng)變壓器測量振動(dòng)實(shí)驗(yàn)輸入－輸出數(shù)據(jù)表

f(Hz)
VP-P（V）

（2）保持低頻振蕩器頻率（10Hz 左右）不變，改變振蕩幅度，同樣實(shí)驗(yàn)可得到振幅與電
壓峰峰值VP-P 曲線（定性）。實(shí)驗(yàn)完畢，關(guān)閉電源。
注意事項(xiàng)：低頻激振電壓幅值不要過大，以免梁在自振頻率附近振幅過大。

（二）、壓電式傳感器測振實(shí)驗(yàn)
首先：移相器調(diào)至起始零位（未移相）、相敏檢波器調(diào)至輸出波形不失真位置。（實(shí)驗(yàn)前已調(diào)
試完畢）
1、安裝壓電式傳感器：將壓電傳感器安裝在振動(dòng)臺(tái)面上（與振動(dòng)臺(tái)面中心的磁鋼吸合），
同時(shí)，將壓電傳感器兩輸出端插入壓電傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)０宓膬奢斎攵?，見圖4.3，屏蔽層接地。
2、接入振動(dòng)源：將低頻振蕩器信號(hào)接入到振動(dòng)源的低頻輸入插孔。振動(dòng)源的低頻輸入接主
機(jī)箱中的低頻振蕩器。
3、實(shí)驗(yàn)電路連線：連線按圖4.3 示意接線，將壓電傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)０咫娐份敵龆薞01（如增
益不夠大則V01 接入IC2, V02 接入低通濾波器）接入低通濾波器輸入端VI，低通濾波器輸出V0
與示波器相連。
4、調(diào)節(jié)起始測量點(diǎn)：合上主控箱電源開關(guān)，調(diào)節(jié)Rw 使低通濾波器輸出Vo 為零。
5、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：
(1)調(diào)節(jié)低頻振蕩器的頻率及幅度旋鈕使振動(dòng)臺(tái)振動(dòng)，觀察示波器波形。
(2)改變低頻振蕩器頻率，觀察輸出波形變化，讀出峰－峰電壓值，記下實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，填入下
表4.2，比較一下頻率不同時(shí)的輸出有什么不同。
(3)用示波器的兩個(gè)通道同時(shí)觀察低通濾波器輸入端和輸出端波形，試比較一下有什么區(qū)
別？低通濾波器的作用是什么？
(4)比較一下低通濾波器的輸出信號(hào)與低頻振蕩器的輸出信號(hào)的相位有什么不同？
表4.2 壓電式傳感器測量振動(dòng)實(shí)驗(yàn)輸入－輸出數(shù)據(jù)表

f(Hz)
VP-P（V）

圖4.3 壓電傳感器測量振動(dòng)實(shí)驗(yàn)儀器連線圖

（三）電渦流傳感器測振實(shí)驗(yàn)
首先：移相器調(diào)至起始零位（未移相）、相敏檢波器調(diào)至輸出波形不失真位置。（實(shí)驗(yàn)前已調(diào)
試完畢）
1、電渦流傳感器的安裝：參看圖4.1 安裝電渦流傳感器，（逆時(shí)針轉(zhuǎn)出壓緊螺母，裝上傳
感器安裝支架再順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)壓緊螺母），注意傳感器端面與被測體振動(dòng)臺(tái)面（放置鐵圓片）之間
的安裝距離大約為0.5mm 左右。同時(shí)，將電渦流傳感器輸出插頭插入實(shí)驗(yàn)?zāi)０逑鄳?yīng)的插孔中。
2、實(shí)驗(yàn)電路連接：按圖4.4 接線，實(shí)驗(yàn)?zāi)０褰尤?15V 電源，實(shí)驗(yàn)?zāi)０遢敵龆私邮静ㄆ鱕1
通道并與低通濾波器Vi 端相聯(lián)，低通濾波器輸出Vo 接示波器Y2 通道。
3、接入振動(dòng)源并調(diào)起始位置：將主控臺(tái)上的低頻信號(hào)接入振動(dòng)臺(tái)，振蕩頻率設(shè)置在6—12HZ
之間，大約10HZ 左右。同時(shí)將主機(jī)箱中的低頻振蕩幅度旋鈕逆時(shí)針（低頻輸出幅度為零）；檢查
接線無誤后，合上主控箱電源開關(guān)，慢慢增大低頻振蕩幅度（幅度控制在很小范圍內(nèi)），調(diào)節(jié)振
動(dòng)源中的傳感器升降桿（松開鎖緊螺釘，粗調(diào)升降桿再細(xì)調(diào)調(diào)節(jié)螺母），用示波器觀察電渦流實(shí)
驗(yàn)?zāi)０遢敵龆瞬ㄐ危╕2）使輸出端波形為正弦曲線（這時(shí)傳感器端面與被測體振動(dòng)臺(tái)面之間的安
裝距離為線性區(qū)域的大致中點(diǎn)位置），擰緊鎖緊螺釘。注意：測量過程中，保持低頻振蕩器幅度
旋鈕位置不變。
4、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：
（1）改變振動(dòng)頻率測出不同頻率下相應(yīng)的傳感器輸出電壓峰－峰值。填入表4.3 并畫出
f——VO 特性曲線。由曲線估算振動(dòng)臺(tái)的諧振頻率（VO 最大時(shí)對(duì)應(yīng)頻率）。同時(shí)調(diào)節(jié)傳感器安裝
支架高度，讀取正弦波失真最小時(shí)的Y2 電壓峰－峰值。
（2）用示波器觀察電渦流實(shí)驗(yàn)?zāi)０遢敵龆瞬ㄐ危╕1），和低通濾波器輸出波形（Y2），實(shí)驗(yàn)
完畢，關(guān)閉電源。
表4.3 電渦流傳感器測量振動(dòng)實(shí)驗(yàn)輸入－輸出數(shù)據(jù)表

f(Hz)
VP-P（V）

圖4.4 電渦流傳感器測量振動(dòng)實(shí)驗(yàn)儀器連線圖

五、思考題
1、分析各種典型傳感器測量振動(dòng)時(shí)測量范圍及特點(diǎn)。
2、有一個(gè)振動(dòng)頻率分別為1KHz 、10KHz 的被測物體需要測其振動(dòng)參數(shù)，你是選用壓電式
傳感器還是電渦流傳感器、差動(dòng)變壓器或認(rèn)為三者均可？
3、根據(jù)所學(xué)的理論知識(shí)，還可以選擇哪幾種傳感器測量振動(dòng)，試舉例說明。
六、考核方式
課堂表現(xiàn)10%，實(shí)際操作30%，實(shí)驗(yàn)報(bào)告60%。