SJ Z 9145-1987 确定冲击与振动测量用机电换能器特性的方法.pdf

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1、中华人民共和国电子工业性部标准确足冲击与用机电换能器特性的方法Methods fo:r specifying the chalac:edstics of electro-mechanical i:ransducers fO :t shock and vib:ration meaSUlements 一一一一一一范围SJjZ 9145 81 IEC 184(1965) 本际准给出有夫振动与冲击机电换能器(传感器)特性的推荐规范，这种换能器的电输出为被测运动物体单轴、多轴或角加速度，速度或位移的已知的函数。本标准的意图不是提供这种换能器的性能规范.目的本标准给出冲击与振动换能器重要特性的说明。它旨在

2、作为仪器制造厂规定其换能器特性的指南，并帮助使用者选择特定类型换能器或确定性能指标。所提供数据的准确性取决于环境(如温度)的影响，也取决于设计性能(如固有频率)，还取决于换能器的固有因京(如质量)。本标准旨在给使用者对任何特定换能器的特性有一个完整的描述。如果有必要的话，也可在通用标准里列出特定换能器的规范。下文将把冲击与振动换能器简称为换能器。定义3. 1 冲击与振动换能器动传感器是一种把被测的机械运动(振动或冲击)转变成电的、光的、水力的、机械的、或其它信号或记录资料的器件(本标准所涉及的仅是具有电输出的传感器).3 2 振动振动起义为政点在弹性介成中国绕着某一平衡位置的运动(国际电工词汇

3、08一05一005).3.3 机械冲击当一个系统的位置在相当短的时间里非周期性地发生急剧改变时，就称为产生了机械冲中华人民共和国电子工业部1988-01-06批准 1 SJjZ 9145-87 击。其特点在于位移的突然性及在系统中产生显著的内力.这种运动可被分析为一种连续的频谱e换能器可以如实地把机械冲击转换为电的或其它类型的信号或记录资料，这里假寇换能器在包括上述频谱的有效部分的频段内，其响应不失真。这就要求换能器在信号的整个幅度范围内应是线性，且其幅度响应与频率无关，而相移应在冲击运动频谱的有效部分内正比于频率.3.4 振动位移振动位移，平移或角位移，是指一个物体的质点相对于规定的参考框架

4、所发生的空间位置的改变。若没有规寇参考框架，则就是指惯性参考框架。对于正弦运动，位移的幅值为离开平均值的位移最大值。峰-峰值位移幅值为位移幅值的两倍，有时称为全幅值或总偏移。对于冲击运动的情况，峰值位移为位移的最大值.3.5 振动速度振动速度是位移的时间变化率。对于正弦运动，速度幅值为速度的最大值。对于冲击运动，峰值速度为速度的最大国.e3.6 振动加速度振动加速度是速度的时间变ru0 对于正弦运动，加速度幅值为加速度的最大值。对于冲击运动，峰值加速度为加速度的最大倍。加速度的单位为重力加速度岛。对于振动的情况，其数值一般取9.80665mjs.振动加速度的数值以岛的倍数来表示.3.7 振动系

5、统振动系统是主要由柔顺地安装(如用弹簧)在刚性参考框架内的质量组成的测量元件。在一个振动式换能器中，框架成了换能器的底座。质量相对于框架的运动会受到阻尼。3.8 有阻尼的振动系统对于本标准来说，阻尼一词是指振动系统的能量超散特性，它使振动系统在激励去除后趋向于静止状态。3.9 无阻尼的固有频率对于本标准来说，振动系统的无阻尼固有频率系指框架的正弦激励频率，在此频率上，质量与框架之间运动的代数差改变符号。3.10 有阻尼的固有频率(未经激励)本标准所涉及的振动系统的有阻尼固有频率是指有阻尼的自由振动的频率-3.11 谐振频率本标准涉及的振动系统的谐振频率是指以恒寇振幅的正弦信号激励框架时，质量相

6、对于框架振幅最大的频率。3.12 对数减缩率对数减缩率A为在单频振荡衰减中，符号相同的任意两个邻接幅值之比的自然对数2A=悔过ti.2. J;:z 9145-87 、_.尹lk ., ，. 3.13衰衰变率系指在一寇点上和一寇的时间里，间衰减的速率.通常使用的单位为dB/so 3.14 品质因数Q(放大系数)品质因数Q为具有单一自由度的谐振系统的谐振锐度或频率选择性的量度。就本文而，若fr为谐振频率，t1f为半功率点之间的带宽时，3.15 阻尼比阻尼比定义为zQ fr 一-t1f 1 A T。一一二 zQ一2馆Td 其中To为系统的无阻尼周期，T d为系统的有阻尼周期.范4. 1 概述下面介绍

7、的内容也许对换能器的使用者会有所帮助.如果认为合适，建议制造广应在文件及随换能器出厂的说明书中，完整地或部分地提供此规范的情况.4.2 类型制造者要指出换能器的输出是否基本上正比于振动的位移，速度或加速度.4.3 接触方式要指出仪器是:1) 用螺栓、用夹嵌或用胶合等方法与振动表面固定在一起(比如有时对于振动式换能器用比方法); 2) 也可用手拿着(比如对于探针式的，或有时对于振动单元也用比方法); 3) 把两个参考位置桥接起来.4.4 运动的类型制造者要指出换能器对振动响应的性质，比如:1) 单轴向:2) 多轴向:3) 角向(固定轴或旋转轴)04.5 质量、惯性矩对于单轴向振动换能器，应给出质

8、量:对于角振动惯性矩。电缆不应明显地增大换能器的有效质血。4.6 总尺寸换能器的外形尺寸应用图形表示出来.，则应给出以规定轴为基准的3 SJjZ 9146-81 一4.丁可动元件的位置假如需要的话，应给出可动元件的重心位置(在离心加速度计的校准和其它运用中，要有这方面的内容，这时在被测的量中，可能会有空间梯度或单轴向运动与旋转运动的组合)。4.8 安装应指出安装与远位的方法以及换能器中安装孔或螺杆的尺寸。如果用皮带把换能器与待的系统连接起来，应指出皮带的尺寸、劲度、长度、材料、皮带轮的尺寸及张力的调节.4.9 连接若在使用中换能器与辅助设备之间需要电气连接，应指出接线的长度、重量、屏蔽与外的连

9、接，对机械冲击与压力的敏感性以及接头的类型(若有各种接头的话)。如果需要知道电缆的阻抗以便解释测量结果的话，应指出电缆的阻抗值(参看4.24条).4.10 温度与湿度要给出换能器的工作温度泡围，在此温度范围内，换能器的灵敏度与阻尼的变化不超过应位所允许的百分数，或用图示的方法给出灵敏度与阻尼i嘘温度变化的数值。要给出最高与最低的贮存温度。也要给出换能器的温度极限，超过此温度，换能器可能损坏。若高会损坏换能器，应指出这种影响。也应指出高温度对换能器工作性能的影响。4.11 传感元件应指出传感元件的类型，例如1) 应变灵敏度的电阻丝，焊接或不焊接2) 电阻性电位计3) 可变电容的可变电感5) 羞动

10、转换器的电磁元件7) 压电元件的电子管的光电元作10)电动元件4.12 能源制造者要指出换能器是否为自供能源的，如果不是，则应指出所加能源或极化源的性质.4.13 输出特性要指出换能器的输出特性;下述各种表示可能是有用的，例如t1) 指出输出为电压，或进一步指出为己调制的载波电压或调频电压;2) 指出输出与输入振动的关系是线性、对数或其它的夫系.4.14 辅助设备制造者应指出所需的辅助设备的类型，或某些有杀的特性，例如:.4. J/Z 9145-87 Y时1) 一定的输入阻抗.这也许是诸如阴极输出器或其它类似线路以便提供一定的频率范围或提供合适的P.tilJt.蛇嘀;2) 用以消除载频的解调器

11、;3) 用以去除不需要信号的滤波耐Z4) 偏置电压或桥接网络，以便当施加运动为零值时，产生一个5) 某些非线性器件，以修正输出信号的非线性:6) 积分或微分电路，并注明其频率范围.应给出将换能器正确连接到辅助设备上的线路图。4.15 最大运动加速度的极限应指出安全工作和有可靠指示的最大运动。极限可有四种类型z要求一定的精度，超过极限会引起线性损失:超过极限会使调节中断:超过极限会使探头的能力大大地降低，以及超过极限会损坏换能器。应规定极限的类型，如果零点两侧的极限不均等，则这两种极限均应指出。如果这些极限为频率的函数，可用图示给出.4.16 最小运动加速度的极限应指出能测量的最小运动。影响这一

12、下限的因素有z电位计型传感元件的分辨力，在存在着摩擦情况下的粘附、积分电子设备中的热噪声4.17 灵敏度、响应及响应曲线应给出在规定的工作频段内输入相对于输出的关系图表.对于输出与输入成正比例的传，比例常数要以额定灵敏度的形式给出.应以图表的形式将灵敏度表示为频率的函数，以此来说明频率对灵敏度的影响，在这图表以及其它灵敏度图表中所加的终端阻抗也应说明.对于需要外加电压(交流或直流)、载波电压或偏置电压的换能器，其额定灵敏度应该是加上所推荐的电压时所得到的数值，或者是每伏特电压所得到的数值.应指出偏置电压的推荐数值.出与输入的关系应以适当的单位来表示，比如用电压有效值与速度有效值，或电压峰值与速

13、度峰值，而不用电压有效值与速度峰值这样的单位来表示.下表给出一些合适的位z助设备所要求的，出声.试典. 数输出单位输入单位单轴向位移V m 单轴向速度V m/s 单轴向加速度V m/s2函，gn* 角位移v .(度),rad 角速度V 度/秒，ra/s 角力日速度V 度/秒2，rad/s 在实际运算中优先选取103辱的约数较方便，例如位移取阳. n为重力加速度参看3.6条4.18 频率范围应指出换能器的工作频率范围，在此范围内换能器的灵敏度变化不太于按额寇灵敏度而 5 SJjZ 9145-8 , 规定的百分率.应指出振动谐振频率及影响输出信号的任何寄生谐振频率。只要有必要，对于每一谐振频率应指

14、出近似放大率(品质因数).4.19 相位响应曲线应指出在推荐的频率范围内工作日才，外加正弦振动与在规定的输出终端上所得到的正弦输出信号之间的最大相移或相角。为了指明换能器是否适用于测量冲击运动(这里希望换能器相移与频率成正比)，相移要用图表表示出来.若相移为零，应指出这一情况。4.20 阻尼应指出对数减缩率，或衰变速率，或品质因数，或阻尼比.4.21 取向应指出换能器是否适合在水平、垂直与倒置安装位置上工作.4.22 敏感方向的指示换能器的敏感方向例如用箭头指示出来，实用上，应标出正敏感的方向，在相应端，标上十输出以表明在正敏感时运动的输出极性.4.23 方向性鉴别应指出其横向灵敏度与诸如旋转

15、灵敏度之类的其它灵敏度。若横向灵敏度的变化是相对于敏感轴所运动取向的函数，则应在由运动产生最大输出的轴线上(不与灵敏轴平行)给出横向灵敏度的数值。应介绍测量这一横向灵敏度的详细方法.4.24 电阻扰换能器的电阻抗是开路电压与短路电流之比。要用表格的形式在换能器工作频段内的几个频率上给出这一阻扰的大小与相角:或用曲线把这些阻抗值表示为频率的函数。若适用的话，应用等放电感、电阻与电容来表示阻抗，并能适当地用到推荐的换能器工作频段上。4.25 干扰电磁场和声场若需要的话，应指明恒起与交变电磁场对换能器性能的影E川其内容应包括:1) 恒磁场对灵敏度的影响:2) 邻近的铁质物体对灵敏度的研响;3) 换能

16、器及其连接电辑中激励电压所产生的交变电磁场的影响，这种影响可以通过由79.58A/m(!Oe)、一定频率的磁场，且在引起最大响应的方向上所产生的等效振动来给出.声场的影响应在有失频卒上给出.4.26 接地电流若用绝缘祸合的方法来避兔接地电流的干扰，应指出对换能器性能的影响.6 一一=冉一Al 动l的知SJ/Z 9145-87 附一般A L嚣一一 这一部分附录所讨论的为每一类振动换能器所共有的要隶。值得注意的是z一种给定的换能器在测量中可能超出一种用途，因为其输出即可直接显示出来，也可避行积分或微分A 1 .1 加速度换能器(加速度计)Al. 1. 1 工作原理加速度换能器(下文简称为换能器)主

17、要由振动式支撑于框架(壳体、外罩)的质量组成，并阻止除了振动方向之外的其它方向的运动。在换能器的工作频段内(即低于谐振频率), 质量的加速度几乎与惺架一样。此质量对振动支撑物施加一个与有关加速度成正比的力。因此质量相对于框架的位移几乎与加速度成正比，若换能元件产生一个与位移成正比的信号，输出便是一个已知力的函数.Al.l.2 频率范围假设一个加速度换能器具有刚性结构，对于一个远远低于换能器任何谐振频率的激励率，有足够的精确度。换能器的最低谐振频率通常为振动系统的谐振频率，对于精度约为5侈的情况，元阻尼换能器测量的加速度频率直到振动的无阻尼固有频率的1/5左右.阻尼比为0.6左右的换能器可测量的

18、频率直到无阻尼固有频率的2/3左右，并具有和上述同样的5%精度.对于其它一些阻尼比的情况，其频率上限可由图Al确寇。频率下限往往受传感方法或与之相连的电子设备的限制。在没有合适的振动激励器的情况下，通过把换能器安装一个比较小的刚性底座下，观察这整体受到冲击激励时的输出，便可以确定固有频率.利用适当的方法，构件的固有频率在输出中将被突出出来。Al.l.3 相位失真除非掏成扰动的所有频率成分没有延迟或延时同样的时间，否则瞬态扰动会发生畸变.若相移为或与频率成正比，这一不失真的条件使得以实现。阻尼非常小的换能器在其允许的频段内所产生的相移可忽略不计。阻尼比约为0.65的换能器在其允许的频段内，相移几

19、乎与频率成正比(参看图A2)。从相位失真这一点来衡量，不希望存在其它段值的阻尼比.相位失真可通过电路来补偿.Al.l.4 安装安装应足够坚固，以避免换能器与设备之间明显的相对运动。比如要测量10，gn、频率为1Hz的加速度，要求精度为1侈，则换能器与设备之间的相对位移应小于25/J2(mm)，即在100Hz时小于O.0025mm.而在1000Hz时小于O.000025mmAl.l.5 惯性换能器及其安装件的合扰乱被测的运动.A1. 2 速度换能器它们的性矩应很小，以兔加速度换能的性明 7 SJjZ 9145-87 一一一士一一一A1.2.1 工作原理速度换能器(以下简称换能器)产生一个与换能器

20、的两个主安元件的相对速度成正比的电压，这两个元件通常是线固和磁场的装置。Al.2.2 类型在振动式抉能器中，其中一个元件由框架(壳体、外罩)振动式地支撑着，从而构成具有一个自由度的低频系统，而另一元件则与程架组合在一起。若框架连接到振动构牛上，振动式支撑着元件基本上被固定在空间，输出电压则为构件振动速度的函数。在探针式速度换能器中，那两个元件的相对运动由贯穿外罩的探针所引起。探针的一端始终因寇在换能器的可动元件上，另一端与被测振动的构件刚性接触或弹性负载接触。若探针式换能器为手持式，则恒架基本上被固定在空间，输出电压为构件振动的函数。若探针式换能器的框架固定在一个振动体上，而探针与另一个振动体

21、相接触，则输出电压为这两个振动体之间的瞬时相对速度的函数。A1.2.3 频率范围探针式换能器的工作范围受到使探针与振动部分保持接触的加速度数值的限制。振动式度换能器的工作频段高于无阻尼固有频率。为要用一个阻尼比为O.1的换能器，以优于5伪的准确度测量稳态振动，换能器工作频段的下限应约为无阻尼固有频率的1.3倍(参看图A3).要保持一个确寇的阻尼数值是困难的，因此精确到5份之内的测量结果一般只在频率为无阻厄固有频率两倍时才能获得。在无阻尼的情况下，频段的下限约为无阻尼固有频率的三倍.换能器频段的上限由其构件的谐振频率或由其阻尼特性所决寇。有时通过把换能器固定在一个较小的刚性底座上并观察这一组合件

22、受到冲击激励时的输出，便可确定固有(谐振率)。采用适当的方法，构件的谐振频率在输出中会被突出出来。测量瞬态运动的振动式速度换能器应为无阻尼的，因为在这里阻尼会导致过分的相应失真。A1.2.4 相位失真速度换能器相位失真为相位角与180。的差值(参看图A2)。对于典型的无阻尼振动式换能器(阻尼约为临界阻尼值的5%)，在高于元阻尼固有频率约两倍的频段上，相位失真约小于4，对于具有偏离!自界阻尼较远的换能器，实验的数据表明相位失真不可忽略。Al.2.5 惯性在A1.1.5条中对于加速度换能器的要求也适用于速度换能器。Al.3 位移换能器Al.3.1 工作原理位移换能器(下文简称为换能器)产生一个输出

23、电压，此电压为换能器两个工作元件之间相对位移的己知函数。探针式与振动式位移换能器除了感应元件的响应与位移而不是与速度成正比之外，它们的机械结构与性能是和A1.2.2条至A1.2.5条所介绍的探针式及振动式速度换能器一样.的传感元件附录的这部分介绍在冲击与振动换能器中广泛应用的传A2.1 应变电阻丝8 某些性能。SJjZ 9145-87 一二一一一liJL用应变电阻丝的电阻性传感器总是用四个有源元件的电连接组成一个惠斯登电桥来工作的。每一桥臂的电阻值为几百欧姆。需要一个通常为10V的外加电压源来激励此电桥。开度电压输出约30mv。这种感应方法主要用在加速度换能器中。这种感应方法在绝大多数应用中受

24、欢迎的特点为:输出与输入的线性关系较好;若按具有四个有惊臂的惠斯登电桥那样工作，它对于环境变化并不灵敏:内阻低及校准恒定。在某些实际运用中也许会感到不理想的特性能:输出电压低以及需要外加激励电压。因其内阻低，故电阻性传感器可直接驱动灵敏的示波检流计的元件。A2.2 电阻电位计电阻电位计传感器使用了一个与滑动触点相接触的电阻器。这种敏感器件通常应用于位加速度换能器。电阻元件可以是碳膜、金属膜、或线绕电阻。线绕元件由绕在线圈架或心轴上的细电阻丝构成。通过选择不同形状的心轴，便可做成输出为位移的线性(或其它)函之的部件。线绕电位计传感器的分辨率很大程度上取决于线固的圈数及它们的间距，且通常都优于满刻

25、度的1q奋。在大多数情况下，电位计传感器适合于测量位移力1毫米至几个厘米特间的运动，精确度为满刻度读数为10/0的数量级。这种敏感元件在大多数运用中受欢迎的事性是:内阻低、功率输出高、工作范围宽、对温度与湿度的变化不敏感。在某些运用中会到不理想的性能是:谐振频率较低，需要外加电压，滑动触点保持适当的接触有一定困数，而且对于线绕电阻来说分辨率也有限。A2.3 可变电容传感元件包含两块平极(在某些情况下三块)，其电容量随其相对间距的变化而变化。这种形式的传感元件用于电桥或其它装置中.在有一对平板(这一对平板组成电容量)的桥式装置中，电容通常在一个桥臂中与恒定电感串联，此电桥由一电压激励，此电压的频

26、率选择得使此桥臂产生串联谐振。此电桥的输出为被抑制的载波，当这载波以适当的相位关系与激励电压混频并被解调时，就会产生一个与平板的相对位移成正比的电信号。这种敏感元件在绝大多数运用中使人满意的特性如下:分辨率到10-10m，使用2MHz的激励电压时，工作段高至30，OOOHz，振动体没有明显的机械负呐。A2.4 可变电感传感元件包含一个或更多的线圈，线圈的电感(在某些情况下为互感)因衔铁的运动而发生变化。这种形式的传感元件应用于电桥、差动转换器以及其它的一些装置中，以产生一个与激励载波电压成正比的输出。也可用它来构成振荡器振荡回路的一部分，这种振荡器的输出由其频率变化来表征。这种类型的传感元件通

27、常用来测量位移或加速度。它可测米到几厘米的位移。这种传感元件在绝大多数运用中感到满意的特性如下:输出高、阻抗低，对环境的变化不敏感，工作范围宽，可用于诸如差动转换器、电桥等各种电路设备中。A2.5 电磁式这种传感元件的输出为由一个线圈产生的电压，这一线圈安置在由一个或多个的恒磁体所建立的磁场中，并在磁场中产生相对运动.这一感应方式在测量速度的仪器中是最常用的.利用存在的磁场容易得到有高稳定性的电动阻尼.也利用流体阻尼.若线圈与恒磁体采9 SJ/Z 9145-87 一一用常规尺寸，则对于速度为1m/s的情况，传感器的输出约为4V.这种感应方法在绝大多数的运用中感到满意的特性如下:稳定性好，内阻低

28、以及功率输出大.此外，当使用恒磁体时便不再需要有外加电源来激励此传感元件。这种传感元件在某些运动中也许会使人烦恼的特性是:有限的位移范围，外磁场对输出及产生内磁场的恒磁体有影响。的.6压电式机械力使压电材料的儿何尺寸改变时，便在压电材料的一定表面之间产生电位差.这一性能使得压电材料可做成传感元件。电缆的电容对换能器的影响很大，因此通常需要用一根短电缆把前置放大器与换能器连接起来。压电晶体和相连设备的电性能限制了压电换能器的低频性能。这种感应方法在绝大多数运用中受欢迎的特性为:在约1至20，000Hz的频段内性能良好(假寇外罩足够硬并可合理地固定，参看Al.l.4条)，加速度值约从0.0001至

29、10，0009n，外形尺寸小，输出电压商。在某些运用中也许会使人不满意的性能为z内阻高，且往往需要有前置放大器。框架x Xo n (t.伊)振动质量自Y回YOsint m 5 c-C。(X。一YO)(klm) 1 -一-r. _ _w = YO4 11 I 0.1 ,-、J h 。3 n国内7百.0.15 。A 民. Oz C 且2nm 3 需M_._ 0.2 罪黑烟/飞Jx。一Yo-(X-!I)的数值t 。.81.0 1.5 2.0 5.0 2 Accelerome!er range 制。1 2 a 。一w 图Al加速度计的响应曲线 10 咱翩翩毒品。-6r I I 4 辽 松l噎34兰1甲?支票 2 t 自由 t C Cc 。j 0.1 1 SJ/Z 9146-87 唰E.， y-Yos!nt A X田XQsin (M呐lXo-Y，。一百-框架台;气I，C振动质量/ 町lI) X二一口.(X-y)的位移和速度换范国2 s 曲n 因A2位移与速度换能器的响应曲线刨俨4在jm0-、2nm 11 叫SJjZ 9145-87 一一W由国，s -4 2 SS5AA码的V的UAU内U民Uc-QMM臼M0.1 0.15 。.2025 0.3 。1 120 B ,; 90 60 30 M啕梗阻+ghHm帕拉蜓h旦振动式换能器的相移一扣13 一 12