微振动测试仪设计说明

目录

1概述 (1)

2系统硬件电路设计 (5)

2.1压电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 (8)

2.4 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，不可避免地存在着诸如回转件的不平衡、负载的不均匀、结构刚度的各向异性、润滑状况的不良及间隙等原因而引起受力的变动、碰撞和冲击，以及由于使用、运输和外界环境下能量传递、存储和释放都会诱发或激励机械振动。所以说，任何一台运行着的机器、仪器和设备都存在着振动现象。

在大多数情况下，机械振动是有害的。振动往往会破坏机器的正常工作和原有性能，振动的动载荷使机器加速失效、缩短使用寿命甚至导致损坏造成事故。机械振动还直接或间接地产生噪声，恶化环境和劳动条件，危害人类的健康。因此，要采取适当的措施使机器振动在限定围之，以避免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，对工作环境进行控制，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，对于许多承受复杂载荷或本身性质复杂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一的求解方法。因此，振动测试在工程技术中起着十分重要的作用。

微振动测试仪的设计主要组成部分压电式传感器，用于信息的采集；在本设计方案里选择压电瓷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给电荷放大器，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。这里考虑避免接入电容的影响，

所以采用电荷放大。除了电荷放大，还要再一次对信号进行放大，这里采用运算放大器和一定的电路组成。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刻状态。系统硬件原理图如图1-1：

图1-1 系统框图

（一）电式传感器的工作原理

1、压电效应

某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时部会产生极化现象，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，在电介质的极化方向上施加交变电场或电压、它会产生机械变形；当去掉外加电场时，电介质变形随之消失，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，如天然形成的石英晶体、人工制造的压电瓷等。

在晶体的弹性限度，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

Q=dF

式中 d—一压电常数。

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．当许多游客在沙丘上蹦跳或从鸣沙厅上柠下滑时，可以听到雷鸣般的隆隆声；产生这个现象的原因是无数干燥的沙子(siO2晶体)在重压下表面产个电荷。在某——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有三类：一类是压电晶体(单晶体)；第二类是经过极化处理的压电瓷(多晶体)；第三类是高分子压电材料。这里我们主要介绍第二类。

(二) 压电瓷

压电瓷是人工制造的多晶压电材料．它由无数细微的电畴组成。这些电畴实际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。它们的极化效应被相互抵消了，因此原始的在电瓷呈中性，不具有压电性质。为了使压电瓷具有压电效应，必须在一定温度下做极化处理。极化处理之后，瓷材料部存在有很强的剩余极化强度．当压电瓷受外力作用时，其表面也能产生电荷，所以压电瓷也具有压电效应。

压电瓷制造工艺成熟，通过改变配方或掺杂微量元素可使材料的技术件能有较大改变，以适应各种要求它还具有良好的工艺性．可以方便地加工成各种需要的形状，在通常情况下，它比石英品体的比电系数高得多，而制造成本较低，因此日前冈外压电元件绝大多数都采用压电瓷。常用的压电资材料主要有以下几种：

(1)锆钛酸铅系列压电瓷(PZT) 锆钛酸铅压电瓷是由钛酸铅和铁酸铅组成的固熔休。它有较高的压电常数[d—(200—500)*10-12c/n]和居里点(500c左右)，是目前经常采用的一种压电材料。在上述材料小加入微量的镧(La)、铌(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瓷。

(2)铌镁酸铅压电瓷(PMN) 铌镁酸铅压电瓷具有较高的压电常数{dll＝

(800一900)x10-12C／n}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器。目前还有一些铌酸盐(如铌酸锂)具有很高的居里点，可作为高温压电传感器。

（3）使用Pv—96型压电加速度传感器进行测量，它的灵敏度为100OPC／g，也就是说在1g(g＝9．8M／s*s)加速度的作用下，传感器能产生一万微库的电荷o Pv—96型压电传感器的性能如表1-2：

图1-2 Pv—96型压电传感器特性

2系统硬件电路设计

2.1压电瓷传感器的等效电路

压电式传感器对被测量的变化是通过其压电元件产生电荷量的大小来反映的，因此它相当于一个电荷源。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，其电容量为

r o n c c s c =?

式中 S ——极板面积；

n C ——压电材料相对介电常数；

c 。——真空介电常数；

3——压电元件厚度。

当压电刀件受外力作用时，两表面产生等量的正，负电荷Q ，压电元件的开路电压（认为其负载电阻为无穷大）u 为 n Q U C =

这样，可以把压电元件等效为一个电荷源Q 和一个电容器n C 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2-1a 所示，也可以等效为—个电压源，如图2-1b

Q/C a