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如何德國(guó)IFM易福門(mén)振動(dòng)傳感器求出被測(cè)物體的絕對(duì)振動(dòng)位移波形
在高度發(fā)展的現(xiàn)代工業(yè)中，現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)向數(shù)字化、信息化方向發(fā)展已成必然發(fā)展趨勢(shì)，而測(cè)試系統(tǒng)的最前端是傳感器，它是整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的靈魂，被世界各國(guó)列為技術(shù)，特別是近幾年快速發(fā)展的IC技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)，為傳感器的發(fā)展提供了良好與可靠的科學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)。使傳感器的發(fā)展日新月益，且數(shù)字化、多功能與智能化是現(xiàn)代傳感器發(fā)展的重要特征。
1.引入新技術(shù)發(fā)展新功能 [1]
隨著人們對(duì)自然認(rèn)識(shí)的深化，會(huì)不斷發(fā)現(xiàn)一些新的物理效應(yīng)、化學(xué)效應(yīng)、生物效應(yīng)等。利用這些新的效應(yīng)可開(kāi)發(fā)出相應(yīng)的新型傳感器，從而為提高傳感器性能和拓展傳感器的應(yīng)用范圍提供新的可能。圖爾克市場(chǎng)技術(shù)部產(chǎn)品經(jīng)理兼技術(shù)支持主管楊德友向記者表示，“目前傳感器界的最大特點(diǎn)就是不斷引入新技術(shù)發(fā)展新功能。"如檢測(cè)金屬產(chǎn)品位置的電感式接近開(kāi)關(guān)，它利用金屬物體接近能產(chǎn)生電磁場(chǎng)的振蕩感應(yīng)頭時(shí)在被測(cè)金屬上形成的渦流效應(yīng)來(lái)檢測(cè)金屬產(chǎn)品的位置。由于不同金屬渦流效應(yīng)的效果不同，因此不同金屬的檢測(cè)距離是不一樣的，尤其是面對(duì)各類(lèi)合金時(shí)，普通的電感式接近開(kāi)關(guān)就顯得力不從心，這就要求生產(chǎn)廠商在提高產(chǎn)品功能上下功夫。由于電感式接近開(kāi)關(guān)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)是在鐵氧體磁芯上繞制線圈作為電感線圈，而鐵氧體磁芯自身的限制使得電感式傳感器不可能在已有的設(shè)計(jì)理念下發(fā)展，那么只能在技術(shù)上開(kāi)發(fā)出可以替代鐵氧體線圈的產(chǎn)品來(lái)提高產(chǎn)品的性能。圖爾克公司的電感式接近開(kāi)關(guān)就摒棄了鐵氧體磁芯，從而去掉了磁芯的限制。這樣在檢測(cè)不同金屬時(shí)可以通過(guò)電路調(diào)節(jié)提高產(chǎn)品的檢測(cè)距離，并且全金屬檢測(cè)距離無(wú)衰減，抗干擾能力也有所提升。
2. 利用新材料發(fā)展新產(chǎn)品
傳感器材料是傳感器技術(shù)的重要基礎(chǔ)，隨著材料科學(xué)的進(jìn)步，人們可制造出各種新型傳感器。例如用高分子聚合物薄膜制成溫度傳感器，光導(dǎo)纖維能制成壓力、流量、溫度、位移等多種傳感器，用陶瓷制成壓力傳感器。高分子聚合物能隨周?chē)h(huán)境的相對(duì)濕度大小成比例地吸附和釋放水分子。將高分子電介質(zhì)做成電容器，測(cè)定電容容量的變化，即可得出相對(duì)濕度。利用這個(gè)原理制成的等離子聚合法聚苯乙烯薄膜溫度傳感器，具有測(cè)濕范圍寬、溫度范圍寬、響應(yīng)速度快、尺寸小、可用于小空間測(cè)濕、溫度系數(shù)小等特點(diǎn)。陶瓷電容式壓力傳感器是一種無(wú)中介液的干式壓力傳感器。采用優(yōu)良的陶瓷技術(shù)，厚膜電子技術(shù)，其技術(shù)性能穩(wěn)定，年漂移量的滿(mǎn)量程誤差不超過(guò)0.1%，溫漂小，抗過(guò)載更可達(dá)量程的數(shù)百倍。
光導(dǎo)纖維的應(yīng)用是傳感材料的重大突破，光纖傳感器與傳統(tǒng)傳感器相比有許多特點(diǎn)：靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、耐腐蝕、電絕緣性好、光路可彎曲、便于實(shí)現(xiàn)遙測(cè)等。而光纖傳感器與集成光路技術(shù)的結(jié)合，加速了光纖傳感器技術(shù)的發(fā)展。將集成光路器件代替原有光學(xué)元件和無(wú)源光器件，光纖傳感器又具有了高帶寬、低信號(hào)處理電壓、可靠性高、成本低等特點(diǎn)。
在工程振動(dòng)測(cè)試領(lǐng)域中，測(cè)試手段與方法多種多樣，但是按各種參數(shù)的測(cè)量方法及測(cè)量過(guò)程的物理性質(zhì)來(lái)分，可以分成三類(lèi)。
機(jī)械式
將工程振動(dòng)的參量轉(zhuǎn)換成機(jī)械信號(hào)，再經(jīng)機(jī)械系統(tǒng)放大后，進(jìn)行測(cè)量、記錄，常用的儀器有杠桿式測(cè)振儀和蓋格爾測(cè)振儀，它能測(cè)量的頻率較低，精度也較差。但在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)較為簡(jiǎn)單方便。
光學(xué)式
將工程振動(dòng)的參量轉(zhuǎn)換為光學(xué)信號(hào)，經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)放大后顯示和記錄。如讀數(shù)顯微鏡和激光測(cè)振儀等。
電測(cè)
將工程振動(dòng)的參量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)電子線路放大后顯示和記錄。電測(cè)法的要點(diǎn)在于先將機(jī)械振動(dòng)量轉(zhuǎn)換為電量（電動(dòng)勢(shì)、電荷、及其它電量），然后再對(duì)電量進(jìn)行測(cè)量，從而得到所要測(cè)量的機(jī)械量。這是目前應(yīng)用得泛的測(cè)量方法。
上述三種測(cè)量方法的物理性質(zhì)雖然各不相同，但是，組成的測(cè)量系統(tǒng)基本相同，它們都包含拾振、測(cè)量放大線路和顯示記錄三個(gè)環(huán)節(jié)。
1、拾振環(huán)節(jié)。把被測(cè)的機(jī)械振動(dòng)量轉(zhuǎn)換為機(jī)械的、光學(xué)的或電的信號(hào)，完成這項(xiàng)轉(zhuǎn)換工作的器件叫傳感器。
2、測(cè)量線路。測(cè)量線路的種類(lèi)甚多，它們都是針對(duì)各種傳感器的變換原理而設(shè)計(jì)的。比如，專(zhuān)配壓電式傳感器的測(cè)量線路有電壓放大器、電荷放大器等；此外，還有積分線路、微分線路、濾波線路、歸一化裝置等等。
3、信號(hào)分析及顯示、記錄環(huán)節(jié)。從測(cè)量線路輸出的電壓信號(hào)，可按測(cè)量的要求輸入給信號(hào)分析儀或輸送給顯示儀器（如電子電壓表、示波器、相位計(jì)等）、記錄設(shè)備（如光線示波器、磁帶記錄儀、X—Y 記錄儀等）等。也可在必要時(shí)記錄在磁帶上，然后再輸入到信號(hào)分析儀進(jìn)行各種分析處理，從而得到最終結(jié)果。
IFM振動(dòng)傳感器在測(cè)試技術(shù)中是關(guān)鍵部件之一，它的作用主要是將機(jī)械量接收下來(lái)，并轉(zhuǎn)換為與之成比例的電量。由于它也是一種機(jī)電轉(zhuǎn)換裝置。所以我們有時(shí)也稱(chēng)它為換能器、拾振器等。
IFM振動(dòng)傳感器并不是直接將原始要測(cè)的機(jī)械量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏浚菍⒃家獪y(cè)的機(jī)械量做為IFM振動(dòng)傳感器的輸入量，然后由機(jī)械接收部分加以接收，形成另一個(gè)適合于變換的機(jī)械量，最后由機(jī)電變換部分再將變換為電量。因此一個(gè)傳感器的工作性能是由機(jī)械接收部分和機(jī)電變換部分的工作性能來(lái)決定的。
1、相對(duì)式機(jī)械接收原理
由于機(jī)械運(yùn)動(dòng)是物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的的形式，因此人們最先想到的是用機(jī)械方法測(cè)量振動(dòng)，從而制造出了機(jī)械式測(cè)振儀（如蓋格爾測(cè)振儀等）。傳感器的機(jī)械接收原理就是建立在此基礎(chǔ)上的。相對(duì)式測(cè)振儀的工作接收原理是在測(cè)量時(shí)，把儀器固定在不動(dòng)的支架上，使觸桿與被測(cè)物體的振動(dòng)方向一致，并借彈簧的彈性力與被測(cè)物體表面相接觸，當(dāng)物體振動(dòng)時(shí)，觸桿就跟隨它一起運(yùn)動(dòng)，并推動(dòng)記錄筆桿在移動(dòng)的紙帶上描繪出振動(dòng)物體的位移隨時(shí)間的變化曲線，根據(jù)這個(gè)記錄曲線可以計(jì)算出位移的大小及頻率等參數(shù)。
由此可知，相對(duì)式機(jī)械接收部分所測(cè)得的結(jié)果是被測(cè)物體相對(duì)于參考體的相對(duì)振動(dòng)，只有當(dāng)參考體絕對(duì)不動(dòng)時(shí)，才能測(cè)得被測(cè)物體的絕對(duì)振動(dòng)。這樣，就發(fā)生一個(gè)問(wèn)題，當(dāng)需要測(cè)的是絕對(duì)振動(dòng)，但又找不到不動(dòng)的參考點(diǎn)時(shí)，這類(lèi)儀器就無(wú)用武之地。例如：在行駛的內(nèi)燃機(jī)車(chē)上測(cè)試內(nèi)燃機(jī)車(chē)的振動(dòng)，在地震時(shí)測(cè)量地面及樓房的振動(dòng)……，都不存在一個(gè)不動(dòng)的參考點(diǎn)。在這種情況下，我們必須用另一種測(cè)量方式的測(cè)振儀進(jìn)行測(cè)量，即利用慣性式測(cè)振儀。
2、慣性式機(jī)械接收原理
慣性式機(jī)械測(cè)振儀測(cè)振時(shí)，是將測(cè)振儀直接固定在被測(cè)振動(dòng)物體的測(cè)點(diǎn)上，當(dāng)傳感器外殼隨被測(cè)振動(dòng)物體運(yùn)動(dòng)時(shí)，由彈性支承的慣性質(zhì)量塊將與外殼發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，則裝在質(zhì)量塊上的記錄筆就可記錄下質(zhì)量元件與外殼的相對(duì)振動(dòng)位移幅值，然后利用慣性質(zhì)量塊與外殼的相對(duì)振動(dòng)位移的關(guān)系式，即可求出被測(cè)物體的絕對(duì)振動(dòng)位移波形。
一般來(lái)說(shuō)，IFM振動(dòng)傳感器在機(jī)械接收原理方面，只有相對(duì)式、慣性式兩種，但在機(jī)電變換方面，由于變換方法和性質(zhì)不同，其種類(lèi)繁多，應(yīng)用范圍也極其廣泛。
在現(xiàn)代振動(dòng)測(cè)量中所用的傳感器，已不是傳統(tǒng)概念上獨(dú)立的機(jī)械測(cè)量裝置，它僅是整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)中的一個(gè)環(huán)節(jié)，且與后續(xù)的電子線路緊密相關(guān)。
由于傳感器內(nèi)部機(jī)電變換原理的不同，輸出的電量也各不相同。有的是將機(jī)械量的變化變換為電動(dòng)勢(shì)、電荷的變化，有的是將機(jī)械振動(dòng)量的變化變換為電阻、電感等電參量的變化。一般說(shuō)來(lái)，這些電量并不能直接被后續(xù)的顯示、記錄、分析儀器所接受。因此針對(duì)不同機(jī)電變換原理的傳感器，必須附以專(zhuān)配的測(cè)量線路。測(cè)量線路的作用是將傳感器的輸出電量最后變?yōu)楹罄m(xù)顯示、分析儀器所能接受的一般電壓信號(hào)。因此，IFM振動(dòng)傳感器按其功能可有以下幾種分類(lèi)方法：
按機(jī)械接收原理分：相對(duì)式、慣性式；
按機(jī)電變換原理分：電動(dòng)式、壓電式、電渦流式、電感式、電容式、電阻式、光電式；
按所測(cè)機(jī)械量分：位移傳感器、速度傳感器、加速度傳感器、力傳感器、應(yīng)變傳感器、扭振傳感器、扭矩傳感器。
以上三種分類(lèi)法中的傳感器是相容的。
