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發(fā)展趨勢

1.引入新技術發(fā)展新功能 [1] 

隨著人們對自然認識的深化，會不斷發(fā)現(xiàn)一些新的物理效應、化學效應、生物效應等。利用這些新的效應可開發(fā)出相應的新型傳感器，從而為提高傳感器性能和拓展傳感器的應用范圍提供新的可能。圖爾克市場技術部產(chǎn)品經(jīng)理兼技術支持主管楊德友向記者表示，“目前傳感器界的大特點就是不斷引入新技術發(fā)展新功能。”如檢測金屬產(chǎn)品位置的電感式接近開關，它利用金屬物體接近能產(chǎn)生電磁場的振蕩感應頭時在被測金屬上形成的渦流效應來檢測金屬產(chǎn)品的位置。由于不同金屬渦流效應的效果不同，因此不同金屬的檢測距離是不一樣的，尤其是面對各類合金時，普通的電感式接近開關就顯得力不從心，這就要求生產(chǎn)廠商在提高產(chǎn)品功能上下功夫。由于電感式接近開關其內(nèi)部結(jié)構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計理念下發(fā)展，那么只能在技術上開發(fā)出可以替代鐵氧體線圈的產(chǎn)品來提高產(chǎn)品的性能。圖爾克公司的電感式接近開關就摒棄了鐵氧體磁芯，從而去掉了磁芯的限制。這樣在檢測不同金屬時可以通過電路調(diào)節(jié)提高產(chǎn)品的檢測距離，并且全金屬檢測距離無衰減，抗*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的重要基礎，隨著材料科學的進步，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圍環(huán)境的相對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，測定電容容量的變化，即可得出相對濕度。利用這個原理制成的等離子聚合法聚苯乙烯薄膜溫度傳感器，具有測濕范圍寬、溫度范圍寬、響應速度快、尺寸小、可用于小空間測濕、溫度系數(shù)小等特點。陶瓷電容式壓力傳感器是一種無中介液的干式壓力傳感器。采用*的陶瓷技術，厚膜電子技術，其技術性能穩(wěn)定，年漂移量的滿量程誤差不超過0.1%，溫漂小，抗過載更可達量程的數(shù)百倍。

光導纖維的應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：靈敏度高、結(jié)構簡單、體積小、耐腐蝕、電絕緣性好、光路可彎曲、便于實現(xiàn)遙測等。而光纖傳感器與集成光路技術的結(jié)合，加速了光纖傳感器技術的發(fā)展。將集成光路器件代替原有光學元件和無源光器件，光纖傳感器又具有了高帶寬、低信號處理電壓、可靠性高、成本低等特點。

測試方法

在工程振動測試領域中，測試手段與方法多種多樣，但是按各種參數(shù)的測量方法及測量過程的物理性質(zhì)來分，可以分成三類。

機械式

將工程振動的參量轉(zhuǎn)換成機械信號，再經(jīng)機械系統(tǒng)放大后，進行測量、記錄，常用的儀器有杠桿式測振儀和蓋格爾測振儀，它能測量的頻率較低，精度也較差。但在現(xiàn)場測試時較為簡單方便。

光學式

將工程振動的參量轉(zhuǎn)換為光學信號，經(jīng)光學系統(tǒng)放大后顯示和記錄。如讀數(shù)顯微鏡和激光測振儀等。

電測

振動傳感器 [2]

將工程振動的參量轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)電子線路放大后顯示和記錄。電測法的要點在于先將機械振動量轉(zhuǎn)換為電量（電動勢、電荷、及其它電量），然后再對電量進行測量，從而得到所要測量的機械量。這是目前應用得較廣泛的測量方法。

上述三種測量方法的物理性質(zhì)雖然各不相同，但是，組成的測量系統(tǒng)基本相同，它們都包含拾振、測量放大線路和顯示記錄三個環(huán)節(jié)。

1、拾振環(huán)節(jié)。把被測的機械振動量轉(zhuǎn)換為機械的、光學的或電的信號，完成這項轉(zhuǎn)換工作的器件叫傳感器。

2、測量線路。測量線路的種類甚多，它們都是針對各種傳感器的變換原理而設計的。比如，專配壓電式傳感器的測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、信號分析及顯示、記錄環(huán)節(jié)。從測量線路輸出的電壓信號，可按測量的要求輸入給信號分析儀或輸送給顯示儀器（如電子電壓表、示波器、相位計等）、記錄設備（如光線示波器、磁帶記錄儀、X—Y 記錄儀等）等。也可在必要時記錄在磁帶上，然后再輸入到信號分析儀進行各種分析處理，從而得到終結(jié)果。

接收原理

振動傳感器在測試技術中是關鍵部件之一，它的作用主要

振動傳感器 原理

是將機械量接收下來，并轉(zhuǎn)換為與之成比例的電量。由于它也是一種機電轉(zhuǎn)換裝置。所以我們有時也稱它為換能器、拾振器等。

振動傳感器并不是直接將原始要測的機械量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏?，而是將原始要測的機械量做為振動傳感器的輸入量，然后由機械接收部分加以接收，形成另一個適合于變換的機械量，后由機電變換部分再將變換為電量。因此一個傳感器的工作性能是由機械接收部分和機電變換部分的工作性能來決定的。

1、相對式機械接收原理

由于機械運動是物質(zhì)運動的較簡單的形式，因此人們想到的是用機械方法測量振動，從而制造出了機械式測振儀（如蓋格爾測振儀等）。傳感器的機械接收原理就是建立在此基礎上的。相對式測振儀的工作接收原理是在測量時，把儀器固定在不動的支架上，使觸桿與被測物體的振動方向*，并借彈簧的彈性力與被測物體表面相接觸，當物體振動時，觸桿就跟隨它一起運動，并推動記錄筆桿在移動的紙帶上描繪出振動物體的位移隨時間的變化曲線，根據(jù)這個記錄曲線可以計算出位移的大小及頻率等參數(shù)。

由此可知，相對式機械接收部分所測得的結(jié)果是被測物體相對于參考體的相對振動，只有當參考體不動時，才能測得被測物體的振動。這樣，就發(fā)生一個問題，當需要測的是振動，但又找不到不動的參考點時，這類儀器就無用武之地。例如：在行駛的內(nèi)燃機車上測試內(nèi)燃機車的振動，在地震時測量地面及樓房的振動……，都不存在一個不動的參考點。在這種情況下，我們必須用另一種測量方式的測振儀進行測量，即利用慣性式測振儀。

2、慣性式機械接收原理

慣性式機械測振儀測振時，是將測振儀直接固定在被測振動物體的測點上，當傳感器外殼隨被測振動物體運動時，由彈性支承的慣性質(zhì)量塊將與外殼發(fā)生相對運動，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振動位移幅值，然后利用慣性質(zhì)量塊與外殼的相對振動位移的關系式，即可求出被測物體的振動位移波形。

機電變換

一般來說，振動傳感器在機械接收原理方面，只有相對式、慣性式兩種，但在機電變換方面，由于變換方法和性質(zhì)不同，其種類繁多，應用范圍也極其廣泛。

在現(xiàn)代振動測量中所用的傳感器，已不是傳統(tǒng)概念上獨立的機械測量裝置，它僅是整個測量系統(tǒng)中的一個環(huán)節(jié)，且與后續(xù)的電子線路緊密相關。

由于傳感器內(nèi)部機電變換原理的不同，輸出的電量也各不相同。有的是將機械量的變化變換為電動勢、電荷的變化，有的是將機械振動量的變化變換為電阻、電感等電參量的變化。一般說來，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。因此針對不同機電變換原理的傳感器，必須附以專配的測量線路。測量線路的作用是將傳感器的輸出電量后變?yōu)楹罄m(xù)顯示、分析儀器所能接受的一般電壓信號。因此，振動傳感器按其功能可有以下幾種分類方法：

按機械接收原理分：相對式、慣性式；

按機電變換原理分：電動式、壓電式、電渦流式、電感式、電容式、電阻式、光電式；

按所測機械量分：位移傳感器、速度傳感器、加速度傳感器、力傳感器、應變傳感器、扭振傳感器、扭矩傳感器。

以上三種分類法中的傳感器是相容的。

分類

相對式

電動式傳感器基于電磁感應原理，即當運動的導體在固定的磁場里切割磁力線時，導體兩端就感生出電動勢，因此利用這一原理而生產(chǎn)的傳感器稱為電動式傳感器。

相對式電動傳感器從機械接收原理來說，是一個位移傳感器，由于在機電變換原理中應用的是電磁感應定律，其產(chǎn)生的電動勢同被測振動速度成正比，所以它實際上是一個速度傳感器。

電渦流式

電渦流傳感器是一種相對式非接觸式傳感器，它是通過傳感器端部與被測物體之間的距離變化來測量物體的振動位移或幅值的。電渦流傳感器具有頻率范圍寬（0～10 kHZ），線性工作范圍大、靈敏度高以及非接觸式測量等優(yōu)點，主要應用于靜位移的測量、振動位移的測量、旋轉(zhuǎn)機械中監(jiān)測轉(zhuǎn)軸的振動測量。

電感式

依據(jù)傳感器的相對式機械接收原理，電感式傳感器能把被測的機械振動參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換成為電參量信號的變化。因此，電感傳感器有二種形式，一是可變間隙，二是可變導磁面積。

電容式

電容式傳感器一般分為兩種類型。即可變間隙式和可變公共面積式?？勺冮g隙式可以測量直線振動的位移?？勺兠娣e式可以測量扭轉(zhuǎn)振動的角位移。

慣性式

慣性式電動傳感器由固定部分、可動部分以及支承彈簧部分所組成。為了使傳感器工作在位移傳感器狀態(tài)，其可動部分的質(zhì)量應該足夠的大，而支承彈簧的剛度應該足夠的小，也就是讓傳感器具有足夠低的固有頻率。

根據(jù)電磁感應定律，感應電動勢為：u=Blx&r

式中B為磁通密度，l為線圈在磁場內(nèi)的有效長度， r x&為線圈在磁場中的相對速度。

從傳感器的結(jié)構上來說，慣性式電動傳感器是一個位移傳感器。然而由于其輸出的電信號是由電磁感應產(chǎn)生，根據(jù)電磁感應電律，當線圈在磁場中作相對運動時，所感生的電動勢與線圈切割磁力線的速度成正比。因此就傳感器的輸出信號來說，感應電動勢是同被測振動速度成正比的，所以它實際上是一個速度傳感器。

壓電式

壓電式加速度傳感器的機械接收部分是慣性式加速度機械接收原理，機電部分利用的是壓電晶體的正壓電效應。其原理是某些晶體（如人工極化陶瓷、壓電石英晶體等，不同的壓電材料具有不同的壓電系數(shù)，一般都可以在壓電材料性能表中查到。）在一定方向的外力作用下或承受變形時，它的晶體面或極化面上將有電荷產(chǎn)生，這種從機械能（力，變形）到電能（電荷，電場）的變換稱為正壓電效應。而從電能（電場，電壓）到機械能（變形，力）的變換稱為逆壓電效應。

因此利用晶體的壓電效應，可以制成測力傳感器，在振動測量中，由于壓電晶體所受的力是慣性質(zhì)量塊的牽連慣性力，所產(chǎn)生的電荷數(shù)與加速度大小成正比，所以壓電式傳感器是加速度傳感器。

壓電式力

在振動試驗中，除了測量振動，還經(jīng)常需要測量對試件施加的動態(tài)激振力。壓電式力傳感器具有頻率范圍寬、動態(tài)范圍大、體積小和重量輕等優(yōu)點，因而獲得廣泛應用。壓電式力傳感器的工作原理是利用壓電晶體的壓電效應，即壓電式力傳感器的輸出電荷信號與外力成正比。

阻抗頭

阻抗頭是一種綜合性傳感器。它集壓電式力傳感器和壓電式加速度傳感器于一體，其作用是在力傳遞點測量激振力的同時測量該點的運動響應。因此阻抗頭由兩部分組成，一部分是力傳感器，另一部分是加速度傳感器，它的優(yōu)點是，保證測量點的響應就是激振點的響應。使用時將小頭（測力端）連向結(jié)構，大頭（測量加速度）與激振器的施力桿相連。從“力信號輸出端”測量激振力的信號，從“加速度信號輸出端”測量加速度的響應信號。

注意，阻抗頭一般只能承受輕載荷，因而只可以用于輕型的結(jié)構、機械部件以及材料試樣的測量。無論是力傳感器還是阻抗頭，其信號轉(zhuǎn)換元件都是壓電晶體，因而其測量線路均應是電壓放大器或電荷放大器。

電阻應變式

電阻式應變式傳感器是將被測的機械振動量轉(zhuǎn)換成傳感元件電阻的變化量。實現(xiàn)這種機電轉(zhuǎn)換的傳感元件有多種形式，其中較常見的是電阻應變式的傳感器。

電阻應變片的工作原理為：應變片粘貼在某試件上時，試件受力變形，應變片原長變化，從而應變片阻值變化，實驗證明，在試件的彈性變化范圍內(nèi)，應變片電阻的相對變化和其長度的相對變化成正比。

激光

激光傳感器利用激光技術進行測量的傳感器。它由激光器、激光檢測器和測量電路組成。激光傳感器是新型測量儀表，它的優(yōu)點是能實現(xiàn)無接觸遠距離測量，速度快，精度高，量程大，抗光、電*力強等，極適合于工業(yè)和實驗室的非接觸測量應用。