原创《无源伺服传感器低频振动测量中的噪声与减小措施》
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摘 要：振动是工程技术和生产生活中常见的现象,现代工业对产品质量有着越来越高的要求,对各种制造设备提出了低振级、低噪声、高抗振能力的要求.随着电子技术和计算机技术的应用,现代振动测试技术已应用到各种物理现象的检测、分析、预报和控制中.
关键词：低频振动；无源伺服传感器
振动是工程技术和生产生活中常见的现象.工程上可以利用振动来进行破碎、夯实、输送和加工等,振动也具有有害的一面；现代工业对产品质量有着越来越高的要求,对各种制造设备提出了低振级、低噪声、高抗振能力的要求.振动测量的基本过程为：通过传感器把振动体的运动转换为电信号,这个电信号经过信号处理器对其进行放大、滤波、A/D转换、线性补偿等各种处理后,送给显示部件、分析仪或计算机,处理后便得到功率谱、结构模态参数和频率响应函数等有用的结果.
常用测振传感器有三种：压电式加速度传感器、光纤传感器和磁电式振动传感器,在低频振动测量中,由于压电式传感器和光纤传感器的处理电路比较复杂,输出信号非常微弱且噪声大,信号提取困难等原因,工程上多采用磁电式传感器.
一、无源伺服传感器的结构
无源伺服传感器是在磁电式传感器的基础结构上增加了无源反馈网络,其结构原理图如图１所示：
图中ｍ为惯性质量块,作为摆体运动部分；ｋ为弹性支承元件；ｃ为空气阻尼部分,ｓＮ构成磁路系统；摆体上绕有两个线圈,一个为主线圈,一个为标定线圈.测量时,传感器刚性安装在被测物体上,被测物体振动传感器一起振动,传感器内部的摆体也随着运动,绕在摆体上的线圈切割磁力线产生感生电动势,该感生电动势与被测物的振动有确定的函数关系.无源伺服传感器的摆体形式和控制方式按照特定控制,可选择换能方式为速度换能、位移换能和加速度换能,例如北京科尚的KSI-151无源伺服低频振动传感器就具有四种档位可选：1个加速度档和3个速度档,使用方便无需供电,无需调零,且采用全隔离绝缘密封、内部双层电磁屏蔽、具有高抗干扰性.无源伺服传感器频率响应范围宽,阀值小,可测量微小的振动,输出阻抗较低,对传输设备无特殊要求可适应各种振动量测试领域.
无源伺服振动传感器属于低阻抗电压输出型传感器,在低频振动测量中输出信号小,要求传感器的固有频率小,才具备符合要求的灵敏度,否则信号将淹没在噪声中；无源伺服振动传感器采用无源反馈网络,避免了有源校正引入电子噪声的情况,可写出传感器的数学模型为：
式中,ｍ为摆体质量；k为弹性元件弹性系数；b为机械阻尼系数；G为动圈的机电耦合系数；X为被测振动的运动位移；u为传感器的输出电压；Rs为主线圈内阻；M为等效质量；B为等效阻尼；K为等效刚度.可以看出系统为三阶系统,物理意义不明显,若传感器内作为信号源的主线圈内阻Rs为零,上式第二级系统就不复存在,所以主线圈内阻这个不理想因数的存在,势必影响传感器的频率响应特性.另外传感器刚性安装,基座的电磁绝缘性能不理想,会带来对地回路引起噪声,传感器与被测物体都要具备良好的应变特性,可减小其接触面积降低应变对测量带来的影响.
二、低频振动测量中的噪声与减小措施
无源伺服振动传感器可直接输出感生电动势,这个感生电动势正比于振动速度,如果要进一步获得振动位移和振动加速度,需分别接入积分电路和微分电路,将速度信号转换成与位移和加速度有关的电信号输出.
为了减小噪声,提高传感器低频响应,在传感器的输出端并联一较大的补偿电容,电容为储能元件,效果相当于把机械振动系统中的振动质量增大,降低其固有频率,虽然使得传感器的输出特性曲线在低频段趋于平坦,却降低了传感器的灵敏度,而且大的电容,也使得其输出在不同的温度下性能不稳定；在电路中,为了满足灵敏度和低频响应的要求,往往设有放大器,选择的运放增益不宜过大,否则系统容易出现过冲现象,影响系统的稳定性和截止频率；实际被测物体振动并不是都是周期性正弦规律的振动,要准确测出,希望测量电路能对振动的所有频率分量都有相同的反应能力,为了扩展电路特别是放大电路的低频范围,还可以在电路中增加反馈补偿环节,适当选择反馈形式和补偿环节的参数,可使系统达到给定的性能指标；在振动测量现场,环境是复杂的,温度、电磁干扰的存在可使得测量系统的输出产生严重的失真,数字式测量系统中也可用数字滤波器实现,数字滤波器参数设置十分灵活,易于在计算机中实现,但要注意将模拟信号转换成数字量时,动态范围受A/D转换器的限制,避免过于微弱的信号淹没在量化误差中.
参考文献
[1]吴天行,华宏星.机械振动[M].清华大学出版社,2014.
[2]匙庆磊.无源伺服反馈多输出低频振动传感器[J].仪器仪表学报,20017,38(01).
作者简介：廖先碧（1972-）,四川遂宁人,讲师,研究方向：检测技术、物理教育.
振动测量论文参考资料：
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