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      講述德國IFM易福門振動傳感器機(jī)械振動量轉(zhuǎn)換為機(jī)械的、光學(xué)的或電的信號

在高度發(fā)展的現(xiàn)代工業(yè)中，現(xiàn)代測試技術(shù)向數(shù)字化、信息化方向發(fā)展已成必然發(fā)展趨勢，而測試系統(tǒng)的最前端是傳感器，它是整個測試系統(tǒng)的靈魂，被世界各國列為技術(shù)，特別是近幾年快速發(fā)展的IC技術(shù)和計算機(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] 

隨著人們對自然認(rèn)識的深化，會不斷發(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就是不斷引入新技術(shù)發(fā)展新功能?！比鐧z測金屬產(chǎn)品位置的電感式接近開關(guān)，它利用金屬物體接近能產(chǎn)生電磁場的振蕩感應(yīng)頭時在被測金屬上形成的渦流效應(yīng)來檢測金屬產(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(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)計理念下發(fā)展，那么只能在技術(shù)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(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(yīng)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。采用先進(jìn)的陶瓷技術(shù)，厚膜電子技術(shù)，其技術(shù)性能穩(wěn)定，年漂移量的滿量程誤差不超過0.1%，溫漂小，抗過載更可達(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：靈敏度高、結(jié)構(gòu)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(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。

在工程振動測試領(lǐng)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(jī)械式

將工程振動的參量轉(zhuǎn)換成機(jī)械信號，再經(jīng)機(jī)械系統(tǒng)放大后，進(jìn)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(xué)式

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

電測  

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(jī)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(jìn)行測量，從而得到所要測量的機(jī)械量。這是目前應(yīng)用得泛的測量方法。

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(jī)械振動量轉(zhuǎn)換為機(jī)械的、光學(xué)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(shè)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(shè)備（如光線示波器、磁帶記錄儀、X—Y 記錄儀等）等。也可在必要時記錄在磁帶上，然后再輸入到信號分析儀進(jìn)行各種分析處理，從而得到最終結(jié)果。

IFM振動傳感器在測試技術(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，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。所以我們有時也稱它為換能器、拾振器等。

IFM振動傳感器并不是直接將原始要測的機(jī)械量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏浚菍⒃家獪y的機(jī)械量做為IFM振動傳感器的輸入量，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決定的。

1、相對式機(jī)械接收原理

由于機(jī)械運動是物質(zhì)運動的的形式，因此人們最先想到的是用機(jī)械方法測量振動，從而制造出了機(jī)械式測振儀（如蓋格爾測振儀等）。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一致，并借彈簧的彈性力與被測物體表面相接觸，當(dāng)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(jī)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(dāng)參考體絕對不動時，才能測得被測物體的絕對振動。這樣，就發(fā)生一個問題，當(dāng)需要測的是絕對振動，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(jī)車上測試內(nèi)燃機(jī)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(jìn)行測量，即利用慣性式測振儀。

2、慣性式機(jī)械接收原理

慣性式機(jī)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(dāng)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(guān)系式，即可求出被測物體的絕對振動位移波形。

一般來說，IFM振動傳感器在機(jī)械接收原理方面，只有相對式、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，其種類繁多，應(yīng)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(jī)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(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勢、電荷的變化，有的是將機(jī)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(jī)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。因此，IFM振動傳感器按其功能可有以下幾種分類方法：

按機(jī)械接收原理分：相對式、慣性式；

按機(jī)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(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。

以上三種分類法中的傳感器是相容的。