無源伺服傳感器低頻振動測量中的噪聲及減小措施

摘 要：振動是工程技術(shù)和生產(chǎn)生活中常見的現(xiàn)象，現(xiàn)代工業(yè)對產(chǎn)品質(zhì)量有著越來越高的要求，對各種制造設(shè)備提出了低振級、低噪聲、高抗振能力的要求。隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用，現(xiàn)代振動測試技術(shù)已應(yīng)用到各種物理現(xiàn)象的檢測、分析、預(yù)報(bào)和控制中。

關(guān)鍵詞：低頻振動；無源伺服傳感器

振動是工程技術(shù)和生產(chǎn)生活中常見的現(xiàn)象。工程上可以利用振動來進(jìn)行破碎、夯實(shí)、輸送和加工等，振動也具有有害的一面；現(xiàn)代工業(yè)對產(chǎn)品質(zhì)量有著越來越高的要求，對各種制造設(shè)備提出了低振級、低噪聲、高抗振能力的要求。振動測量的基本過程為：通過傳感器把振動體的運(yùn)動轉(zhuǎn)換為電信號，這個電信號經(jīng)過信號處理器對其進(jìn)行放大、濾波、A/D轉(zhuǎn)換、線性補(bǔ)償?shù)雀鞣N處理后，送給顯示部件、分析儀或計(jì)算機(jī)，處理后便得到功率譜、結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)和頻率響應(yīng)函數(shù)等有用的結(jié)果。

常用測振傳感器有三種：壓電式加速度傳感器、光纖傳感器和磁電式振動傳感器，在低頻振動測量中，由于壓電式傳感器和光纖傳感器的處理電路比較復(fù)雜，輸出信號非常微弱且噪聲大，信號提取困難等原因，工程上多采用磁電式傳感器。

一、無源伺服傳感器的結(jié)構(gòu)

無源伺服傳感器是在磁電式傳感器的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)上增加了無源反饋網(wǎng)絡(luò)，其結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示：

圖中m為慣性質(zhì)量塊，作為擺體運(yùn)動部分；k為彈性支承元件；c為空氣阻尼部分，sN構(gòu)成磁路系統(tǒng)；擺體上繞有兩個線圈，一個為主線圈，一個為標(biāo)定線圈。測量時，傳感器剛性安裝在被測物體上，被測物體振動傳感器一起振動，傳感器內(nèi)部的擺體也隨著運(yùn)動，繞在擺體上的線圈切割磁力線產(chǎn)生感生電動勢，該感生電動勢與被測物的振動有確定的函數(shù)關(guān)系。無源伺服傳感器的擺體形式和控制方式按照特定控制，可選擇換能方式為速度換能、位移換能和加速度換能，例如北京科尚的KSI-151無源伺服低頻振動傳感器就具有四種檔位可選：1個加速度檔和3個速度檔，使用方便無需供電，無需調(diào)零，且采用全隔離絕緣密封、內(nèi)部雙層電磁屏蔽、具有高抗干擾性。無源伺服傳感器頻率響應(yīng)范圍寬，閥值小，可測量微小的振動，輸出阻抗較低，對傳輸設(shè)備無特殊要求可適應(yīng)各種振動量測試領(lǐng)域。

無源伺服振動傳感器屬于低阻抗電壓輸出型傳感器，在低頻振動測量中輸出信號小，要求傳感器的固有頻率小，才具備符合要求的靈敏度，否則信號將淹沒在噪聲中；無源伺服振動傳感器采用無源反饋網(wǎng)絡(luò)，避免了有源校正引入電子噪聲的情況，可寫出傳感器的數(shù)學(xué)模型為：

式中，m為擺體質(zhì)量；k為彈性元件彈性系數(shù)；b為機(jī)械阻尼系數(shù)；G為動圈的機(jī)電耦合系數(shù)；X為被測振動的運(yùn)動位移；u為傳感器的輸出電壓；Rs為主線圈內(nèi)阻；M為等效質(zhì)量；B為等效阻尼；K為等效剛度。可以看出系統(tǒng)為三階系統(tǒng)，物理意義不明顯，若傳感器內(nèi)作為信號源的主線圈內(nèi)阻Rs為零，上式第二級系統(tǒng)就不復(fù)存在，所以主線圈內(nèi)阻這個不理想因數(shù)的存在，勢必影響傳感器的頻率響應(yīng)特性。另外傳感器剛性安裝，基座的電磁絕緣性能不理想，會帶來對地回路引起噪聲，傳感器與被測物體都要具備良好的應(yīng)變特性，可減小其接觸面積降低應(yīng)變對測量帶來的影響。

二、低頻振動測量中的噪聲與減小措施

無源伺服振動傳感器可直接輸出感生電動勢，這個感生電動勢正比于振動速度，如果要進(jìn)一步獲得振動位移和振動加速度，需分別接入積分電路和微分電路，將速度信號轉(zhuǎn)換成與位移和加速度有關(guān)的電信號輸出。

為了減小噪聲，提高傳感器低頻響應(yīng)，在傳感器的輸出端并聯(lián)一較大的補(bǔ)償電容，電容為儲能元件，效果相當(dāng)于把機(jī)械振動系統(tǒng)中的振動質(zhì)量增大，降低其固有頻率，雖然使得傳感器的輸出特性曲線在低頻段趨于平坦，卻降低了傳感器的靈敏度，而且大的電容，也使得其輸出在不同的溫度下性能不穩(wěn)定；在電路中，為了滿足靈敏度和低頻響應(yīng)的要求，往往設(shè)有放大器，選擇的運(yùn)放增益不宜過大，否則系統(tǒng)容易出現(xiàn)過沖現(xiàn)象，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性和截止頻率；實(shí)際被測物體振動并不是都是周期性正弦規(guī)律的振動，要準(zhǔn)確測出，希望測量電路能對振動的所有頻率分量都有相同的反應(yīng)能力，為了擴(kuò)展電路特別是放大電路的低頻范圍，還可以在電路中增加反饋補(bǔ)償環(huán)節(jié)，適當(dāng)選擇反饋形式和補(bǔ)償環(huán)節(jié)的參數(shù)，可使系統(tǒng)達(dá)到給定的性能指標(biāo)；在振動測量現(xiàn)場，環(huán)境是復(fù)雜的，溫度、電磁干擾的存在可使得測量系統(tǒng)的輸出產(chǎn)生嚴(yán)重的失真，數(shù)字式測量系統(tǒng)中也可用數(shù)字濾波器實(shí)現(xiàn)，數(shù)字濾波器參數(shù)設(shè)置十分靈活，易于在計(jì)算機(jī)中實(shí)現(xiàn)，但要注意將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字量時，動態(tài)范圍受A/D轉(zhuǎn)換器的限制，避免過于微弱的信號淹沒在量化誤差中。

參考文獻(xiàn)

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[2] 匙慶磊.無源伺服反饋多輸出低頻振動傳感器[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，20017，38（01）.

作者簡介：廖先碧（1972- ），四川遂寧人，講師，研究方向：檢測技術(shù)、物理教育。