压电式振动传感器在工业设备监控和实验室测量应用领域中非常常见,本质上来说,振动传感器是一种把物体振动的机械能转化为电信号的一个装置,通过电信号采集单元读取电信号来反映物体的振动量级大小,其核心元器件为压电陶瓷,石英等材料,具有压电效应,植入到振动传感器内部。
一、什么是压电效应?
压电效应是由法国物理学家皮埃尔. 居里和他哥哥雅克. 居里在1880年共同发现,当时他们正在研究热电现象和晶体对称性课题时,对石英晶体进行了一系列的试验,发现当对石英晶体施加机械压力时,石英表面会产生电荷,当撤掉压力时,会产生极性相反的电荷,电荷的大小与所施加的力成正比关系,这就是压电效应的现象,后来兄弟俩将这个现象命名为“Piezo electricity”,在后来的第二年,即1881年,他们兄弟俩又发现了逆压电效应,即电能转化为机械能,对石英通电施加电场后,石英会产生机械形变。
基于压电效应,振动传感器被研发出来,用来探测感知物体的振动;基于逆压电效应,比如一些产品 石英振荡器,高频激振器,超声波发生器都是高频的各种产品应用。
二、振动传感器的结构和原理
上图为振动传感器的实物图,按应用场合分为:工业振动传感器和试验室振动传感器,由上图可知工业振动传感器的个头体积一般大于试验室振动传感器,因工厂环境比试验室更恶劣,而试验室测量振动数据精度要比工厂环境更高,造就了它们不同的外观工业设计。
由上图可知:振动传感器主要由1.接线芯,2.接头螺纹,3.法拉第屏蔽壳,4芯片,5.安装基座,6.支撑柱,7.压电陶瓷,8.质量块组成,各部分功能如下:
1. 接线芯----用来连接导线,传输芯片放大后振动电压信号
2.接头螺纹----用来固定连接信号线缆接头
3.法拉第屏蔽壳----在振动传感器的内部有一层法拉第屏蔽壳体,焊在基座上,包住了芯片,质量块,压电陶瓷,支撑柱,它可以防止振动传感器收到RFI射频干扰和EMI电磁干扰的影响,提升信噪比。
4.芯片----用来接收压电陶瓷传递过来的电荷,并将这些电荷转换成电压信号,具有滤波和放大的功能
5安装基座---一般为316不锈钢材质,带有螺纹盲孔,用来固定安装振动传感器
6支撑柱---和安装基座固定一体,柱子和压电陶瓷内圈连接,用来传递振动能量
7.压电陶瓷---具有压电效应的材料,用来将振动机械能转化为电荷
8.质量块--和压电陶瓷外圈固定,具有惯性,在物体振动过程中,质量块和支撑柱使压电陶瓷受到剪切力,扮演了压电效应中的压力作用,质量块为无磁不锈钢材质,最大可能的减小磁干扰,防止错误振动。
由上得知,我司的振动传感器为剪切式压电振动传感器,相比于挤压式振动传感器,该设计的好处就是对支撑柱和安装基座的应变和温度变化不敏感,减少噪音。
挤压式振动传感器的质量块和压电陶瓷通过一根螺纹结构挤压在安装基座上来实现的,
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三、振动传感器的应用
1. 工业振动传感器应用于工业关键设备状态监测,实现预测性运维。对轴承,轴,风扇,泵,电机的振动数据读取,判断这些部件是否存在问题,在异常的前期阶段识别问题,从而提前维护,达到减少停机的目的。
2. 模态测试,试验室振动传感器用来识别物体结构的模态特征,包括频率,振型,阻尼比。和激振设备结合应用,在被测结构被激励的过程中,采集振动信号,以激励力信号为参考,建立结构中各点的振动信号和参考信号之间的传递关系,构建多个传递函数,运用数学方法建立各个频率下刚度,阻尼矩阵,得到响应的振型,研究判断结构设计的合理性
3.冲击测量,高动态范围应用,运用于汽车碰撞,弹药爆炸等冲击类型号的拾取,时间非常短,对振动传感器的响应要求高