比。使用电压放大器时，放大器的输入电压1u=Roi%0(2.11)sin(t+)CCR.由于电容C包括了C.、C和C.其中电缆对地电容C.比C.和C.都大，故整个测量系统对电缆对地电容C。的变化非常敏感。连接电缆的长度和形态的变化，都会导致传感器输出电压的变化，从而使仪MtFC.ity器的灵敏度也发生变化。O电荷放大器是一个高增益带电容反馈传感器电缆A运算放大器1的运算放大器。当略去传感器漏电阻及电荷放大器输入电阻时，它的等效电路如图图2.11电荷放大器的等效电路2.11所示。如忽略漏电阻，则有qu(Ca+C+C)+(ui-u)C=u.C+ (ui一uy) Ce式中u,-—放大器输入端电压；uy-放大器输出端电压；u，一一Au，A为电荷放大器开环增益：C.—电荷放大器反馈电容。故得-Aq(2.12)u,=（C+C)+AC,如果放大器开环增益足够大，则AC》（C十C），上式可简化为ux-%(2. 13)式（2.13）表明，在一定条件下，电荷放大器的输出电压与传感器的电荷量成正比，并且与电缆对地电容无关。因此，采用电荷放大器时，即使连接电缆长达百米以上，其灵敏度也无明显变化，这是电荷放大器突出的优点。但与电压放大器比较，其电路复杂，价格较高。3.4.3压电式加速度计的结构和安装常用的压电式加速度计的结构形式如图2.12所示。S是弹簧，M是质块，B是基座，P是压电元件，R是夹持环。图2.12a是中央安装压缩型，压电元件一质量块一弹簧系统装在圆形中心支柱上，支柱与基座连接。这种结构有高的共振额率。然而基座B与测试对象连接时，如果基座B有变形，则将直接影响拾振器输出。此外，测试对象和环境温度变化将影响压电片，并使预紧力发生变化，易引起温度漂移。图2.12c为三角剪切形，压电片由夹持环将其夹牢在三角形中心柱上。加速度计感受轴向振动时，压电片承受切应力。这种结构对底座变形和温度变化有极好的隔离作用，有较高的共振频率和良好的线性。图2.12b为环形剪切型，结构简单，能做成极小型、高共振频率的加速度计，环形质量块粘到装在中心支柱上的环形压电元件上。由于粘结剂会随温度增高而变软，因此最高工作温度受到限制。加速度计的使用20
上限频率取决于幅频曲线中的共振频率图2.2。一般小阻尼（≤0.1）的加速度计，上限频率若取为共振频率的1/3，便可保证幅值误差低于1dB（即12%）；若取为共振频率的1/5，则可保证幅值误差小于0.5dB（即6%），相移小于3°。b)c)图2.12压电式加速度计a）中心安装压缩型b）环形剪切型c）三角剪切型但共振频率与加速度计的固定状况有关，加速度计出厂时给出的幅频曲线是在刚性连接的固定情况下得到的。实际使用的定方法往往难于达到刚性连接，因而共振频率和使用上限频率都会有所下降。加速度计与试件的各种固定方法见图2.13。其中图2.13a采用钢螺栓固定，是使共振频率能达到出厂共振频率的最好方法。螺栓不得全部拧入基座螺孔，以免引起基座变形，影响加速度计的输出。在安装面上涂一层硅脂可增加不平整安装表面的连接可靠性。需要绝缘时可用绝缘螺栓和云母垫片来固定加速度计（图2.13b），但垫圈应尽量薄。用二层薄蜡把加速度计粘在试件平整表面上（图2.13c），也可用于低温（40℃C以下）的场合。手持探针测振方法.（图2.13d）在多点测试时使用特别方便，但测量误差较大，重复性差，使用上限频率一般不高于1000Hz。用专用永久磁铁固定加速度计（图2.13e）使用方便，多在低频测量中使用。此法也可使加速度计与试件绝缘。用硬性粘接螺栓（图2.13f）或粘接剂（图2.13g）的固定方法也常使用。某种典型的加速度计采用上述各种固定方法的共振频率分别约为：钢螺栓固定法31kHz，云母垫片28kHz，涂薄蜡层29kHz，手持法2kHz，永久磁铁固定法.7kHz。3.4.4压电式加速度计的灵敏度压电式加速度计属发电型传感器，可把它看成电压源或电荷源，故灵敏度有电压灵敏度和电荷灵敏度两种表示方法。前者是加速度计输出电压（mV）与所承受加速度之比，后者是加速度计输出电荷与所承受加速度之比。加速度单位为m/s，但在振动测量中往往用标准重力加速度g作单位，1g9.80665m/s；这是种已为大家所接受的表示方式；几乎所有测振仪器都用g作为加速度单位并在仪器的板面上和说明书中标出。对给定的压电材料而言，灵敏度随质量块的增大或压电片的增多而增强。一般来说，加速度计尺寸越大，其固有频率越低。因此选用加速度计时应当权衡灵敏度和结构尺寸、附加质量的影响和频率响应特性之间的利弊。21
1薄婚层云母垫圈绝缘蝶栓钢螺栓c)b)探纤粘接剂粘接螺栓粘接剂ng)e)d)图2.13加速度计的固定方法压电晶体加速度计的横向灵敏度表示它对横向（垂直于加速度计轴线）振动的敏感程度，横向灵敏度常以主灵敏度（即加速度计的电压灵敏度或电荷灵敏度）的百分比表示。一般在壳体上用小红点标出最小横向灵敏度方向。一个优良的加速度计的横向灵敏度应小于主灵敏度的3%。3.4.5压电式加速度计的前置放大器压电片受力后产生的电荷量极其微弱，这电荷使压电片边界和接在边界上的导体充电到电压U一g/C。（这里C。是加速度计的内电容）。要测定这样微弱的电荷（或电压）的关键是防止导线，测量电路和加速度计本身的电荷泄漏。换句话讲，压电加速度计所用的前置放大器应具有极高的输入阻抗，把泄漏减少到测量准确度所要求的限度以内。压电式传感器的前置放大器有：电压放大器和电荷放大器。所用电压放大器就是高输入阻抗的比例放大器。其电路比较简单，但输出受连接电缆对地电容的影响，适用于一般振动测量。电荷放大器以电容作负反馈，使用中基本不受电缆电容的影响。在电荷放大器中，通常用高质量的元、器件，输入阻抗也更高，但价格也比较昂贵。从压电式传感器的力学模型看，它具有“低通”特性，原可测量极低频的振动。但实际上由于低频尤其小振幅振动时，加速度值小，传感器的灵敏度有限，因此输出的信号将很微弱，信噪比很差；另外电荷的泄漏、积分电路的漂移（用于测振动速度和位移）、器件的噪声22
都是不可避免的，所以实际低频端也出现约为0.1～1Hz左右的“截止频率”。若配用好的电荷放大器，则可降到0.1mHz。3.5测振传感器的合理选择测振传感器的选择应注意下列儿个问题。3.5.1直接测量参数的选择作为拾振器的被测量是位移、速度或加速度。它们是の的等比数列，能通过微积分电路来实现它们之间的换算。考虑到低频时加速度的幅值有可小到与测量噪声相当的程度，因此如用加速度计测量低频振动的位移，会因低信噪比使测量不稳定和增大测量误差，不如直接用位移拾振器更合理。用位移拾振器测高频位移有类似的情况发生。对于微积分放大器，因它的输入饱和量是随频率变化的，带有二次积分网络的电荷放大器，其加速度、速度、位移的可测量程和频率范围随积分次数的增加而减小，使用中要充分注意这一点。传感器选择时还应力图使最重要的参数能以最直接、最合理的方式测得。例如考察惯性力可能导致的破坏或故障时，宜作加速度测量；考察振动环境（振动烈度以振动速度的均方值来描述）时，宜作振动速度的测量：要监测机件的位置变化时，宜选用电涡流或电容传感器作位移的测量。选择时还需要注意能在实际机器设备安装的可行性。3.5.2传感器的频率范围、量程、灵敏度等指标各种拾振传感器都受其结构的限制而有其自身适用的范围，在前面已作过详细论述。对于惯性式拾振器，一般质量大的拾振器上限频率低、灵敏度高，质量轻的拾振器上限频率高、灵敏度低。以压电加速度计为例，作超低振级测量的都是质量超过100g灵敏度很高的加速度计，作高振级（如冲击）测量的都是小到几克或零点几克的加速度计。3.5.3使用的环境要求、价格、寿命、可靠性、维修、校准等例如激光测振尽管有很高的分辨力和测量精确度，由于对环境（隔振）要求极严，设备又极昂贵，它只适用于实验室作精密测量或校准。电涡流和电容传感器均属非接触式，但前者对环境要求低而被广泛应用于工业现场对机器振动的测量中。如大型汽轮发电机组、压缩机组振动监测中用的拾振器要能在高温、油污、蒸汽介质的环境下长期可靠地工作，常选用电涡流传感器。对相位有严格要求的振动测试项目（如作虚实频谱，幅相图、振型等测量），除了应注意拾振器的相频特性外，还要注意放大器，特别是带微积分网络放大器的相频特性和测试系统中所有其它仪器的相频特性，因为测得的激励和响应之间的相位差包括了测试系统中所有仪器的相移。4计算机辅助信号采集系统的主要功能4.1一般概念实际工程系统中的信号采集不只是传感器问题，它是一个完整的系统，可以设计成一台仪器，市场上已有这种产品出售。图2.14所示为某化工企业透平压缩机组研制的工况监视与故障诊断系统信号采集装置的示意图，其中主要包括振动（位移、加速度）信号采集，温度、23
压力等非振动信号采集以及开关量采集等模块。此处主要以振动信号为例说明各个模块的功能。由传感器检测到的各种待征信号（振动、温度、压力等）均为模拟信号，模拟信号经放大后，可以采用如下方法进行处理：1）用磁带记录仪进行现场记录，再回放至信号分析仪处理或经A/D转换后由计算机处理：2）直接送信号分析仪进行处理，还可将处理结果通过接口送计算机作一次处理；3）通过二次仪表显示并记录：4）接通过A/D采样，将所得的数字信号传送到计算机进行在线分析和处理。工业控制计算机PC总线多通道同步采样控制采集AD卡非振动信号开关量转速测量t采集模块采集模块AC/DC选择湿度、压力等非摄动开关量输入信号输人骨AC/DC分离报↑动信通道选择号采乐T横拟信号满商模块报动信号输人图2.14透平压缩机组信号采集装置示意图考虑到故障诊断技术自身的特点，本节主要是根据上述第4）种方式的要求，并重点介绍振动信号采集方面的问题。该系统共有三个模块：振动信号采集模块、非振动信号（工艺参数信息）采集模块和开关量信息采集模块。三个模块设计的方法和步骤基本相同，其中振动信号采集模块比较完整，以下便以振动信号采集模块为例来分析它的基本功能。4.2信号调理在将由传感器检测到的振动模拟信号送A/D转换器之前，必须对信号进行适当的调理，以便满足A/D转换的要求。一般说来，信号调理包含以下几方面的内容。4.2.1交、直流分离24