CN112378512A - 一种多测点压电式振动传感器的检查及使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多测点压电式振动传感器的检查及使用方法。该方法的主要步骤包括：1、压电式振动传感器筛选；2、传感器灵敏度检查；3、传感器零位噪声检查；4、计算传感器安装力矩；5、传感器的安装和连线；6、压电式振动传感器工作，并判定传感器测量结果的有效性；该方法实现了测试前快速有效的对压电式振动传感器灵敏度进行检查，同时对于压电式振动传感器引线连接方式进行了有效的统筹，大大提升了测量结果可靠性和准确性。
Description
技术领域
本发明涉及一种压电式振动传感器使用方法，具体涉及一种多测点压电式振动传感器的检查及使用方法。
背景技术
压电式振动传感器的工作机理是基于介质材料(通常为石英晶片)的压电效应，所谓压电效应即就是某些电介质物质，在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，内部会产生极化现象，同时在表面上产生电荷。压电式振动传感器利用压电晶体的电荷输出与所受的力成正比，而所受的力在敏感质量一定的情况下与加速度值成正比。在一定条件下，压电晶体受力后产生的电荷量与所感受到的加速度值成正比，其压电晶体输出的电荷量满足如下方程式：
式中：Q――压电晶体输出的电荷；
dij――压电晶体的二阶压电张量(压电常数)；
m0――传感器的敏感质量；
Sq为传感器灵敏度。
每只压电式振动传感器中内装晶体元件的二阶压电张量是一定的，敏感质量m0是一个常量，所以上述公式说明压电式振动传感器产生的电荷量与振动加速度
成正比。这就是压电式振动传感器完成的机电转换的工作原理。压电式振动传感器结构简单、工作可靠，可以做到高灵敏度和高频率响应，其外壳与质量--弹簧系统不直接接触，可隔离一部分外界由于非振动因素造成的干扰，且输出信号传输距离远，在航空航天试验领域得到了广泛应用。
压电式振动传感器是获取被测机械部件部位振动数据的基础。但在强冲击、持续大振动、强腐蚀等恶劣环境因素的作用下，会对振动传感器自身性能(如灵敏度、连接可靠性)产生较大影响，进而导致无法对机械结构改进以及机械部件本身性能提供科学的监测数据，其影响效果主要表现在：
①灵敏度变化会影响传感器的测量精度，从而使得测量数据不准确；②连接可靠性变化主要影响两个方面：一是连接松动会导致诱发测量数据虚假或异常，二是会产生连接错误，使得测量的数据与实际被测部位不相符，所得数据无任何参考意义。
目前，针对上述灵敏度变化影响传感器的测量精度的问题，通常采用的方法为：先把压电式振动传感器送到相关计量部门进行计量(即就是传感器溯源)，获取准确的灵敏度，而后再把该传感器在试验现场进行安装。通常情况下试验使用的振动传感器根据相应的计量要求到达一定时间才去再次送计量部门校验，但在试验频繁的情况下，在这段时间内由于传感器经常受强冲击、持续大振动、强腐蚀环境的影响，传感器灵敏度是否发生变化，或变化多少都无从可知，而每次使用时仍按照第一次校验的灵敏度使用，这就会对校验精度和可靠性产生相当大的影响。
基于上述问题，现在采用比较法现场对压电式振动传感器进行校准，比较法的校准原理如图1所示，标准传感器与被校准传感器背对背刚性的安装到振动台上，使这两个传感器感受到同样的输入运动，则被校传感器与标准传感器输出之比乘以标准传感器的灵敏度，通过对比校验证书上的灵敏度值判断灵敏度变化情况。
虽然运用比较校准法实现了压电式振动传感器在进行试验前的现场校准，能够有效监测传感器灵敏度的变化情况，但是在航空和航天领域进行相关试验时，传感器数量较多的情况下，使用振动台进行传感器比较法校准，效率比较低，同时由于比较法校准所含设备较多，不便于移动且对校准环境要求也较高，在试验任务比较紧的条件下，限制了该种方法的有效使用。
针对连接可靠性的问题，通常对振动传感器进行安装时，在被测部件振动较大的情况下，均在被测部位上焊接测振块，而后把传感器通过安装螺杆固定在测振块相应的螺孔上(如图2所示)。由于在航空和航天领域进行相关试验时，为了更加清楚地摸清飞机或火箭机械部件的工作时其工作性能和边界条件，在进行振动参数测量时振动测点数一般较多(振动测点多达数百，甚至数千个)，这样在进行连接检查时一个个插拔检查，效率不但低，而且容易出现重复检查或漏检的问题。
并且在传感器信号敲击检查时，一般部位的测点上测振块上安装三个传感器分别用于检测常规频率的轴向振动，径向振动和切向振动，对于一些重要部位的测点需要安装多达五个传感器用于测试常规频率的轴向振动，径向振动和切向振动，以及低频的轴向振动和径向振动，当敲击测振块时，多个传感器波形均会产生振荡波，在传感器活动引线接错情况下，各个传感器不易分辨是否接错，这可导致传感器引线安装错误，严重影响试验测量结果准确性。
发明内容
为了解决在工作现场需要较多的压电式振动传感器时，无法快速有效的对压电式振动传感器灵敏度进行检查，以及多个压电式振动传感器引线安装容易错误，导致的测量结果可靠性低的问题，本发明提供了一种多测点压电式振动传感器的检查及使用方法。
本发明的具体技术方案是：
本发明提供的一种多测点压电式振动传感器的检查及使用方法，包括以下步骤：
步骤1：压电式振动传感器筛选
步骤1.1：将压电式振动传感器通过活动电缆连接上采集设备；
步骤1.2：然后对活动电缆进行敲击，并在采集设备上观察其波形，若波形正常，则表明此压电式振动传感器可用，否则，认为该压电式振动传感器不可用；
步骤2：传感器灵敏度检查
步骤2.1：将待校准的压电式振动传感器和标准压电式振动传感器按照背靠背方式固定在同一测振块上，并接入采集设备；
步骤2.2：在采集设备中输入标准压电式振动传感器灵敏度系数以及待校准的压电式振动传感器灵敏度系数，此时将待校准的压电式振动传感器灵敏度系数设为1；
步骤2.3：对测振块进行敲击，记录标准压电式振动传感器冲击幅值为Ub，待校准的压电式振动传感器冲击幅值为Ux，计算待校准的压电式振动传感器的灵敏度，具体计算公式为：
K＝Ux/Ub×K1
式中，K为待校准的压电式振动传感器灵敏度；
K1为标准压电式振动传感器灵敏度；
步骤2.4：反复进行多次敲击，通过步骤2.3的公式获得多组待校准的压电式振动传感器灵敏度并求其平均值作为最终的待校准的压电式振动传感器灵敏度；
步骤3：传感器零位噪声检查
步骤4：计算传感器安装力矩
传感器安装力矩T的具体计算公式为：
T＝kFD
式中，k为拧紧力矩系数，具体值根据螺杆的材质查表选取；
F为螺杆预紧力，单位N，其取值范围是10—20；
D为螺杆的螺纹公称直径，单位m；
步骤5：传感器的安装和连线；
步骤5.1：安装压电式振动传感
利用计算出的安装力矩将每个压电式振动传感器安装于各个测点的测阵块上；
其中，一般测点的测振块三个表面分别安装轴向振动压电式振动传感器、径向振动压电式振动传感器以及切向振动压电式振动传感器；
重要测点的测振块上五个表面分别安装轴向振动压电式振动传感器、径向振动压电式振动传感器、切向振动压电式振动传感器、低频轴向振动压电式振动传感器；
步骤5.2：压电式振动传感的连线
在同一测点上的多个压电式振动传感器按照不同颜色的线缆与外部转接柜连接；
不同测点上用于具有相同频率和相同振动方向压电式振动传感器采用同一种颜色的线缆与外部转接柜连接；
同一测点上的所有线缆采用色环捆扎成一束，不同测点上的色环上标记上不同的数字；
步骤6：压电式振动传感器工作，并判定传感器测量结果的有效性
压电式振动传感器工作，测试完成后，观察压电式振动传感器的频谱曲线，若曲线为前高后低的趋势明显，则认为该压电式振动传感器出现了松动，该压电式振动传感器测试的数据无效，若曲线为前高后低的趋势不明显，则认为该压电式振动传感器未出现松动，确定该压电式振动传感器测试的数据有效。
进一步地，上述步骤2还包括步骤2.5：灵敏度的二次校验；
采用比较法获得待校准的压电式振动传感器获得的灵敏度；
再将上述灵敏度与步骤2.4获得的灵敏度进行对比，若两者数值之间误差小于5％，则认为最终的待校准的压电式振动传感器灵敏度为准确值，若相差较大则说明，待校准的压电式振动传感器自身灵敏度发生了变化，必须对该传感器进行重新校准。
进一步地，上述步骤3的具体过程为：
步骤3.1：将压电式振动传感器通过使用时所用活动电缆连接于采集设备观察其零位噪声，若其不超过波动范围，则证明此压电式振动传感器初步检测合格；
步骤3.2：将该压电式振动传感器在测点上进行安装，再次敲击后观察，待压电式振动传感器的零位噪声若无发生变化则认为该传感器可进行使用，否则认为压电式振动传感器不可用。
进一步地，在执行步骤1.1之前，先查看压电式振动传感器使用档案记录，优先选择档案中记录的无异常输出的压电式振动传感器进行筛选检查。
进一步地，上述步骤6中所述频谱曲线的变化呈一次函数的形式，当一次函数的斜率小于-0.6时，则认为测量结果有效；反之，则认为测试结果无效。
进一步地，上述采集设备为示波器。
本发明的有益效果是：
1、本发明通过依次执行压电式振动传感器筛选、传感器灵敏度检查、传感器零位噪声检查、计算传感器安装力矩、传感器的安装和连线以及压判定传感器测量结果的有效性这几个步骤，大大提升了多测点测试时压电式传感器的测试结果的准确性和可靠性。
2、本发明通过分析压电式振动传感器灵敏度与内部电容关系提供传感器灵敏度变化检查方法，相比现有比较法，无需复杂的测试设备，大大提升了传感器灵敏度的检查的效率。
3、本发明通过计算出同一的安装力矩对压电式振动传感器进行安装，使得多测点的测试结果可靠性大大提升，同时采用不同颜色线缆对同一测点上的多个压电式振动传感器进行区分，并且采用色环上数字标记对不同测点的压电式振动传感器进行区分，使得连线过程不易出现错误，同时检查时能够容易进行区别，有效地提高振动传感器连接的可靠性，进一步地的提升了测试结果的准确性。
附图说明
图1为现有比较法测量传感器灵敏度的原理图。
图2为现有压电式振动传感器与测振块的连接示意图。
图3为本发明的流程框图。
图4为传感器筛选检查时正常的敲击震荡波形图；
图5为传感器筛选检查时出现失真的敲击震荡波形图；
图6为传感器筛选检查时出现零点漂移的敲击震荡波形图；
图7为传感器灵敏度检查时待校准的压电式振动传感器和标准压电式振动传感器的冲击幅值示意图；
图8为传感器对应关系检查时压电式振动传感器和转接柜的连接示意图；
图9为压电式振动传感器的频谱图。
具体实施方式
压电式振动传感器作为测试系统中信息转换的初始环节，其转换性能将直接影响到整个测试系统工作的可靠性和测试精度。为了保证在整个使用过程中压电式振动传感器具有良好的性能，必须对压电式振动传感器在使用过程的各个环节进行检查，本实施例提供了一种多测点压电式振动传感器的检查及使用方法，具体流程如图3所示：
步骤1：压电式振动传感器筛选检查
在需要使用压电式振动传感器之前，先查看压电式振动传感器使用档案记录，优先选择档案中记录的无异常输出的压电式振动传感器；对选中的压电式振动传感器通过活动电缆连接上采集设备(采集设备一般为示波器)，然后对活动电缆进行敲击，并在采集设备上观察其波形，若波形正常，则表明此传感器可用，否则，认为该压电式振动传感器不可用。
从图4中可以看出，敲击震荡波形信号的基本特征为：其震荡波形接近于一个衰减的指数函数，又一个明显的冲击大波峰和几个衰减下来的冲击小波峰，且波形持续时间为10毫秒左右。
图5和图6均为敲击检查时存在问题的压电式振动传感器波形，敲击信号明显波形失真，造成该种波形的原因主要是压电式振动传感器内部绝缘性能下降，致使由外部干扰信号叠加到震荡波形当中。进一步还可以看出，压电式振动传感器在敲击过程中产生了严重的零点漂移。
步骤2：传感器灵敏度检查
把待校准的压电式振动传感器和标准压电式振动传感器，按照背靠背方式固定在同一测振块上，并接入动态采集设备，在采集设备中输入标准压电式振动传感器灵敏度系数，输入待校准的压电式振动传感器系数为1，而后对测振块进行敲击，记录标准压电式振动传感器冲击幅值为Ub，待校准的压电式振动传感器冲击幅值为Ux，如图7所示；
在同一振源驱动下，由于压电式振动传感器输出量与振动加速度成正比，在压电式振动传感器有效线性范围内，其满足下述公式关系式:
K＝Ux/Ub×K1
式中K为待校准的压电式振动传感器灵敏度，K1为标准压电式振动传感器灵敏度，Ux为被校传感器输出值，Ub为标准传感器输出值；
反复进行多次敲击，通过以上公式获得多组待校准的压电式振动传感器灵敏度并以其平均值作为最终的待校准的压电式振动传感器灵敏度。
为了进一步的确保灵敏度的准确性，本实施例对最终的待校准的压电式振动传感器灵敏度进行了二次校验，具体做法是：
利用传统的比较法获得待校准的压电式振动传感器的灵敏度，并与上述最终的待校准的压电式振动传感器灵敏度进行对比，若两者数值之间误差小于5％，则认为最终的待校准的压电式振动传感器灵敏度为准确值，若相差较大则说明，待校准的压电式振动传感器自身灵敏度发生了变化，必须对该传感器进行重新校准。
步骤3：传感器零位噪声检查
压电式振动传感器通过连接活动电缆安装在测振块上时，在实际使用过程中经常出现压电式振动传感器输出零位噪声偏大，分析原因发现，压电式振动传感器自身与活动电缆和采集系统之间存在匹配性，现采用以下过程检查压电式振动传感器的零位噪声；
压电式振动传感器通过使用时所用活动电缆连接于采集设备观察其零位噪声，若其不超过波动范围，则证明此压电式振动传感器初步检测合格，之后再将该传感器进行测点上进行安装，敲击后一段时间后待压电式振动传感器的零位噪声若无发生变化则认为该传感器可进行使用。
步骤4：计算传感器安装力矩
压电式振动传感器使用时，通过被测部位焊接的测振块经过螺杆的连接实现固定，因此使用多个压电式振动传感器时，需要保证安装力矩的一致性；
本实施例提供如下安装力矩T的计算公式：T＝kFD
式中，k为拧紧力矩系数，具体值根据螺杆的材质查表选取；
F为螺杆预紧力，单位N，其取值范围是10—20；
D为螺杆的螺纹公称直径，单位m。
步骤5：传感器的安装和连线；
步骤5.1：安装压电式振动传感
利用计算出的安装力矩将每个压电式振动传感器安装于各个测点的测阵块上；
其中，一般测点的测振块三个表面分别安装轴向振动压电式振动传感器、径向振动压电式振动传感器以及切向振动压电式振动传感器；
重要测点的测振块上五个表面分别安装轴向振动压电式振动传感器、径向振动压电式振动传感器、切向振动压电式振动传感器、低频轴向振动压电式振动传感器；
步骤5.2：压电式振动传感的连线
在同一测点上的多个压电式振动传感器按照不同颜色的线缆与外部转接柜连接；
不同测点上用于具有相同频率和相同振动方向压电式振动传感器采用同一种颜色的线缆与外部转接柜连接；
同一测点上的所有线缆采用色环捆扎成一束，不同测点上的色环上标记上不同的数字；
例如：若测点为一般部位时，红色线缆代表常规频率轴向振动、蓝色线缆代表常规频率径向振动、绿色线缆代表常规频率切向振动；
若测点为重要部位，则需要进行频率标记，红色线缆代表常规频率轴向振动、蓝色线缆代表常规频率径向振动、绿色线缆代表常规频率切向振动、黄色线缆代表低频轴向振动，白色线缆代表低频径向振动；
通过上述连接方式，解决了传感器安装后在机械部件上难以检查的不足，避免在测点较多的情况下引线安装错位置，致使测量结果错误的缺陷。
步骤6：压电式振动传感器工作，并判定传感器测量结果的有效性
螺杆上的螺纹在不同的预紧力情况下，其联接件结合部位的动力学特性是有所区别的，这主要表现在当螺杆螺纹发生不同程度的松动时，被联接的压电式振动传感器所测量得到的振动信号频谱会发生改变。
图9中是一个压电式振动传感器在某次使用过程中从未松动时到螺杆上螺纹逐渐松动的频谱图，图中标记“4”所示曲线代表未松动时频谱图，
标记“1”,“2”,“3”所示曲线分别为螺杆上螺纹逐渐松动的频谱。在螺杆上螺纹松动时随着预紧力不断减小，其对应的频谱值也是逐渐较小的，比较未松动时的谱值相可看出，压电式振动传感器在松动时其频谱曲线形成前高后低的趋势。该型机械部件的主要突频集中在频谱的前端，由于拧紧力矩的不断减小，在采样带宽范围内随着频率的增大，突频幅值也会减小，形成了上述振动传感器螺杆上螺纹在松动时的特征曲线频谱图；
测试后，观察每个压电式振动传感器的频谱图，若图中曲线为前高后低的趋势明显，则认为该压电式振动传感器出现了松动，放弃该压电式振动传感器测试的数据，若图中曲线为前高后低的趋势不明显，则认为该压电式振动传感器几乎未出现松动，确定该压电式振动传感器测试的数据准确；具体来说，该曲线的变化呈一次函数，当该一次函数的斜率小于-0.6时，认为该压电式振动传感器测试的数据有效，反之则认为该压电式振动传感器测试的数据无效。
Claims (6)
1.一种多测点压电式振动传感器的检查及使用方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：压电式振动传感器筛选
步骤1.1：将压电式振动传感器通过活动电缆连接上采集设备；
步骤1.2：然后对活动电缆进行敲击，并在采集设备上观察其波形，若波形正常，则表明此压电式振动传感器可用，否则，认为该压电式振动传感器不可用；
步骤2：传感器灵敏度检查
步骤2.1：将待校准的压电式振动传感器和标准压电式振动传感器按照背靠背方式固定在同一测振块上，并接入采集设备；
步骤2.2：在采集设备中输入标准压电式振动传感器灵敏度系数以及待校准的压电式振动传感器灵敏度系数，此时将待校准的压电式振动传感器灵敏度系数设为1；
步骤2.3：对测振块进行敲击，记录标准压电式振动传感器冲击幅值为Ub，待校准的压电式振动传感器冲击幅值为Ux，计算待校准的压电式振动传感器的灵敏度，具体计算公式为：
K＝Ux/Ub×K1
式中，K为待校准的压电式振动传感器灵敏度；
K1为标准压电式振动传感器灵敏度；
步骤2.4：反复进行多次敲击，通过步骤2.3的公式获得多组待校准的压电式振动传感器灵敏度并求其平均值作为最终的待校准的压电式振动传感器灵敏度；
步骤3：传感器零位噪声检查
步骤4：计算传感器安装力矩
传感器安装力矩T的具体计算公式为：
T＝kFD
式中，k为拧紧力矩系数，具体值根据螺杆的材质查表选取；
F为螺杆预紧力，单位N，其取值范围是10—20；
D为螺杆的螺纹公称直径，单位m；
步骤5：传感器的安装和连线；
步骤5.1：安装压电式振动传感
利用计算出的安装力矩将每个压电式振动传感器安装于各个测点的测阵块上；
其中，一般测点的测振块三个表面分别安装轴向振动压电式振动传感器、径向振动压电式振动传感器以及切向振动压电式振动传感器；
重要测点的测振块上五个表面分别安装轴向振动压电式振动传感器、径向振动压电式振动传感器、切向振动压电式振动传感器、低频轴向振动压电式振动传感器；
步骤5.2：压电式振动传感的连线
在同一测点上的多个压电式振动传感器按照不同颜色的线缆与外部转接柜连接；
不同测点上用于具有相同频率和相同振动方向压电式振动传感器采用同一种颜色的线缆与外部转接柜连接；
同一测点上的所有线缆采用色环捆扎成一束，不同测点上的色环上标记上不同的数字；
步骤6：压电式振动传感器工作，并判定传感器测量结果的有效性
压电式振动传感器工作，测试完成后，观察压电式振动传感器的频谱曲线，若曲线为前高后低的趋势明显，则认为该压电式振动传感器出现了松动，该压电式振动传感器测试的数据无效，若曲线为前高后低的趋势不明显，则认为该压电式振动传感器未出现松动，确定该压电式振动传感器测试的数据有效。
2.根据权利要求1所述的多测点压电式振动传感器的检查及使用方法，其特征在于：所述步骤2还包括步骤2.5：灵敏度的二次校验；
采用比较法获得待校准的压电式振动传感器获得的灵敏度；
再将上述灵敏度与步骤2.4获得的灵敏度进行对比，若两者数值之间误差小于5％，则认为最终的待校准的压电式振动传感器灵敏度为准确值，若相差较大则说明，待校准的压电式振动传感器自身灵敏度发生了变化，必须对该传感器进行重新校准。
3.根据权利要求1所述的多测点压电式振动传感器的检查及使用方法，其特征在于：所述步骤3的具体过程为：
步骤3.1：将压电式振动传感器通过使用时所用活动电缆连接于采集设备观察其零位噪声，若其不超过波动范围，则证明此压电式振动传感器初步检测合格；
步骤3.2：将该压电式振动传感器在测点上进行安装，再次敲击后观察，待压电式振动传感器的零位噪声若无发生变化则认为该传感器可进行使用，否则认为压电式振动传感器不可用。
4.根据权利要求1所述的多测点压电式振动传感器的检查及使用方法，其特征在于：在执行步骤1.1之前，先查看压电式振动传感器使用档案记录，优先选择档案中记录的无异常输出的压电式振动传感器进行筛选检查。
5.根据权利要求1所述的多测点压电式振动传感器的检查及使用方法，其特征在于：所述步骤6中所述频谱曲线的变化呈一次函数的形式，当一次函数的斜率小于-0.6时，则认为测量结果有效；反之，则认为测试结果无效。
6.根据权利要求1所述的多测点压电式振动传感器的检查及使用方法，其特征在于：所述采集设备为示波器。
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