传感器选型指南
传感器选型指南
一概述
朗斯传感器按原理分类主要可分为两大类型压电传感器和应变传感器按被测量分类主要可分为四大类型振动冲击压力力及特型类
振动冲击类朗斯的强项产品之一在国内外享有盛誉目前朗斯测量振动冲击加速度速度和位移类的传感器产品有5大系列,约100个型号,基本能够满足各种用途对振动冲击的测量要求振动冲击加速度速度和位移类的传感器5大系列是
1.LC01系列内装IC压电加速度传感器
2.LC04系列压电加速度传感器
3.LC05系列压电石英力传感器
4.LC07系列内装IC应变加速度传感器
5.LC08系列应变加速度传感器
压力传感器类LC09系列应变压力传感器为测量流体压强而专门设计有电压输出电流输出和频率输出三种输出型式量程范围1200MPa
力传感器类LC05系列压电石英力传感器和LC11系列应变力传感器LC05系列压电石英力传感器主要用于测量动态短期静态的振动和冲击力机械结构的拉伸和压缩力量程范围100kg30t LC11系列应变力传感器主要用于工程中的静态拉伸和压缩力测量量程范围50kg300t
特型类为解决用户使用中的一些特殊问题方便用户使用朗斯还生产多种特型传感器和传感器辅助产品特型传感器如座垫传感器基桩动测传感器防水密封型传感器和力锤等传感器辅助产品如磁力安装座LC14系
列和附件LC16系列等
二工作原理及特点
1.压电传感器
压电传感器是一种机电换能器它利用压电元件---压电陶瓷压电石英等的压电效应当压电传感器受到力F(对于振动加速度传感器,这个力F=ma,其中m-加速度传感器内部质量体质量a-振动加速度)作用后其内部的压电元件上也受到同样大小的力F根据压电效应原理压电元件的两面就产生一个与这个力F成正比的电荷
压电传感器特点
1自生电荷结构简单坚固安装方便
2尺寸小重量轻最轻仅为0.2克寿命长
3频率响应范围宽可高达100kHz量程范围大加速度计可高达100,000g
4稳定性好耐高温可达7000C
5不适于静态测量
2.应变传感器
应变传感器主要由外壳弹性元件和应变计所组成应变加速度传感器内多一将加速度a转化为力F的质量体m当传感器感受力或加速度时贴于弹性元件上的应变计在力F感受加速度时力F ma的作用下同弹性元件一起变形根据应变计的应变效应原理应变计将产生与这个变形成正比的电阻变化R一般在每个传感器上至少粘贴四片电阻应变计将他们接成桥式测量电路这个桥式测量电路可以灵敏而精确地测量10-3-10-6数量级的微小电阻变化
应变传感器的特点
1品种多尺寸小重量轻制作方便
2性能稳定精度高
3低频响应好测量范围大静态动态信号都可测
4受温度影响大需温度补偿
5使用频率范围窄
三压电传感器的选择和安装
(一)传感器的选择
压电加速度传感器有许多种型号每一种型号都有自己特别适用的某些用
途为了获得高保真度的测试数据我们必须根据测试的使用要求选择最合适的压电加速度传感器通常选择压电加速度传感器最主要的权衡因素是重量频率响应和灵敏度
1. 重量
传感器作为被测物体的附加质量必然会影响其运动状态如果加速度传感器的质量接近于被测物体的动态质量则被测物体的振动就会受到影响而明显减弱对于有些被测构件虽然作为一个整体质量很大但是在传感器安装的局部例如一些薄壁结构传感器的质量已经可以与结构局部质量相比拟也
将会使结构的局部运动状态受到影响因此要求传感器的质量m
a
远小于被测物体传感器安装点的动态质量m
由于传感器质量的影响会使被测构件的振动加速度a降低,其降低的加速
度?a可用下式估算?a = a
[ 1m /( m
a
m ) ]
2. 频率响应特性
低频响应特性传感器用户手册给出的下限频率为-10%频响LC01系列内装IC 压电加速度传感器的低频响应特性主要由内装IC 电路芯片的下限频率和传感器的基座应变热释电效应等环境特性决定LC04系列压电加速度传感器的低频响应特性主要由电荷放大器的下限频率和传感器的基座应变热释电效应等环境特性决定内装IC 电路芯片和电荷放大器的下限频率取决于RC 电路也就是取决于放电时间常数DTC DTC = R ·C 下降3dB 低频f = 0.16/DTC 下降10%低频f = 0.34/DTC 下降5%低频f = 0.5/DTC
放电时间常数越大
信号衰减越慢低频响应越好放电时间常数不仅决定低频响应而且决定放电时间在实验室只测一两个点放电时间为几秒或更长都可以但是在工业现场进行多点测量则不一样因此决定时间常数时必须兼顾低频响应和放电时间基座应变环境温度变化等环境干扰引起的输出通常在5Hz 以下因此当测试信号频率在5Hz 以上时应将内装IC 电路芯片和电荷放大器的下限截止频率置于5Hz 以上借以滤除压电传感器的热电等环境干扰引起的噪声输出实验证明当测试环境温度突然变化300C 时LC0401(中心压缩结构)压电加速度的瞬变温度输出约为1.5g 而LC0406(隔离剪切结构)的瞬变温度输出仅为0.15g 因此当测试信号频率在5Hz 以下时应选择诸如隔离剪切结构等隔离基座应变热释电效应等环境干扰性能好的加速度传感器应变加速度传感器具有响应静态信号的特性
高频响应特性高频响应取决于公式m
k f o π
21=式中f 0 — 谐振频率
k — 敏感结构的组合刚度m — 质量块的大小在敏感结构的组合刚度一定的前提下质量块越大谐振频率越低一个大的质量块产生高的机械增益因此传感器的灵敏度高噪声低相反一个小的质量块产生低的机械增益因此传感器的灵敏度低输出小但是频率范围宽可测量较高的频率信号
传感器用户手册给出的上限频率为+10%频响大约为安装谐振频率的1/3如果要求上限频率误差为+5%大约为安装谐振频率的1/5如果采用适当的校正系数在更高的频率范围也能得到可靠的测试数据
3. 灵敏度
灵敏度越高在电路不放大的基础上质量块越大机械增益越大传感器的输出越大系统的信噪比越高而抗干扰能力和分辨率也越强陶瓷敏感元件有着非常高的信噪比在没有电噪声的妨碍下能测非常小的振动信号但是就特定结构的传感器来讲灵敏度越高传感器的重量越大量程和谐振频率也越低
就量程来讲对于电荷型输出的LC04系列压电加速度传感器可以通过调节电荷放大器增益来调节量程范围但对于LC01系列内装IC压电加速度传感器满量程输出特性在传感器内已经固定量程范围是不可调节的目前比较流行的内装IC压电加速度传感器它的激励电压为18-30VDC而且要求恒流供电2-20mA它的输出为叠加在直流偏压上的交流信号直流偏压通常能被后接的信号调理器中的隔直电容隔掉所以我们能直接读出它的交流信号这个交流信号的最大输出一般为5VAC因此一个直流偏压为9.5VDC灵敏度为100 mV/g的LC01系列内装IC压电加速度传感器其量程最大测量信号是50g如果要增大量程范围可通过降低灵敏度来实现如一个灵敏度为10mV/g 的LC01系列内装IC压电加速度传感器其量程最大测量信号为500g
综上所述灵敏度的选择受到重量频率响应和量程的制约一般来讲
在满足频响重量和量程要求下应尽量选择高灵敏度的传感器这样可降低信号调理器的增益采用×1即可提高系统的信噪比
系列
与压电加速度传感器系列性能对比
1低阻抗输出抗干扰能力强可以进行长电缆传输
2可直接与内置恒流源的数据采集器连接
3可以使用通用同轴电缆或丝线
4性能价格比高多点测量总的系统价格较低
安装方便
量程在传感器内已固定不可调节
LC04
放电时间常数DTC 传感器内部已固定
受同样的测试环境
1可通过调节电荷放大器调节满量程输出
2结构简单温度范围宽高温可达
3电荷放大器远离测试环境外部环境对其影响小
4互换性强可方便的与国内外电荷放大器和阻抗变换器配
在安装和使用时
注意对高阻输出的保护
外部必须配接电荷放大器
必须使用特殊的低噪声电缆
带长电缆大于米时会引起高电容负载增加从而引
二传感器的安装
以单轴为例所示所示
螺钉安装磁力安装座安装胶粘剂粘接探针安装每种安装方式对高频都有影响螺钉安装频率响应范围最宽而且是四种安装方法中最安全可靠的一种
通过在传感器与安装表面间插入安装介质磁力安装座胶粘一个安装谐振频率就产生了这个安装谐振频率小于传感器的固有频率
降低了高频范围传感器离测试点越远安装谐振频率越低可用的频率范围越低
安装前应对传感器与被测试件接触的表面进行处理表面要求清洁平滑不平度应小于0.01mm安装螺孔轴线与测试方向一致如安装表面较粗糙时可在接触面上涂些诸如真空硅脂重机械油蜂蜡等润滑剂以改善安装耦合从而改善高频响应
测量冲击时由于冲击脉冲具有很大的瞬态能量故传感器与结构的连接必须十分可靠最好用钢螺钉安装
如现场环境如安装在电机发动机等电气噪声较大的设备上需单点接地以避免地电回路噪声对测量的影响请采取使加速度传感器与构件绝缘的安装措施如绝缘螺钉LC1614或选用能满足试验要求的其本身结构对地绝缘的加速度传感器LC0105J LC0403J等
(1)螺钉安装安装螺孔轴线与测试方向要一致螺纹孔深度不可过浅以免安装螺钉过分拧入传感器造成基座弯曲而影响灵敏度每只压电加速度传感器出厂时都配有一只钢制安装螺钉M5或M3用它将加速度传感器和被测试物体固定即可M5安装螺钉推荐安装力矩 20kgf.cm M3安装螺钉推荐安装力矩 6kgf.cm安装后传感器与安装面应紧密贴实不应有缝隙螺钉安装示意图及频响曲线图如图4图5所示
图4 螺钉安装示意图图5 螺钉安装频响曲线图
(2)磁力安装座安装磁力安装座分对地绝缘和对地不绝缘两种在低频小加速度测试试验中如被测物为不宜钻安装螺孔的试验件如机床发动机管道等磁力安装座提供了一种方便的传感器安装方法如被测表面较平坦且是钢铁结构时可直接安装如被测表面不平坦或无磁力的需在被测表面粘接或焊接一钢垫用来吸住磁座但在加速度超过200g温度超过200时不宜采用磁力安装座安装示意图及频响曲线图如图6图7所示
图6 磁力安装座安装示意图图7 磁力安装座安装频响曲线图
(3)胶粘剂安装可用多种胶粘剂粘接胶接面要平整光洁并需按胶接工艺清洗胶接面目前常用的502胶粘接工艺如下 a.先用200-400砂纸对安装面进行打磨 b.用丙酮或无水乙醇清洗打磨面并彻底擦干 c.于粘接部位滴适量的502快干胶之后用手或加压将传感器压住几秒钟待胶初步固化后松开手或去掉压力静置十几秒使胶彻底固化达到胶接强度 d.欲取下粘接在被测物体上的传感器请先于粘合部位涂布丙酮过几分种后用起子取下注意不要用力过猛如果轻轻用力取不下时可再涂布溶剂待几分钟再轻轻取下对大加速度的测量请计算胶接强度胶粘剂安装示意图及频响曲线图如图8图9所示
图8 胶粘剂安装示意图
图9 胶粘剂安装频响曲线图
(4)探针安装当因测试表面狭小等不能采用以上较可靠的安装方法时或对设备进行快速巡检时手持探针安装是一种方便的安装方法由于这种安装方法安装谐振频率低所以仅能用于低于1000Hz 的测试探针安装示意图及频响曲线图如图10图11所示
图10 探针安装示意图
图11 探针安装频响曲线图