典型振動量檢測系統設計
一、實驗目的
1、了解振動量檢測系統的構成、測量原理、特性。
2、理解振動量檢測系統的動態特性對輸出的影響。
3、掌握差動變壓器、壓電傳感器、電渦流傳感器3 種典型位移傳感器的工作原理、基本結
構、性能及應用。了解各種傳感器的典型測量電路的基本構成、特點及利用典型傳感器測量振動
的方法。搭建3 種典型振動量檢測系統并調試及完成實際振動量檢測。
二、實驗原理
差動變壓器工作原理：
差動變壓器由一只初級線圈和二只次級線圈及一個鐵芯組成，根據內外層排列不同，有二
段式和三段式，本實驗采用三段式結構。在傳感器的初級線圈上接入高頻交流信號，當初、次線
圈中間的鐵芯隨著被測體移動時，由于初級線圈和次級線圈之間的互感磁通量發生變化促使兩個
次級線圈感應電勢產生變化，一只次級線圈感應電勢增加，另一只次級線圈感應電勢則減少，將
兩只次級線圈反向串接(同名端連接)，在另兩端就能引出差動電勢輸出，其輸出電勢的大小反映
出被測體的移動量。
壓電式傳感器工作原理：
壓電式傳感器由慣性質量塊和受壓的壓電陶瓷片等組成（觀察實驗用壓電加速度計結構）。
工作時傳感器感受與試件相同頻率的振動，質量塊便有正比于加速度的交變力作用在壓電陶瓷片
上，由于壓電效應，壓電陶瓷片上產生正比于運動加速度的表面電荷，經電荷放大器轉換成電壓，
即可測量物體的運動加速度。
電渦流傳感器工作原理：
通過高頻電流的線圈產生高頻磁場，當金屬體處在高頻磁場時，根據電磁感應原理，金屬
體內產生電流，該電流在金屬體內自行閉合，并呈旋渦狀，故稱為渦流。電渦流的產生必然要消
耗一部分磁場能量，從而改變激磁線圈阻抗，渦流傳感器就是基于這種渦流效應制成的。渦流的
大小與金屬導體的電阻率、導磁率、厚度、線圈激勵電流頻率及線圈與金屬體表面的距離x 等參
數有關。電渦流工作在非接觸狀態（線圈與金屬體表面不接觸），當線圈與金屬體表面的距離x
以外的所有參數一定時，通過檢測渦流效應的強弱即可以進行位移測量。根據電渦流傳感器的位
移特性和被測材料特性可選擇合適的工作點即可測量振動的振幅大小。
三、需用器件與單元

主機箱、差動變壓器、壓電傳感器、電渦流傳感器、差動變壓器實驗模板、壓電傳感器實驗
模板、鐵圓片、電渦流傳感器實驗模板、移相器/相敏檢波器/濾波器模板、振動源、示波器、
萬用表。
四、實驗步驟
（一）、差動變壓器測振實驗
1、安裝差動變壓器：將差動變壓器按圖4.1
卡在傳感器安裝支架的U 型槽上并擰緊差動變
壓器的夾緊螺母，調整傳感器安裝支架使差動變
壓器的鐵芯連桿與振動臺中心點磁鋼吸合并擰
緊傳感器安裝支架壓緊螺帽，再調節升降桿使差
動變壓器鐵芯大約處于線圈的中心位置。并用手
按壓振動臺，不能使差動變壓器的活動桿有卡死
的現象，否則必須調整安裝位置。
2、實驗步驟：按圖4.2 接線，并按以下步
驟操作：
首先：移相器調至起始零位（未移相）、相敏檢波器調至輸出波形不失真位置。（實驗前已調
試完畢）
(1) 按圖4.2 接線，檢查接線無誤后，合上主控箱電源開關，振蕩器輸入電壓信號，用示
波器、頻率表觀察音頻振蕩器Lv 端的頻率和幅值Vp-p 值，調整音頻振蕩器幅度旋鈕使Vp-p=4V,
頻率調整在5KHz。
(2) 調節差動變壓器起始測量位置：用示波器觀察相敏檢波器的輸出，調整傳感器連接支架
高度，使示波器顯示的波形幅值為最小。
(3) 補償零點殘余電壓值：仔細調節Rw1 和Rw2 使示波器(相敏檢波輸出)顯示的波形幅值更
小，基本為零。
(4)設置差動變壓器最大測量范圍：用手按住振動平臺(讓傳感器產生一個大位移)仔細調節
移相器和相敏檢波器的旋鈕，使示波器顯示的波形為一個接近全波的整流波形。松手后，整流波
形消失變為一條接近零點的直線(否則再調節Rw1 和Rw2)。
(5)振動信號接入并觀察輸出波形：將低頻振蕩器信號接入振動源的輸入端，調節振動幅度
旋鈕和頻率旋鈕（頻率大約為10Hz，）使振動平臺振動較為明顯，用示波器分別觀察放大器、相
敏檢波器及低通濾波器的輸出端波形。

圖4.1 差動變壓器振動測量安裝圖

圖 4.2 差動變壓器測量振動實驗儀器連線圖

3、實驗內容：
（1）保持低頻振蕩器的幅度不變，改變振蕩頻率（3Hz～20Hz），用示波器觀察低通濾波器
的輸出，讀出峰-峰電壓值，記下實驗數據，填入表4.1。同時，根據實驗結果做出振動梁的振
幅——頻率特性曲線，指出梁的自振頻率范圍值。
表4.1 差動變壓器測量振動實驗輸入－輸出數據表

f(Hz)
VP-P（V）

（2）保持低頻振蕩器頻率（10Hz 左右）不變，改變振蕩幅度，同樣實驗可得到振幅與電
壓峰峰值VP-P 曲線（定性）。實驗完畢，關閉電源。
注意事項：低頻激振電壓幅值不要過大，以免梁在自振頻率附近振幅過大。

（二）、壓電式傳感器測振實驗
首先：移相器調至起始零位（未移相）、相敏檢波器調至輸出波形不失真位置。（實驗前已調
試完畢）
1、安裝壓電式傳感器：將壓電傳感器安裝在振動臺面上（與振動臺面中心的磁鋼吸合），
同時，將壓電傳感器兩輸出端插入壓電傳感器實驗模板的兩輸入端，見圖4.3，屏蔽層接地。
2、接入振動源：將低頻振蕩器信號接入到振動源的低頻輸入插孔。振動源的低頻輸入接主
機箱中的低頻振蕩器。
3、實驗電路連線：連線按圖4.3 示意接線，將壓電傳感器實驗模板電路輸出端V01（如增
益不夠大則V01 接入IC2, V02 接入低通濾波器）接入低通濾波器輸入端VI，低通濾波器輸出V0
與示波器相連。
4、調節起始測量點：合上主控箱電源開關，調節Rw 使低通濾波器輸出Vo 為零。
5、實驗內容：
(1)調節低頻振蕩器的頻率及幅度旋鈕使振動臺振動，觀察示波器波形。
(2)改變低頻振蕩器頻率，觀察輸出波形變化，讀出峰－峰電壓值，記下實驗數據，填入下
表4.2，比較一下頻率不同時的輸出有什么不同。
(3)用示波器的兩個通道同時觀察低通濾波器輸入端和輸出端波形，試比較一下有什么區
別？低通濾波器的作用是什么？
(4)比較一下低通濾波器的輸出信號與低頻振蕩器的輸出信號的相位有什么不同？
表4.2 壓電式傳感器測量振動實驗輸入－輸出數據表

f(Hz)
VP-P（V）

圖4.3 壓電傳感器測量振動實驗儀器連線圖

（三）電渦流傳感器測振實驗
首先：移相器調至起始零位（未移相）、相敏檢波器調至輸出波形不失真位置。（實驗前已調
試完畢）
1、電渦流傳感器的安裝：參看圖4.1 安裝電渦流傳感器，（逆時針轉出壓緊螺母，裝上傳
感器安裝支架再順時針轉動壓緊螺母），注意傳感器端面與被測體振動臺面（放置鐵圓片）之間
的安裝距離大約為0.5mm 左右。同時，將電渦流傳感器輸出插頭插入實驗模板相應的插孔中。
2、實驗電路連接：按圖4.4 接線，實驗模板接入+15V 電源，實驗模板輸出端接示波器Y1
通道并與低通濾波器Vi 端相聯，低通濾波器輸出Vo 接示波器Y2 通道。
3、接入振動源并調起始位置：將主控臺上的低頻信號接入振動臺，振蕩頻率設置在6—12HZ
之間，大約10HZ 左右。同時將主機箱中的低頻振蕩幅度旋鈕逆時針（低頻輸出幅度為零）；檢查
接線無誤后，合上主控箱電源開關，慢慢增大低頻振蕩幅度（幅度控制在很小范圍內），調節振
動源中的傳感器升降桿（松開鎖緊螺釘，粗調升降桿再細調調節螺母），用示波器觀察電渦流實
驗模板輸出端波形（Y2）使輸出端波形為正弦曲線（這時傳感器端面與被測體振動臺面之間的安
裝距離為線性區域的大致中點位置），擰緊鎖緊螺釘。注意：測量過程中，保持低頻振蕩器幅度
旋鈕位置不變。
4、實驗內容：
（1）改變振動頻率測出不同頻率下相應的傳感器輸出電壓峰－峰值。填入表4.3 并畫出
f——VO 特性曲線。由曲線估算振動臺的諧振頻率（VO 最大時對應頻率）。同時調節傳感器安裝
支架高度，讀取正弦波失真最小時的Y2 電壓峰－峰值。
（2）用示波器觀察電渦流實驗模板輸出端波形（Y1），和低通濾波器輸出波形（Y2），實驗
完畢，關閉電源。
表4.3 電渦流傳感器測量振動實驗輸入－輸出數據表

f(Hz)
VP-P（V）

圖4.4 電渦流傳感器測量振動實驗儀器連線圖

五、思考題
1、分析各種典型傳感器測量振動時測量范圍及特點。
2、有一個振動頻率分別為1KHz 、10KHz 的被測物體需要測其振動參數，你是選用壓電式
傳感器還是電渦流傳感器、差動變壓器或認為三者均可？
3、根據所學的理論知識，還可以選擇哪幾種傳感器測量振動，試舉例說明。
六、考核方式
課堂表現10%，實際操作30%，實驗報告60%。