第1章 绪论
磁悬浮技术是近代迅猛发展的新技术之一，在许多不同的领域获得了很好的应用。将磁悬浮技术引入振动测量领域实现一种全新的振动测量方法，是测量理论和测量实际应用的创新，它属于交叉科学研究中一项新的成果。对振动测量方法的运行机理进行深入的探讨和研究，从而获知该测量方法与其他方法的不同点和优越性，挖掘其理论和技术优势，进一步开发和拓展其应用领域，具有重要的意义。
1.1 振动测量的目的和意义
振动是自然界广泛存在的一种物理现象，在生产和日常生活中，既有有利的一面，也有有害的一面。例如，房屋、桥梁、航空航天器上的振动，船舶的振动和摆动，精密仪器工作时的振动，机床加工过程中的振动及交通工具载体上的振动等是有害的，会影响设备正常的工作状态，甚至会造成破坏或产生故障，振动产生的噪声还会对环境造成影响等；利用振动实现传输、研磨和选矿等却是有利的。不论是利用振动的正效应，还是抑制振动的负效应，都要对不同条件下的振动性质进行评价和测量。因此，研究振动测量的方法层出不穷。新材料、新技术的出现及交叉科学的不断深入研究等都对振动的测量方式和方法带来了全新的理念和要求。
人类对于地震、海底振动，甚至月球上的振动测量均进行了不懈的探讨和研究，在振动测量领域取得了辉煌的成就。图1.1(a) 是我国汉代科学家张衡设计的用于测量发生地震方向的振动测量设备(复原模型)；图1.1(b) 是海底振动测量设备；图1.1(c)为人类登陆月球后测量月球振动的照片。
在现代振动测量中，基于惯性原理的绝对式振动测量传感器内部的质量块是通过弹簧类部件与仪器箱体相连接，工作时仪器与被测物体紧密地固定在一起。当被测物体振动时测量仪器随之振动，仪器内部弹性连接的惯性质量块与仪器壳体之间产生相对位移，通过测量仪器壳体与惯性质量块之间的相对位移、速度或加速度即可实现振动的测量。磁悬浮振动测量方法利用惯性式测量原理，在结构上的*大特点是以磁性体取代绝对式振动测量中的质量块，结构中没有弹性支撑元件，一般也无需油、水一类的阻尼介质。
(a) 地动仪(复原模型) (b) 海底振动测量 (c) 月球振动测量
图1.1 振动测量设备
磁悬浮技术是当今科学技术迅猛发展的一条重要分支。目前磁悬浮技术正在向许多领域拓展及应用，取得了极大的进展，显示了*有的巨大威力。理论和实验研究证明，将磁悬浮技术应用于振动测量，可以解决传统方法不能或很难实现的一些振动测量，具有极好的应用前景。同时也为传统的绝对式振动测量传感器的性能改进和结构创新提供了一条新的思路，为磁悬浮技术的进一步应用拓展了新的空间。
1.2 传统振动测量方法发展概况
振动测量可分为相对式振动测量和绝对式振动测量。相对式振动测量中振动测量设备固定不动，即测量时存在不动的参考点，只有被测振动体产生振动，而振动测量设备不动。例如流水线部件的振动，可以将振动测量设备固定安装于工件的附近，利用机械、光学、涡流、超声波等设备对流水线上的物体振动进行测量，其输出量可以是振动的位移或速度等信号。一般相对式振动测量设备的结构较为简单，容易实现。相对式振动测量传感器有磁电式传感器、电涡流式传感器、压电式传感器、电感式传感器、电容式传感器等。
很多传统的相对式振动传感器为接触工作方式，其工作原理是将被测振动引入测量设备。在现代振动测量应用中，基本原理仍为传统方式，但测量的结构和所用材料等都进行了一定的创新，实现相对式振动测量[1]。
现代相对式振动测量中往往结合了当代*新技术。例如在斜拉索索力检测中用激光测振仪实现对斜拉索索力变化的检测，其原理是利用激光多普勒效应实现振动的检测，设计的测量系统的测量精度较高[2] 。若使用三台振动测量设备，也可以实现相对式三维振动测量[3] 。
与相对式振动测量相比较，绝对式振动测量难度更大。绝对式振动测量也称惯性式振动测量，其工作原理是利用物体的惯性实现振动测量。许多科学家、学者对传统的绝对式振动测量方法进行改进和应用扩展，在绝对式振动测量原理的基础上，将新材料、新技术引入振动测量中，取得了丰硕的成果，特别是交叉学科的融合等，大大拓展了振动测量的原理和应用领域。传统绝对式振动测量有电涡流式、压电式、电容式、磁电式、磁致伸缩式等方法。
1) 电涡流式
采用电涡流传感器工作原理可以实现绝对式振动测量，见图1.2。
图1.2 电涡流传感器工作原理
图1.2 中，线圈电流i1 产生磁场强度H1 ，根据电磁感应原理在导体材料上产生涡旋电流i2 ，并产生磁场强度H2 ，H2 方向与H1 方向相反，线圈上产生相反的感应电流。不同的位移量x 产生的感应电流大小也不相同。可对电涡流传感器探头按照不同的方法进行安装，以减小因测量原理所产生的测量误差[4] 。在设计电涡流传感器时，需要利用不同的位置关系使其具有统一的线性输出[5] 。电涡流传感器具有非接触、无摩擦等特点，可直接输出振动的位移信号、非接触测量、寿命长、响应频率高，但线性范围小且不耐高压、温度稳定性差。
2) 压电式压电式振动测量是利用材料的压电效应实现振动测量。压电敏感元件及压电传感器实物图见图1.3。
由图1.3 可见，压电传感器结构由惯性质量块、压电敏感元件、弹簧、壳体和基座构成。利用物体的惯性原理，在被测体有加速度时传感器内部的惯性质量块在压电敏感元件上产生压力，压电敏感元件具有压电效应，输出电信号实现加速度测量。压电式振动测量系统中一般含有电荷放大器电路，压电式振动测量系统可以测量振动的加速度，有广泛的应用领域。如应用于压路机的振动测量等，能够准确地将压实操作过程中土壤特性的规律变化反映出来[6] 。压电传感器输出的电荷或电压与加速度成正比，可以检测较宽幅度的振动信号检测以及较高频率的振动信号。该传感器结构简单、测量灵敏度高、测量设备信噪比高。但压电传感器不易测量位移变化信号、弹簧刚度大时固有频率高、易受环境温度影响、一般采用的电荷放大器不易实现较低频率振动信号的测量。由于输出的是加速度信号，压电传感器不易于实现速度信号和位移信号的准确测量，且横向效应影响比较大，对于绝缘要求比较高等。
图1.3 压电传感器结构及实物图
3) 电容式
利用电容原理通过一定的结构设计可实现二维加速度测量[7] ，其工作原理见图1.4。
图1.4 电容式二维加速度传感器原理
电容式二维加速度传感器由一个上电极和四个方向的下电极构成。上电极同时起到质量块的作用，由四个弹簧固定。当有加速度存在时，由于质量块存在惯性，在弹簧拉动下将产生相对运动，从而改变了上下电极之间的面积，亦改变了电容数值。该加速度测量方法可以实现二维加速度测量，但不能实现三维加速度测量。由于弹簧的作用，质量块的运动受到一定程度的影响。此外，也有使两极板的相对位置发生变化的电容式振动测量，将加速度振动信号变成电容的变化，以实现振动测量。被测振动信号由两个电容的差值决定，差值设计方法大幅度降低了测量过程中的噪声[8] ，也可把电容传感器引入微机电系统(micro-electro-mechanical system， MEMS)加工工艺中[9]，如检测加工中印刷线路板(printed circuit board， PCB)和MEMS 的振动以及静电力引起的振动。在利用电容实现振动测量中，一般传感电容的变化量比较小，往往是微法或几十微法数量级，测量方法主要有电荷转移法和交流法。这些方法是通过激励信号对电容进行充放电，通过电子电路得到的电流或电压与被测电容成比例，该测量方法的脉动噪声大，需要采用滤波器或相位补偿电路，因此电路结构相对复杂，成本高。电容绝对式振动测量的优点是可以直接输出与被测振动位移成比例的电压信号、输入不需要很大的能量、频率响应范围宽、能量损耗比较小、有较大的相对参量变化、结构简单。缺点是电容的绝对变化量比较小、输出信号与位移信号呈非线性关系、脉动噪声大，需要采用滤波器或相位补偿电路。也有采用电感式测量原理实现振动的测量，虽然电感式传感器具有灵敏度高、线性范围大、非接触、输出功率大等优点。但传统电感式传感器一般其被测金属的高频损耗较大，频率响应范围窄，不适于快速动态测量。
4) 磁电式
目前，国内使用较多的是磁电式振动测量。多方向宽频磁电式振动器可以实现x-z 平面内多方向宽频的振动能量检测[10，11] ，实验模型见图1.5。其原理是在两块永磁体中间设置磁电转换器，层合方式采用上下两层磁致伸缩层加上中间压电层组成，当外界产生x-z 平面的振动时，和永磁体产生相对运动，磁电转换器内磁场强度发生变化，磁致伸缩层发生形变，进而压电层产生输出电压。这种设计也存在一定的缺陷，响应频带宽度只能达到4.4~5.6Hz 。
图1.5 多方向宽频磁电式振动器
5) 磁致伸缩式
磁致伸缩位移传感器内含一根波导管，由磁致伸缩材料作为敏感元器件。其原理是通过两个不同磁场相交产生一个应变脉冲信号实现位移测量，电子室内产生的电流脉冲在波导管内进行传播，波导管外产生一个圆周磁场，当遇到活动磁环时将产生磁场相交，在波导管内产生应变的以声音速度传播的机械波脉冲信号，该信号被电子室检测。通过机械波脉冲传递的时间计算得到位移量。磁致伸缩位移传感器外形见图1.6。
图1.6 磁致伸缩位移传感器外形
利用磁致伸缩原理可构成绝对振动测量。例如，利用光的波导技术，通过光学编码实现对磁致伸缩长度变化的精确测量[12]。磁致伸缩的优点是可实现非接触测量、频率响应范围宽、可实现较低振动频率的测量、精度高、测量量程宽等。缺点是需要大电流周期信号电路设计、需要微小信号的噪声处理电路等。
*新测量方法的出现使振动测量方法获得了长足的进步，如光纤、光栅实现绝对式振动测量。以光折变晶体硅酸铋为记录介质，基于反射式全息光栅零差干涉原理构成振动测量系统。测量灵敏度高于透射式全息光栅振动测量系统[13] 。可利用光纤、光栅构成的传感器实现电动机叶片振动测量，以及通过光纤振动传感器测量钢桥的振动[14] 。光纤振动传感器可以抗电磁干扰，灵敏度高，测量精度高，频率响应范围宽，可实现微小振动信号的精密测量，可适用于任何形状的振动测量场合，可应用于高温和高压等恶劣环境，使用光纤材料易于实现遥测。激光的发射能力强，能量高度集中，光源质量好，方向性好，激光发射后发散角非常小，单色性好，相干性好，测量精度高，一般用于精密测量领域。不足之处是需要特殊的光纤材料，需要干涉仪等设备成本较高，安装调试比较困难，体积较大且价格昂贵，不适于在普通振动测量中应用。特别是在绝对式振动测量中仪器设备要安装于振动物体之上，且振动一般具有一定的幅值，安装具有一定的困难。
基于电荷耦合器件(charge coupled device， CCD)技术的绝对振动测量可实现非接触测量，线性度好，分辨率高，测量精度高；缺点是需要数字处理电路，测量速度受到影响，成本高。随着技术的不断进步，振动测量向智能化的方向发展。采用新的测量算法对传感器进行改进，对振动传感器进行补偿等。
纵观上述国内外研究现状和趋势，可以看到，绝对式振动测量技术及设备，如电涡流传感器、压电传感器、电容传感器、光纤振动传感器、磁致伸缩传感器和CCD 传感器等以其特有的性能在不同的工程技术领域中得到了广泛应用。但是，这些传感器由于结构和材料的局限，在运行性能上受到了一定的限制，不能
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