【正文】 ，并且測量時溫度需恒定，所以在氧化鋯管的外圍裝有加熱電阻絲，管內部還裝有熱電偶，用來檢測管內溫度，并通過溫度控制器調整加熱絲電流的大小，使氧化鋯的溫度恒定。 圖 15－ 70 氧化鋯氧氣傳感器探頭的結構示意圖 恒電位電解式氣體傳感器 恒電位電解式氣體傳感器 是一種 濕式氣體傳感器 ， 它 通過測定氣體在某個確定電位電解時所產(chǎn)生的電流 來 測量氣體濃度 。 恒電位電解式氣體傳感器的原理是：使電極與電解質溶液的界面保持一定電位進行電解，由于電解質內的工作電極與氣體進行選擇性的氧化或還原反應時，在對比電極上發(fā)生還原或氧化反應，使電極的設定電位發(fā)生變化，從而能檢測氣體濃度，傳感器的輸出是一個正比于氣體濃度的線性電位差。對特定氣體來說，設定電位由其固有的氧化還原電位決定，同時還隨電解時作用電極的材質、電解 ?nFAD CI ?（ 15－ 76） 式中 :I——電解電流； n——每 1 mol氣體產(chǎn)生的電子數(shù)； F——法拉第常數(shù)； A——氣體擴散面積； D——擴散系數(shù)； C——電解質溶液中電解的氣體濃度； δ——擴散層的厚度。 圖 15－ 71 恒電位電解式氣體傳感器的基本構造 在容器內的相對兩壁安置作用電極和對比電極，其內充滿電解質溶液，容器構成一密封結構。再在作用電極和對比電極之間加以恒定電位差而構成恒壓電路。 透過隔膜（多孔聚四氟乙烯膜）的 CO氣體，在作用電極上被氧化，而在對比電極上 O2被還原，于是 CO被氧化而形成 CO2。式（ 15－ 77） ~式（ 15－ 79）為氣體與電極之間的氧化還原反應方程式。 2e2HCOOHCO 22 ???? ?氧化反應 還原反應 OH2e2HO21 22 ??? ?（ 15－ 77） （ 15－ 78） 總反應方程 22 COO21 ??（ 15－ 79） 在這種情況下 ， CO分子被電解 ， 通過測量作用電極與對比電極之間流過的電流 ， 即可得到 CO的濃度 。 利用這種原理制造的傳感器體積小、重量輕且具有極高的靈敏度，在低濃度下線性度較好。 恒電位電解式氣體傳感器可用于檢測各種可燃性氣體和有毒氣體，如 H2S、 NO、 NO SO HCl、 Cl PH3等 。 伽伐尼電池式氣體傳感器 伽伐尼電池式氣體傳感器 與上述恒電位電解式傳感器一樣 ， 通過測量電解電流來檢測氣體濃度 ， 但 由于傳感器本身就是電池 ， 因此不需要由外界施加電壓 。 這種傳感器主要 用于 O2的檢測 ， 檢測缺氧的儀器幾乎都使用這種傳感器 ，它還可以測定可燃性氣體和毒性氣體 。 伽伐尼電池式氣體傳感器的電解電流與氣體濃度的關系 ， 與恒電位電解式氣體傳感器的計算公式 （ 15－ 76） 相同 。 下面以 O2檢測為例來說明這種傳感器的構造和原理，其基本結構如圖 15－72所示。 圖 15－ 72 迦伐尼電池式氣體傳感器的構造 在塑料容器內安置厚 10～ 30μ m的透氧性好的 PTFE （聚四氟乙烯）隔膜，靠近該膜的內面設置工作電極 (鉑、金、銀等 )，在容器中其他內壁或容器內空間設置對比電極 (電極用鉛、鎘等離子化傾向大的賤金屬 ) KOH、KHCO3作為電解質溶液。檢測較高濃度（ 1～ 100%）氣體時，隔膜使用普通的PTFE（聚四氟乙烯）膜；而檢測低濃度 (數(shù) ppm～數(shù)百 ppm)氣體時，則用多孔質聚四氟乙烯膜。氧氣通過隔膜溶解于隔膜與工作電極之間的電解質溶液的薄層中，當此傳感器的輸出端接上具有一定電阻的負載電路時，在工作電極上發(fā)生氧氣的還原反應，在對比電極上進行氧化反應，傳感器的反應方程式如式（ 15－ 80） ~式（ 15－ 83 還原反應 ???? 4OH4eOHO 22（ 15－ 80） 氧化反應 4e2Pb2Pb 2 ?? ?（ 15－ 81） 22 ）OH（2Pb4O H ?? ??（ 15－ 82） 總反應方程 222）2Pb(OHO2H2PbO ???（ 15－ 83） 對比電極的鉛被氧化成氫氧化鉛 (一部分進而被氧化成氧化鉛 )而消耗，因此，負載電路中有電流流動，該電解電流與氧氣濃度成比例關系。此電流在負0~100%范圍內氧氣濃度與端電壓成線性關系。 振動測量 振動概述 機械振動是自然界 、 工程技術和日常生活中普遍存在的物理現(xiàn)象 ， 任何一臺運行著的機器 、 儀器和設備都存在著振動現(xiàn)象 。 通常情況下，振動是有害的，它不僅影響機器、設備的正常工作，而且會降低設備的使用壽命，甚至導致機器破壞。強烈的振動噪聲會對人的生理健康產(chǎn)生影響，甚至會危及人的生命。在一些情況下，振動也被作為有用的物理現(xiàn)象用在某些工程領域中，如鐘表、振動篩、振動攪拌器、輸送物料的振動輸?shù)V槽、振動夯實機、超聲波清洗設備等。因此，除了有目的地利用振動原理工作的機器和設備外，對其他種類的機器設備均應將它們的振動量控制在允許的范圍之內。 振動測試的目的如下： ? ① 檢查機器運轉時的振動特性 ， 檢驗產(chǎn)品質量 ， 為設計提供依據(jù)； ? ② 考核機器設備承受振動和沖擊的能力 ， 并對系統(tǒng)的動態(tài)響應特性 (動剛度 、 機械阻抗等 )進行測試； ? ③ 分析查明振動產(chǎn)生的原因 ， 尋找振源 ， 為減振和隔振措施提供資料； ? ④對工作機器進行故障監(jiān)控，避免重大事故發(fā)生。 表 15－ 10 振動測量方法的比較 名稱 原理 優(yōu)缺點及用途 機械法 利用杠桿傳動或慣性原理接進行振動測量 使用簡單，抗干擾能力強，頻率范圍和動態(tài)線性范圍窄，測試時會給工件加上一定的負荷，影響測試結果。主要用于低頻大振幅振動及扭振的測量 光學法 利用光杠桿原理、讀數(shù)顯微鏡、光波干涉原理、激光多普勒效應等進行測量 不受電磁聲干擾，測量精確度高。適于對質量小及不易安裝傳感器的試件做非接觸測量，在精密測量和傳感、測振儀標定中用得較多 電測法 將被測試件的振動量轉換成電量，然后用電量測試儀器進行測量 靈敏度高，頻率范圍及線性范圍寬，便于 分析和遙測，但易受電磁聲干擾。這是目前廣泛采用的方法 圖 15－ 73 振動測量系統(tǒng)結構框圖 ? (1)被測對象 亦稱試驗模型 ， 它是承受動載荷和動力的結構或機器 。 ? (2)激勵裝置 由信號源 、 功放和激振器組成 ， 用于對被測結構或機器施加某種形式的激勵 ， 以獲取被測結構對激勵的響應 。 對于運行中的機器設備的振動測量來說 ， 這一環(huán)節(jié)是沒有的 ， 此時 ， 機器設備直接從外部得到振動的激勵 。 ? (3)傳感與測量裝置 由測振傳感器及其關聯(lián)的測量和中間變換電路組成，用于將被測振動信號轉換為電信號。 ? (4)振動分析裝置 它的作用是對振動信號作進一步的分析與處理 ， 以獲取所需的測量結果 。 ? (5)顯示及記錄裝置 用于將最終的振動測試結果以數(shù)據(jù)或圖表的形式進行記錄或顯示。這方面的儀器包括幅值相位檢測儀器、電子示波器、 x－ y函數(shù)記錄儀、數(shù)字繪圖儀、打印機以及計算機磁盤驅動器等。 測振傳感器 當一個鐵磁材料被磁化時，元磁體 (分子磁體 )極化方向的改變將會引起其(Magostriction) 。這種長度的相對變化 dl/l在飽和磁化時其值約為 106~105。如果施加的是一種交變的磁場，那么這種現(xiàn)象便會導致一種周期性的形狀改變和機械振動。在變壓器中這一效應會產(chǎn)生交流噪聲，而這一效應也可被用來作為 磁致伸縮轉換器 ，用以產(chǎn)生超聲波。 磁致伸縮現(xiàn)象的逆效應稱為磁彈性效應，即鐵磁材料在受拉或壓應力作用時會改變其磁化強度，利用此效應可制造磁彈性振動傳感器。圖 15－ 74所示為一種磁致伸縮式聲傳感器。其中探測器的芯是由一塊鐵氧體或由一疊鐵磁性鐵片組成，芯子中間繞制有一線圈，當芯子上作用一交變壓力時，它的磁通密度改變，從而在其周圍的線圈中感應出交變電壓來。 圖 15－ 74 磁致伸縮式聲傳感器 用這種傳感器可測量液體中的聲壓或超聲波聲壓。傳感器的靈敏度取決于聲音的頻率，振動頻率為 1kHz時約為 1μ V/Pa。這種傳感器經(jīng)設計可在高溫條件下工作，比如在 1000℃ 的高溫介質中仍能可靠工作。 激光干涉法可用于振動測量。圖 15－ 75為一種麥克爾遜干涉儀的裝置原理圖。 圖 15－ 75 麥克爾遜干涉儀原理圖 由圖可見，激光光束經(jīng)一分光鏡后被分成兩束各為 50%光能的光束，分別導到兩反射鏡上。兩束光被反射后返回到分光鏡，每束光的一部分穿過光闌到達光電檢測器。由于光程差的關系，兩束光在檢測器中發(fā)生干涉，從而產(chǎn)生明暗交替的干涉條紋。當圖中的可移動反光鏡移動一距離 δ 時，光束的光程則增加 2δ ，那么在光電檢測器中所產(chǎn)生的暗條紋數(shù)則等于在該路程改變中的波長數(shù)N，于是有： ?? N?2(15－ 84) 從上式即可確定移動的距離 δ 。這種方法的分辨率可達一個條紋的 1/100，因此干涉法一般用于測量量級很小 (約為 105mm)的位移。如果將該移動反射鏡連接到一個振動表面，則反射回來的光束與起始的分光光束結合，在光電檢測器中便可看到明暗交替的干涉條紋，每單位時間里的條紋數(shù)便代表了振動表面的振動速度。這種裝置的工作距離一般為 1m。由于這是一種非接觸式的速度傳感器，因此它不影響被測體的結構。這種傳感器的典型應用有： ①內燃機進氣管道熱表面的速度監(jiān)測； ②振動膜片的速度監(jiān)測； ③旋轉機械轉軸的軌道分析； ④不能連接地震式傳感器的機器零件的速度檢測。 激振器 脈沖錘又稱沖擊錘或力錘，用來在振動試驗中給被測對象施加一局部的沖擊激勵。圖 15－ 76為一種常用的脈沖錘的結構示意圖。它是由錘頭、錘頭墊、力傳感器、錘體、配重塊和錘柄等組成的。錘頭和錘頭墊用來沖擊被測試件。 圖 15－ 76 脈沖錘結構 脈沖錘實際上是一種手持式?jīng)_擊激勵裝置。力錘的錘頭墊可采用不同的材料，以獲得具有不同沖擊時間的沖擊脈沖信號。這種敲擊力并非是理想的脈沖δ(t)函數(shù)，而是如圖 15－ 77所示的近似半正弦波，其有效頻率范圍取決于脈沖持續(xù)時間 τ。持續(xù)時間 τ與錘頭墊材料有關，錘頭墊越硬 ,τ越小，頻率范圍越寬。選用適當?shù)腻N頭墊材料可以得到所要求的頻帶寬度。改變錘頭配重塊的質量和敲擊加速度，可調節(jié)激振力的大小。在使用脈沖錘時應根據(jù)不同的結構和分析的頻帶來選擇不同的錘頭墊材料。 圖 15－ 77 半正弦波及其頻譜 電動力式激振器 又稱磁電式激振器 ， 其工作原理與電動力式揚聲器相同 ， 主要是利用帶電導體在磁場中受電磁力作用這一物理現(xiàn)象工作的 。 電動力式激振器按其磁場形成的方式分為永磁式和勵磁式兩種 ， 前者一般用于小型的激振器 ， 后者多用于較大型的激振臺 。 電動力式激振器結構如圖 15－ 78所示。電動力式激振器是由永磁鐵、激勵線圈 (動圈 )、芯桿與頂桿組合體以及簧片組組成的。動圈產(chǎn)生的激振力經(jīng)芯桿和頂桿組件傳給被試驗物體。采用做成拱形的彈簧片組來支撐傳感器中的運動部分。彈簧片組具有很低的彈簧剛度，并能在試件與頂桿之間保持一定的預壓力，防止它們在振動時發(fā)生脫離。激振力的幅值與頻率由輸入電流的強度和頻率所控制。 圖 15－ 78 電動力式激振器 頂桿與試件的連接一般可用螺釘、螺母來直接連接，也可采用預壓力使頂桿與試件相頂緊。直接連接法要求在試件上打孔和制作螺釘孔，從而破壞試件。而預壓力法不損傷試件，安裝較為方便，但安裝前需要首先估計預壓力對試件振動的影響。在保證頂桿與試件在振動中不發(fā)生脫離的前提下，預壓力應該越小越好。最小的預壓力可由下式來估計： maF ?m in(15－ 85) 式中： m——激振器可動部分質量，單位為 kg； a——激振器加速度峰值，單位為 m/s2。 激振器安裝的原則是盡可能使激振器的能量全部施加到被試驗物體上。圖 15－79示出了幾種激振器的安裝方式。圖 15－ 79(a)中的激振器剛性地安裝在地面上或剛性很好的架子上，這種情況下，安裝體的固有頻率要高于激振頻率 3倍以上。圖 15－79(b)采用激振器彈性懸掛的方式，通常使用軟彈簧來實現(xiàn)，有時加上必要的配重，以降低懸掛系統(tǒng)的固有頻率，從而獲得較高的激振頻率。圖 15－ 79(c)為懸掛式水平激振的情形，這種情況下，為能對試件產(chǎn)生一定的預壓力，懸掛時常要傾斜一定的角度。激振器對試件的激振點處會產(chǎn)生附加的質量、剛度和阻尼，這些點將對試件的振動特性產(chǎn)生影響，尤其對質量小、剛度低的試件影響尤為顯著。另外，作振型試驗時，如將激振點選在節(jié)點附近固然可以減少上述影響，但同時也減少了能量的輸入，反而不容易激起該階振型。因此，只能在兩者之間選擇折中的方案，必要時甚至可以采用非接觸激振器。 圖 15－ 79 激振器的安裝方式 機械式和電動力式激振器的一個共同缺點是承載能力和頻率較小。與此相反， 液壓式激振臺 的振動力可達數(shù)千牛頓以上，承載質量能力以噸計。液壓式激振臺的工作介質主要是油，主要用在建筑物的抗震試驗、飛行器的動力學試驗以及汽車的動態(tài)模擬試驗等方面。 液壓式激振臺的工作原理如圖 15－ 80