振動傳感器詳解

振動是自然界最普遍的現(xiàn)象之一，大至宇宙小至原子粒子，無不存在振動現(xiàn)象。在工程技術(shù)領(lǐng)域中振動現(xiàn)象比比皆是，但在很多情況下振動是有害的，例如：振動降低加工精度和光潔度，加劇結(jié)構(gòu)件的疲勞和磨損，在車輛和航空領(lǐng)域中機體及結(jié)構(gòu)件的振動不但會影響駕駛員的操作和舒適度，嚴重情況下還會引起機體、結(jié)構(gòu)件的斷裂甚至解體。

振動傳感器是用于檢測沖擊力或者加速度的傳感器 ，通常使用的是加上應(yīng)力就會產(chǎn)生電荷的壓電器件，也有采用別的材料和方法可以進行檢測的傳感器。

振動傳感器可用于機械中的振動和位移、轉(zhuǎn)子與機殼的熱膨脹量的長期監(jiān)測；生產(chǎn)線的在線自動檢測和自動控制；科學研究中的多種微小距離和微小運動的測量等。振動傳感器廣泛應(yīng)用于能源、化工、醫(yī)學、汽車、冶金，機器制造，軍工，科研教學等諸多領(lǐng)域。

振動傳感器測量振動的方式很多，但總結(jié)起來，原理大多都采用以下三種：

機械式測量方法：將工程振動的變化量轉(zhuǎn)換成機械信號，再經(jīng)機械系統(tǒng)放大后，進行測量、記錄，常用的儀器有杠桿式測振儀和蓋格爾測振儀，這種方法測量頻率較，精度差，但操作起來很方便。

光學式測量方法：將工程振動的變化量轉(zhuǎn)換為光學信號，經(jīng)光學系統(tǒng)放大后顯示和記錄。象激光測振儀就是采用這種方法。

電測方法：將工程振動的變化量轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)線路放大后顯示和記錄。它是先將機械振動量轉(zhuǎn)化成電量，然后對其進行測量，根據(jù)對應(yīng)關(guān)系，知道振動量的大小，這是目前應(yīng)用得最廣泛的震動測量方法。

從上面三種測量方法可以看出，它們都是經(jīng)過振動傳感器、信號放大電路和顯示記錄三個環(huán)節(jié)來完成的。

振動傳感器的分類

振動傳感器在機械接收原理方面，只有相對式、慣性式兩種，但在機電變換方面，由于變換方法和性質(zhì)不同，其種類繁多，應(yīng)用范圍也極其廣泛。在現(xiàn)代振動測量中所用的傳感器，已不是傳統(tǒng)概念上獨立的機械測量裝置，它僅是整個測量系統(tǒng)中的一個環(huán)節(jié)，且與后續(xù)的電子線路緊密相關(guān)。

由于傳感器內(nèi)部機電變換原理的不同，輸出的電量也各不相同。有的是將機械量的變化變換為電動勢、電荷的變化，有的是將機械振動量的變化變換為電阻 、電感等參量的變化。

一般說來，這些電量 并不能直接被后續(xù)的顯示、記錄、分析儀器所接受。因此針對不同機電變換原理的傳感器，必須附以專配的測量線路。測量線路的作用是將傳感器的輸出電量 最后變?yōu)楹罄m(xù)顯示、分析儀器所能接受的一般電壓信號。

一般情況下，振動傳感器按其功能不同可以有以下幾種幾種分法：

按機械接收原理分為相對式、慣性式；

按機電變換原理分為電動式、壓電式、電渦流式、電感式、電容式、電阻式、光電式；

按所測機械量分為位移傳感器、速度傳感器、加速度傳感器。

相對式和慣性式振動傳感器

相對式振動傳感器主要用于測量振動體相對其振動參照點的運動（例如機床轉(zhuǎn)軸相對于機床底座的振動等）；

慣性式振動傳感器主要用于測量振動體相對于大地或慣性空間的運動（例如機床底座的振動、地面的振動、天空中飛機的振動等）。絕對式測振傳感器因為內(nèi)部包含慣性質(zhì)量塊，故又稱為慣性式測振傳感器。

慣性式式振動傳感器必須與被測振動體接觸安裝，相對式傳感器可以是接觸式，亦可以是非接觸式的。

電動式振動傳感器

電動式振動傳感器又分為相對式電動傳感器和慣性式電動電動傳感器

相對式電動傳感器基于電磁感應(yīng)原理，即當運動的導(dǎo)體在固定的磁場里切割磁力線時，導(dǎo)體兩端就感生出電動勢，因此利用這一原理而生產(chǎn)的傳感器稱為電動式傳感器。

慣性式電動傳感器由固定部分、可動部分以及支承彈簧部分所組成。為了使傳感器工作在位移傳感器狀態(tài)，其可動部分的質(zhì)量應(yīng)該足夠的大，而支承彈簧的剛度應(yīng)該足夠的小，也就是讓傳感器具有足夠低的固有頻率。

根據(jù)電磁感應(yīng)定律，感應(yīng)電動勢為：u=BLX&r式中B為磁通密度，為線圈在磁場內(nèi)的有效長度， r x&為線圈在磁場中的相對速度。

從傳感器的結(jié)構(gòu)上來說，慣性式電動傳感器是一個位移傳感器。然而由于其輸出的電信號是由電磁感應(yīng)產(chǎn)生，根據(jù)電磁感應(yīng)電律，當線圈在磁場中作相對運動時，所感生的電動勢與線圈切割磁力線的速度成正比。

壓電式振動傳感器

壓電式振動傳感器還可以分為壓電式加速度傳感器、壓電式力傳感器和阻抗頭

壓電式加速度傳感器

壓電式加速度傳感器的機械接收部分是慣性式加速度機械接收原理，機電部分利用的是壓電晶體的正壓電效應(yīng)。其原理是某些晶體（如人工極化陶瓷、壓電石英晶體等，不同的壓電材料具有不同的壓電系數(shù)，一般都可以在壓電材料性能表中查到。）

在一定方向的外力作用下或承受變形時，它的晶體面或極化面上將有電荷產(chǎn)生，這種從機械能（力，變形）到電能（電荷，電場）的變換稱為正壓電效應(yīng)。而從電能（電場，電壓）到機械能（變形，力）的變換稱為逆壓電效應(yīng)。

因此利用晶體的壓電效應(yīng)，可以制成測力傳感器，在振動測量中，由于壓電晶體所受的力是慣性質(zhì)量塊的牽連慣性力，所產(chǎn)生的電荷數(shù)與加速度大小成正比，所以壓電式傳感器是加速度傳感器。

壓電式力傳感器

在振動試驗中，除了測量振動，還經(jīng)常需要測量對試件施加的動態(tài)激振力。壓電式力傳感器具有頻率范圍寬、動態(tài)范圍大、體積小和重量輕等優(yōu)點，因而獲得廣泛應(yīng)用。壓電式力傳感器的工作原理是利用壓電晶體的壓電效應(yīng)，即壓電式力傳感器的輸出電荷信號與外力成正比。

阻抗頭

阻抗頭是一種綜合性傳感器。它集壓電式力傳感器和壓電式加速度傳感器于一體，其作用是在力傳遞點測量激振力的同時測量該點的運動響應(yīng)。

因此阻抗頭由兩部分組成，一部分是力傳感器，另一部分是加速度傳感器，它的優(yōu)點是，保證測量點的響應(yīng)就是激振點的響應(yīng)。

使用時將小頭（測力端）連向結(jié)構(gòu)，大頭（測量加速度）與激振器的施力桿相連。從“力信號輸出端”測量激振力的信號，從“加速度信號輸出端”測量加速度的響應(yīng)信號。

注意，阻抗頭一般只能承受輕載荷，因而只可以用于輕型的結(jié)構(gòu)、機械部件以及材料試樣的測量。無論是力傳感器還是阻抗頭，其信號轉(zhuǎn)換元件都是壓電晶體，因而其測量線路均應(yīng)是電壓放大器或電荷放大器。

電渦流式振動傳感器

電渦流振動傳感器是一種相對式非接觸式傳感器，它是通過傳感器端部與被測物體之間的距離變化來測量物體的振動位移或幅值的。

電渦流傳感器具有頻率范圍寬（0～10 kHZ），線性工作范圍大、靈敏度高以及非接觸式測量等優(yōu)點，主要應(yīng)用于靜位移的測量、振動位移的測量、旋轉(zhuǎn)機械中監(jiān)測轉(zhuǎn)軸的振動測量。

電感式振動傳感器

電感式振動傳感器是依據(jù)電磁感應(yīng)原理設(shè)計的一種振動傳感器。電感式振動傳感器設(shè)置有磁鐵和導(dǎo)磁體，對物體進行振動測量時，能將機械振動參數(shù)轉(zhuǎn)化為電參量信號。因此，電感傳感器有二種形式，一是可變間隙，二是可變導(dǎo)磁面積。電感式振動傳感器能應(yīng)用于振動速度、加速度等參數(shù)的測量。

電容式振動傳感器

電容式振動傳感器是通過間隙或公共面積的改變來獲得可變電容，再對電容量進行測定而后得到機械振動參數(shù)的。電容式振動傳感器可以分為可變間隙式和可變公共面積式兩種，前者可以用來測量直線振動位移，后者可用于扭轉(zhuǎn)振動的角位移測定。

電阻應(yīng)變式振動傳感器

電阻式應(yīng)變式振動傳感器是將被測的機械振動量轉(zhuǎn)換成傳感元件電阻的變化量。實現(xiàn)這種機電轉(zhuǎn)換的傳感元件有多種形式，其中最常見的是電阻應(yīng)變式片。

電阻應(yīng)變片的基本構(gòu)造如圖，它一般由敏感柵、基底、引線、蓋片等組成。敏感柵由直徑為0.01-0.05mm、高電阻系數(shù)的細絲彎曲而成柵狀，它實際上是一個電阻元件，是電阻應(yīng)變片感受構(gòu)件應(yīng)變的敏感部分。敏感柵用粘合劑將其固定在基底上?；椎淖饔脩?yīng)保證將構(gòu)件上應(yīng)變準確地傳遞到敏感柵上去。

當試件受力變形時，應(yīng)變片的敏感柵也獲得同樣的變形，從而使其電阻隨之發(fā)生變化，而此電阻變化是與試件應(yīng)變成比例的，因此如果通過一定測量線路將這種電阻變化轉(zhuǎn)換為電壓或電流變化，然后再用顯示記錄儀表將其顯示記錄下來，就能知道被測試件應(yīng)變量的大小。

光纖振動傳感器

隨著光纖和光電子器件技術(shù)研究的不斷深入，光纖傳感技術(shù)得到了突飛猛進的發(fā)展。由于光纖傳感器的體積小、質(zhì)量輕、精度高、響應(yīng)快、動態(tài)范圍寬、響應(yīng)快等優(yōu)點，并且它具有良好的抗電磁干擾、耐腐蝕性和不導(dǎo)電性，所以在很多領(lǐng)域都應(yīng)用廣泛。

光纖振動傳感器的出現(xiàn)已有30來年的歷史，它是測量振動信號的。最初的光纖振動傳感器是采用干涉式的結(jié)構(gòu)，利用振動產(chǎn)生的光纖應(yīng)變導(dǎo)致干涉儀信號臂的相位發(fā)生變化，但這種傳感器結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，不利于重復(fù)用。

相位調(diào)制型光纖振動傳感器

位調(diào)制型光纖振動傳感器運用一個相干激光光源和兩個單模光纖。光線被分束后入射到光纖。如果干擾影響兩根相關(guān)光纖的其中一根、就會引起位相差，這個位相差可精確地檢測出。位相差可用干涉儀測量。有四種干涉儀結(jié)構(gòu)。它們包括：馬赫—澤德爾、邁克爾遜、法布里—帕羅和賽格納克干涉儀。

下面是基于光纖Sagnac干涉原理。A和B是干涉儀的兩個傳感臂，起到傳輸光的作用。C是一段被繞成圓環(huán)狀的光纖，是用來接收或感應(yīng)外接信息的變化，22光纖3dB耦合器被用來分解和合成干涉光束。

注入的光經(jīng)過耦合器被分為兩束，一束光由A到C再到B，最后傳回到耦合器中；另一束由B到C再到A，最后傳回到耦合器中，兩束光相遇產(chǎn)生干涉。

光纖Sagnac干涉振動傳感器，是以光學Sagnac干涉儀為基礎(chǔ)，利用單模光纖和3dB耦合器構(gòu)成。該傳感器能夠探測微弱振動，當信號在固體中傳播并作用于傳感器的敏感元件時，傳感器的輸出光強度受到了信號的調(diào)制。通過檢測輸出光強度，并利用Fourier變換，獲得信號的頻率特征。

光強調(diào)制型光纖振動傳感器

在光纖通信中，光纖耦合技術(shù)成熟的基礎(chǔ)上，人們研制成功了一種全光纖器件的高性能耦合型光纖聲振動傳感器，以其測量帶寬，靈敏度高，解調(diào)、制作成本低，使用簡單等優(yōu)點，受到很多人的關(guān)注。

為使單模光纖耦合器可作為傳感器應(yīng)用，研究人員分析了單模光纖耦合傳感器的敏感機理，根據(jù)傳感器耦合輸出與傳感器耦合區(qū)長度及耦合區(qū)振動頻率存在一定的關(guān)系這一原理，可以制成光纖振動傳感器，實現(xiàn)振動的檢測。

熔錐形光纖耦合器結(jié)構(gòu)示意圖

當入射光P0 進入輸入端時，隨著兩個光波導(dǎo)逐漸靠近，兩個傳導(dǎo)模開始發(fā)生重疊現(xiàn)象，在雙錐體結(jié)構(gòu)的耦合區(qū)，光功率再分配，一部分光功率從“直通臂”繼續(xù)傳輸，另一部分則是由“耦合臂”傳到另一光路。

耦合器兩輸出端的輸出功率之差與激振源的振動加速度成線性關(guān)系。因此，可以通過測量耦合器輸出功率的變化，求出傳感器加速度的值，實現(xiàn)對振動的測量。

此類傳感器對應(yīng)變的響應(yīng)非常靈敏,耦合比的線性關(guān)系良好,且溫度漂移影響可以穩(wěn)定在0. 5 %以內(nèi)。與壓電振動傳感器的測試對比,該傳感器可更好地實現(xiàn)0～50 Hz 低頻和4 kHz 高頻振動檢測。

波長調(diào)制型光纖振動傳感器的原理及結(jié)構(gòu)

波長調(diào)制傳感原理為被測場/參量與敏感光纖相互作用，引起光纖中傳輸光的波長改變，進而通過測量光波長的變化量來確定被測參量。

由布拉格中心波長的數(shù)學表達式3.1.3，通過外界參量對布拉格中心波長的調(diào)制來獲取傳感信息，這個過程是光纖光柵的傳感原理。

式中，纖芯的有效折射率是，T為光柵的周期。

由方程可知，是由光柵周期，反向耦合模的有效折射率決定的。其中，任何能使得這兩個參數(shù)發(fā)生變化的物理過程都將引起光柵布拉格波長的漂移。在所有引起光柵布拉格波長漂移的外接因素中，最直接的是應(yīng)變參數(shù)的改變。

如下圖所示，一臺光纖光柵振動傳感器，由機械懸梁臂一端固定在封裝殼上，與待測的物臺連接。在測量振動時，振動源和物臺同時振動，而引起懸梁臂振動。

兩個相同特質(zhì)的光纖光柵，一個安裝在懸梁臂下表面的對稱位置作為信號解調(diào)光柵，另一個安裝在機械懸梁臂的上表面上作為傳感光柵。

由振動慣性力的作用下懸臂梁發(fā)生機械振動，帶動兩個光柵產(chǎn)生周期性的應(yīng)變拉伸或收縮，從而引起FBG的布拉格波長發(fā)生變化，通過探測波長的信息前后是否一致，就能實現(xiàn)振動測量。

光通過2×2 光纖耦合器，送到傳感頭1上。之后，反射光信號返回又經(jīng)2×2 光纖耦合器，經(jīng)過傳感頭2上，傳感頭2的透射光強經(jīng)光電轉(zhuǎn)化，由光信號轉(zhuǎn)換為振動的電信號，此時傳感頭2的作用是用作傳感頭1的光波長濾波器，將傳感頭1的波長改變轉(zhuǎn)化成為光強信號變化。

光纖光柵振動傳感器圖

此光纖光柵振動傳感器特點是用一種新的簡單易行的解調(diào)技術(shù)，可以有效消除光纖光柵敏感信號的啁啾現(xiàn)象，有效減弱傳感器的溫度交叉敏感的問題，振動測量精度有顯著的提高。