振动传感器调研
一、振动传感器采集原理
振动传感器一般通过物理定律将振动的位移、速度或加速度等机械量转换为其他易于直接测量且利于传输的物理量（如电荷、电阻、电容、光强等），从而实现振动信号的采集。
二、主流振动传感器分类（按信号转换原理）
序号 | 原理类型 | 工作原理简述 | 典型传感器 | 频率范围（典型） | 主要应用场景 |
|---|---|---|---|---|---|
1 | 压电式 | 压电晶体受力产生电荷（正压电效应） | 压电加速度计（IEPE、充电型） | 0.1 Hz – 几十 kHz | 最通用，工业监测、模态测试、高频振动 |
2 | 压阻式 | 应力引起半导体电阻率变化（压阻效应） | MEMS 压阻加速度计 | DC – 几 kHz | 低频、冲击、汽车安全气囊 |
3 | 电容式 | 振动导致电容极板间距变化，引起电容变化 | MEMS 电容加速度计、差分电容传感器 | DC – 几 kHz | 低频、倾角、消费电子（如手机） |
4 | 光纤式 | 光纤受振动引起光相位、强度或波长变化 | 光纤布拉格光栅（FBG）、干涉型光纤传感器 | 宽频带（DC – 几十 kHz） | 强电磁干扰环境、长距离分布式监测、结构健康监测 |
三、为什么振动监测中更倾向于测量加速度？
在设备预测性维护等典型场景中，加速度信号具有以下显著优势：
对早期故障（如轴承内圈/外圈损伤、不平衡、不对中、齿轮啮合问题等）更敏感，能在故障特征频率上表现出明显的高频冲击成分；
高频响应好，便于捕捉瞬态冲击和微小振动；
易于实现宽频带测量（尤其是压电式传感器）；
传感器体积小、重量轻、安装方便，对被测对象影响小；
可通过一次或二次积分得到速度和位移信息（在一定频率范围内）。
因此，工业振动监测领域的主流传感器为压电式加速度传感器，后续以压电式为例展开分析。
三、压电式振动传感器分析
压电式振动传感器的结构下图所示，由质量块，压电陶瓷材料和基座构成。被测物体与传感器基座刚性相连，当被测物体因受力发生振动时，与之连接的基座也会发生相同频率和振幅的振动。而质䟿块和压电陶瓷材料间，便会产生相应的反作用 力去平衡基座的受力，进而导致压电陶瓷材料发生形变，产生电荷。 即Q ∝ a，考虑到后续的模数转换，一般会将电荷量正比例转化为电压量
根据电压量转化输出方式一般有以下两种：
类型 | 输出信号形式 | 信号特点 | 实际波形样子（示波器上看） | 后续必须配什么设备 |
|---|---|---|---|---|
1. 充电型 | 高阻抗电荷信号 | - 灵敏度范围：几 pC/g ~ 几千 pC/g | 噪声很大、基线漂移明显、幅度随电缆晃动剧烈变化，经常看不到真实振动信号 | 必须配专用电荷放大器（供电电压较高） |
2. IEPE型 | 低阻抗电压信号 | - 典型灵敏度：10mV/g、50mV/g、100mV/g、500mV/g | 波形干净、基线稳定、振动冲击清晰可见，幅度与真实振动成正比 | 只需恒流源供电即可 |
采集示意图
3.1 IEPE传感器数据采集完整流程
步骤 | 环节 | 具体动作与关键点 | 时间/特点 |
|---|---|---|---|
1 | 硬件连接 | 将IEPE传感器接入采集卡的IEPE专用通道（信号线+屏蔽地） | 物理连接，最快几秒完成 |
2 | 开启IEPE激励 | 采集卡自动或手动开启恒流源供电 | 上电后50~500ms内信号稳定 |
3 | 采集振动信号 | 振动 → 压电晶体产生微弱电荷 → 传感器内置电荷放大器+阻抗变换电路 | 实时产生，灵敏度通常100mV/g |
4 | 信号调理（采集卡内部，也可外连） | • AC耦合或高通滤波去除DC偏置（截止频率通常0.1~10Hz可设） | 模拟前端处理，硬件自动完成 |
5 | 模数转换（ADC） | 24bit Σ-Δ 或逐次逼近型ADC | 高精度、高动态范围（>100dB） |
6 | 数据传输与存储 | 数字信号通过USB3.0/PCIe/以太网实时传至电脑 | 可看到稳定波形 |
3.2 总结（工业现场实际选择）
项目 | 充电型 | IEPE型（内置电路型） |
|---|---|---|
安装接线难度 | 高（需专用低噪声电缆+电荷放大器） | 极低（普通两芯屏蔽电缆即可） |
系统总成本 | 高 | 低 |
抗干扰能力 | 差 | 优秀 |
推荐使用场景 | 极高温（>200℃）、核辐射等极端环境 | 常规及绝大多数工业振动监测场景 |
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