振動感測器的原理總結05308111 張航
振動感測器包含拾振、測量放大線路和顯示記錄三個環節。電測法測量系統示意圖，如圖下圖所示。
1. 拾振環節。把被測的機械振動量轉換為機械的、光學的或電的訊號，完成這項轉換
工作的器件叫感測器。
2. 測量線路。測量線路的種類甚多，它們都是針對各種感測器的變換原理而設計的。
比如，專配壓電式感測器的測量線路有電壓放大器、電荷放大器等；此外，還有積分線路、
微分線路、濾波線路、歸一化裝置等等。
3. 訊號分析及顯示、記錄環節：從測量線路輸出的電壓訊號，可按測量的要求輸入給
訊號分析儀或輸送給顯示儀器（如電子電壓表、示波器、相位計等）、記錄裝置（如光線示
波器、磁帶記錄儀、x—y 記錄儀等）等。也可在必要時記錄在磁帶上，然後再輸入到訊號分析儀進行各種分析處理，從而得到最終結果。
下面將分別介紹各常用感測器的工作原理
1. 慣性式感測器
慣性式感測器是利用彈簧質量系統的強迫振動特性來進行振動測量的。
這種感測器直接固定在被測振動體上，不需要相對固定點。測量所得結果直接以固定於地球上的慣性系座標為參考座標，
是一種絕對式拾振儀器。
結構示意圖
這類感測器是在乙個剛性的外殼裡安裝乙個單自由度有阻尼的彈簧質量系統。
根據質量塊相對於外殼的運動x來判斷外殼體的振動y。
力學原理與頻響特性
慣性式感測器利用彈簧質量系統的強迫振動特性進行振動測量。
這種感測器直接固定在被測振動體上，不需要相對固定點。
測量所得結果直接以固定於地球上的慣性系座標為參考座標，
是一種絕對式拾振儀器。
質量塊的運動方程
表明質量塊相對於儀器外殼的位移x與振動體的絕對位移y之間存在一定的關係。可以根據x推算出y
假定振動體作簡諧振動代入運動方程得
令上式的解可分為兩部分
一部分是齊次方程的解，代表感測器的自由振動。
由於系統存在阻尼，自由振動經過一定時間後就衰減掉了
第二部分為非線性方程的特解，代表強迫振動，它實際上是感測器外殼所引起的感測器系統的響應。
這一部分解可表示為
構成位移計的條件 ω/ω >>1
慣性式位移感測器的頻響特性
幅頻特性相頻特性：
相對阻尼係數ζ對感測器效能的影響
在設計製造慣性式感測器時，需要考慮阻尼的影響，要設法將阻尼係數控制在適當的大小，以充分利用它的影響改善感測器的效能。其影響主要為以下三個方面：
1. 增大ζ能夠加快感測器系統本身自由振動的衰減
2. 對幅頻特性的影響
適當增加ζ，可增加位移計的使用頻率範圍，比較理想的情況是ζ=0.6～0.7。
3. 對相頻特性的影響
由於阻尼的存在，感測器的相位差α將隨被測振動頻率的變化而改變。這種現象對於測量簡諧振動無明顯的影響，但在測量一般週期振動時，將發生波形畸變。
2．動圈型磁電式速度感測器
速度感測器的外殼和被側振動體固結在一起，使感測器的軸線與測振方向一致；
振動體的振動引起芯杆、線圈和阻尼杯運動；
由於線圈放在磁場中間，運動的線圈切割磁力線，使線圈中感生電動勢。
根據電磁學原理，這一電動勢的大小為
由於速度感測器與位移計使用條件（ω/ω >>1）相同，其質量部件相對於外殼（亦即相對於磁場）的位移為假定振動體（感測器外殼）的振動為
當ω/ω >>1時，
感測器輸出電動勢為
感測器輸出電動勢的幅值與被測振動的速度幅值成正比，相位落後α。相位差α應由下式決定
電動型速度感測器的優點
1. 電壓靈敏度高，有時可不用訊號放大直接測量；
2. 由於輸出阻抗（測量線圈電阻）很低，所以外部電雜訊很小；
3. 可在較高溫度環境中進行測量。
電動型感測器的缺點
1. 由於使用磁路，感測器小型、輕量化困難，對被測試件附加質量較大；
2. 由速度感測器力學原理可知，難以準確測量低頻（如f≤10hz）振動；
3. 由於結構設計的困難，最高工作頻率一般很難超過1000～1500hz。因此，有逐漸被壓電型加速度感測器取代的趨勢。
。3.加速度計
構成加速度計的條件
當被測振動的位移為其加速度為
當ω<<ω（ω/ω <<1）時，
當感測器的固有頻率ω遠大於被測振動頻率ω時，感測器的質量塊相對於其外殼振動位移的幅值正比於被測振動加速度的幅值，其比例係數為1/ω2。
此時，感測器質量塊的相對表示式為
當ω<<ω（ω/ ω <<1）時，
相位差α為
感測器相對振動位移比被測振動加速度滯後（α+π）弧度,只要感測器的固有頻率ω遠大於被測振動的頻率ω，該感測器即可作為加速度計使用。為了擴大加速度計的使用頻率上限，應當盡可能地提高感測器本身的固有頻率。但是，固有頻率提高靈敏度必將隨之下降
磁電式速度感測器的特點
電動型速度感測器的優點
1. 電壓靈敏度高，有時可不用訊號放大直接測量；
2. 由於輸出阻抗（測量線圈電阻）很低，所以外部電雜訊很小；
3. 可在較高溫度環境中進行測量。
電動型感測器的缺點
1. 由於使用磁路，感測器小型、輕量化困難，對被測試件附加質量較大；
2. 由速度感測器力學原理可知，難以準確測量低頻（如f≤10hz）振動；
3. 由於結構設計的困難，最高工作頻率一般很難超過1000～1500hz。因此，有逐漸被壓電型加速度感測器取代的趨勢。
4.壓電式加速度計
壓電式加速度計結構與工作原理
壓電式加速度計採用電壓晶體的壓電效應實現訊號轉換
結構圖以受壓型壓電加速度計為例說明其工作原理
壓電效應
工作原理
注意事項：
在選擇和使用壓電式加速度計時，還應注意以下各點：
1. 靈敏度和頻率範圍之間的矛盾。
2. 注意安裝固定方法。
3. 接線電纜的固定。
4. 避免接地迴路。
5. 背景雜訊水平的監測。
5．伺服式加速度感測器
伺服式加速度計的工作原理
伺服加速度感測器在力學原理上仍屬於基礎式振動測量系統，由慣性質量、懸掛彈簧和阻尼器構成
伺服式加速度計的工作過程
伺服式加速度感測器輸出電壓
適當選擇k及β，可以得到乙個合適的ζ0，使得在ω/ω0=1之前的幅頻特性曲線更為平坦，從而提高感測器的使用上限頻率。
6。常用振動感測器的主要技術指標
1. 靈敏度：在規定的頻率範圍內和環境條件下輸出量（電壓、電荷）與輸入量（振動的位移、速度、加速度或電流、電壓等）的比值。
2. 頻率特性：
幅頻特性：靈敏度隨頻率變化的特性。
相頻特性：輸入量與輸出量之間相位差隨頻率變化的特性。一般用幅頻特性曲線和相頻特性曲線來表示。
3. 線性範圍：線性範圍是指感測器輸入量與輸出量之間保持線性關係的最大機械輸入量的變化範圍。
4. 橫向靈敏度：它指感測器承受與主軸方向垂直的振動時，其輸入與輸出振動量的比值。
5. 環境因素的影響：在高溫、高壓、水下及強磁場環境中使用時，要考慮環境引數對感測器效能的影響，並且要作出相應的修正曲線，以便修正最後測得的資料。
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