一分钟看懂振动传感器（振动传感器的硬核详解）
一分钟看懂振动传感器（振动传感器的硬核详解）图3 电涡流传感器系统组成系统主要包括：探头、延伸电缆（用户可以根据需要选取）、前置放大器。图2 电涡流传感器原理根据法拉第电磁感应原理，块状金属导体置于变化的磁场中或在磁场中作切割磁力线运动时（与金属是否块状无关，且切割不变化的磁场时无涡流），导体内将产生呈涡旋状的感应电流，此电流叫电涡流，以上现象称为电涡流效应。根据电涡流效应制成的传感器称为电涡流式传感器。前置器中高频振荡电流通过延伸电缆流入探头线圈，在探头头部的线圈中产生交变的磁场。当被测金属体靠近这一磁场，则在此金属表面产生感应电流，与此同时该电涡流场也产生一个方向与头部线圈方向相反的交变磁场。由于其反作用，使头部线圈高频电流的幅度和相位得到改变（线圈的有效阻抗），这变化与金属体磁导率、电导率、线圈的几何形状、几何尺寸、电流频率以及头部线圈到金属导体表面的距离等参数有关。通常假定金属导体材质均匀且性能是线性和各项同性，则线圈和金属
现场振动测试采用的传感器一般有非接触式电涡流传感器、速度传感器、加速度传感器和复合传感器（由一个非接触传感器和一个惯性传感器组成）四种。每一种传感器都有它们固有的频响特性，这些特性决定了其工作范围。如果采用的传感器在超出其线性频响区域工作时，测量得到的读数会产生较大偏差。下表列出了振动测量常用的一些传感器的性能和适用范围及优缺点。
表1 常用的振动传感器及其性能和适应范围
图1 电涡流传感器
如图1所示电涡流传感器能静态和动态地非接触、高线性度、高分辨力地测量被测金属导体距探头表面的距离。它是一种非接触的线性化计量工具。电涡流传感器以其长期工作可靠性好、测量范围宽、结构简单、灵敏度高、分辨率高、响应速度快、抗干扰力强、不受油污等介质影响等优点，在大型旋转机械状态的在线监测与故障诊断中得到广泛应用。API670详细介绍了电涡流传感器在径向和轴向振动测量上的应用。
图2 电涡流传感器原理
根据法拉第电磁感应原理，块状金属导体置于变化的磁场中或在磁场中作切割磁力线运动时（与金属是否块状无关，且切割不变化的磁场时无涡流），导体内将产生呈涡旋状的感应电流，此电流叫电涡流，以上现象称为电涡流效应。根据电涡流效应制成的传感器称为电涡流式传感器。
前置器中高频振荡电流通过延伸电缆流入探头线圈，在探头头部的线圈中产生交变的磁场。当被测金属体靠近这一磁场，则在此金属表面产生感应电流，与此同时该电涡流场也产生一个方向与头部线圈方向相反的交变磁场。由于其反作用，使头部线圈高频电流的幅度和相位得到改变（线圈的有效阻抗），这变化与金属体磁导率、电导率、线圈的几何形状、几何尺寸、电流频率以及头部线圈到金属导体表面的距离等参数有关。通常假定金属导体材质均匀且性能是线性和各项同性，则线圈和金属导体系统的物理性质可由金属导体的电导率б、磁导率ξ、尺寸因子τ、头部体线圈与金属导体表面的距离D、电流强度I和频率ω参数来描述。线圈特征阻抗可用Z=F（τ，ξ，б，D，I，ω）函数来表示。通常我们能做到控制τ，ξ，б，I，ω这几个参数在一定范围内不变，线圈的特征阻抗Z就成为距离D的单值函数。整个函数是一非线性的，函数特征为“S”型曲线，可以选取它近似为线性的一段。通过前置器电子线路的处理，将线圈阻抗Z的变化即头部体线圈与金属导体的距离D的变化转化成电压或电流的变化。输出信号的大小随探头到被测体表面之间的间距而变化。当传感器与被测物体的表面间隙较小时，电涡流也较强，阻抗较大，传感器最终的输出电压变小。当传感器与被测物体的表面间隙变大时，电涡流变弱，阻抗变小，传感器最终的输出电压变大。涡流的强弱与间隙的大小成正比，因而，传感器的输出与振动位移成正比。电涡流传感器就是根据这一原理实现对金属物体的位移、振动等参数的测量。
系统主要包括：探头、延伸电缆（用户可以根据需要选取）、前置放大器。
图3 电涡流传感器系统组成
探头正对被测体表面，它能精确地探测出被测体表面相对于探头端面间隙的变化。通常探头由线圈、头部、壳体、高频电缆、高频接头组成，其典型结构见下图所示。
图4 电涡流传感器系统组成
线圈是探头的核心，它是整个传感器系统的敏感元件，线圈的物理尺寸和电气参数决定传感器系统的线性量程以及探头的电气参数稳定性。
探头壳体用于支撑探头头部，并作为探头安装时的装夹结构。壳体采用不锈钢制成，一般上面刻有标准螺纹，并备有锁紧螺母。为了能适合不同的应用和安装场合，探头壳体具有不同的型式和不同的螺纹及尺寸规格。
前置器是一个电子信号处理器。前置器为探头线圈提供高频交流电流，前置器感受探头前面由于金属导体靠近引起探头参数的变化，经过前置器的处理，产生随探头端面与被测金属导体间隙线性变化的输出电压或电流信号。
电动力式速度传感器工作原理
图5 振动速度传感器的结构示意图
固定在壳体内部的永久磁铁，随着外壳与振动物体一起振动，而内部由弹簧固定着的线圈不与磁铁同步运动，磁力线被线圈以一定速度切割，从而产生电动势输出。所输出电动势的大小与磁通量的大小和线圈参数（在此处均系常数）以及线圈切割磁力线的速度成正比，所以我们可以得到和磁铁的运动速度成正比的输出电动势，即：传感器的输出电压与被测物体的振动速度成正比。
图6 速度传感器
压电式加速度传感器工作原理
图7 压电式加速度传感器
加速度传感器是一种能够测量加速度的传感器。通常由质量块、阻尼器、弹性元件、敏感元件和适调电路等部分组成。传感器在加速过程中，通过对质量块所受惯性力的测量，利用牛顿第二定律获得加速度值。根据传感器敏感元件的不同，常见的加速度传感器包括电容式、电感式、应变式、压阻式、压电式等，常用的是压电式。
图8 压电式加速度传感器结构
某些晶体，当沿着一定的方向受到外力的作用的时候，其内部的晶格会产生极化现象，同时在晶体的两个表面上产生符号相反的电荷。当外力去掉以后，就又恢复到原来的不带电状态。当作用力方向改变时，所产生的电荷的极性也随之改变。晶体受力所产生的电荷量与外力大小成正比，而力的大小与物体的运动加速度大小成正比：F＝ma，这种现象称为正压电效应。反之，如对晶体施加一交变电场，晶体本身将产生机械变形，这称为逆压电效应，亦称电致伸缩效应。
压电加速度计的频响范围极宽，最高可达几十KHz，测量范围特大，最大可达十几万个g，多用于高频振动检测中，如齿轮、滚动轴承等的接触式测量。一般需与电荷放大器配合使用，且电荷放大器前的连接电缆较易受到干扰。现在，有些加速度传感器（如PCB）把放大电路集成到传感器内，这样，来自外界的干扰影响极小，可靠性也得到了大幅度的提高。
传感器的选择要重点考虑频率响应、信噪比、灵敏度和需要测量的信号强度。传感器的频率范围必须与机器各机械部件产生的频率匹配，否则就要另选一种传感器并把信号转换为合适的参数。譬如，如要测量2000Hz以上的速度参数，就要选一个积分到速度的加速度传感器来获得信号。要得到速度的时城波形，就要从速度传感器获得信号，或对加速度传感器的信号进行模拟积分。
