各种振动传感器原理特点及测量连接方案

各种振动传感器原理特点及测量连接方案

    振动传感器是一种能够测量物体加速度/速度/位移的装置，其类型多种多样，主要包括以下几种：

一、压电式加速度传感器

原理：利用压电陶瓷或石英晶体的压电效应，在加速度作用下，质量块加在压电元件上的力发生变化，从而产生电信号。如常用的IEPE/ICP,电荷传感器。

二、压阻式加速度传感器

原理：基于MEMS（微机电系统）硅微加工技术，通过测量固定质量块在加速度作用下产生的力，进而测得加速度。力作用于传感器的弹性梁上，产生应变，导致压敏电阻的阻值发生变化，从而输出与加速度成正比的电压信号。

三、电容式加速度传感器

原理：基于电容原理的极距变化型传感器。其中一个电极是固定的，另一变化电极是弹性膜片。在加速度作用下，弹性膜片发生位移，导致电容量发生变化，从而输出与加速度成正比的电信号。

四、伺服式加速度传感器

原理：闭环测试系统，通过反馈力与输入力间的伺服平衡来测量加速度。当加速度产生时，会形成一个单自由度惯性输入力，这个力与反馈力同时作用在弹性支承的敏感元件上。两个力之差会使敏感元件产生微小位移，这个位移会被转换为电信号进行输出。

不同类型的传感器有不同的特点和测量方案，北京美科环试提供全系列解决方案供用户选择。

一. IEPE/ICP加速度传感器的测量方案

IEPE/ICP加速度传感器，是一种自带电荷放大器的加速度传感器，作为一种高性能的传感器，具有高精度测量、宽量程范围、稳定性强、多种安装方式以及信号输出方便等特点，在工业自动化、机械制造、桥梁建筑、交通运输以及其他多个领域都有着广泛的应用前景。

a、特点

高精度测量：IEPE/ICP加速度传感器能够精确地检测出物体在各个方向上的加速度变化，并将其转化为相应的电压或电流信号输出。这种高精度的测量能力使得传感器在振动监测和加速度测量等应用中具有显著优势。

宽量程范围：这类传感器的量程范围广泛，可以根据不同的应用需求进行选择。例如，某些型号的量程可以达到0-5000g或0-10g，满足各种振动和加速度测量的需求。

稳定性强：IEPE/ICP加速度传感器在工作过程中表现出极高的稳定性，能够在宽广的工作频率范围内保持稳定的性能。这使得传感器在长时间监测和恶劣环境下仍能提供准确的数据。

多种安装方式：为了满足不同应用场景的需求，IEPE/ICP加速度传感器支持多种安装方式，如螺纹安装、磁吸安装等。这使得传感器能够灵活地固定在需要监测的位置上，提高安装的便捷性和稳定性。

信号输出方便：IEPE/ICP加速度传感器采用电压输出方式，可以方便地接入各类设备中进行数据处理和分析(分析仪需内置恒流源)。

b、应用

工业自动化：在工业自动化领域，IEPE/ICP加速度传感器被广泛应用于各种机械设备的振动监测和故障诊断中。通过实时监测设备的振动情况，可以及时发现并处理潜在的故障，提高设备的可靠性和生产效率。

机械制造：在机械制造领域，传感器可以用于测量机床、机器人等设备的加速度和振动情况，为设备的优化设计和改进提供数据支持。同时，传感器还可以用于监测刀具的磨损情况，提高加工精度和产品质量。

桥梁建筑：在桥梁建筑领域，IEPE/ICP加速度传感器可以用于监测桥梁的振动和变形情况，为桥梁的安全评估和维护提供重要数据。通过实时监测桥梁的振动情况，可以及时发现并处理潜在的安全隐患，确保桥梁的安全运行。

交通运输：在交通运输领域，传感器可以用于监测车辆、飞机等交通工具的振动和加速度情况，为交通工具的舒适性和安全性提供数据支持。同时，传感器还可以用于监测道路的平整度等参数，为道路维护和改善提供重要参考。

其他领域：此外，IEPE/ICP加速度传感器还广泛应用于航空航天、医疗、科研等领域，为各种复杂环境下的振动和加速度测量提供可靠的技术支持。

1.1 使用IEPE/ICP采集分析仪测量连接框图:

IEPE/ICP采集分析仪内置恒流源，在采集传感器输出信号的同时，通过输出信号线同步反向给传感器供电，确保传感器正常工作。

1.2 使用IEPE/ICP恒流源测量连接框图:

当模拟电压采集分析仪没有内置恒流源时，需要外置恒流源串联到连接中，由恒流源给传感器供电，确保传感器正常工作，并提取模拟电压信号供后级设备使用。

1.3 IEPE/ICP转4~20mA测量连接框图:

许多控制系统（如PLC、DCS等）都具有专门针对4~20mA信号的输入接口，4~20mA信号传输在工业自动化和过程控制领域具有显著优点，具有抗干扰能力强，有效传输数百米甚至上千米，传输精度高等特点。使用IEPE变送器，可以转电压信号为电流信号。

1.4 测量方案连接设备:

1.T8 IEPE/ICP动态信号采集分析仪，T8新一代振动与噪声测量分析系统,专用于采集和分析动态振动、冲击、声压、力、压力，模拟IEPE/ICP信号，系统提供广泛的信号分析测量解决方案，能够同时完成2~16个通道振动数据的记录与分析功能，适用于动态信号领域的测试应用。

2.IEPE/ICP‍恒流源，传感器信号调理器/恒流源不仅要对配接的传感器提供电源，同时也要对传感器输出信号进行放大、滤波等处理。IEPE信号调理器采用二线制方式为IEPE传感器提供恒流激励源。

3‍.IEPE/ICP‍‍振动变送器，智能变送器提供了一种将标准IEPE振动传感器连接到PLC，DCS或SCADA系统的简便方法。振动变送器的输入为加速度计、压电速度传感器或双输出振动和温度传感器，为传感器供电并测量信号。

4.IEPE/ICP‍‍‍传感器，通用型加速度传感器采用压电效应原理设计，可根据测试需求选择单轴向、多轴低阻抗电压输出型（IEPE）等不同的输出方式和安装方式，以满足各种测试需要。专业设计和制造的通用加速度传感器广泛应用于结构试验、产品振动试验、振动控制、跌落试验、产品质量试验、机械设备研究以及模态测试等振动冲击测试领域。

二. 电荷加速度传感器的测量方案

    电荷传感器：基于压电效应工作，当传感器外壳沿测量轴受到加速度时，质量体对压电材料的应力或“挤压”效应会导致材料产生电荷输出。输出的是电荷信号，需要使用特殊的电荷放大器将其转换为电压信号进行测量。

a. 特点：

高阻抗输出：电荷传感器具有高阻抗输出特性，这需要使用特殊的电荷模式信号调节器来测量。

无需电源：电荷传感器不需要外部电源供电，这是其一个显著的优点。

耐用且工作温度范围广：电荷传感器坚固耐用，适用于极端环境，如极高或极低温、潮湿。其工作温度范围也非常广，某些型号甚至可以在超过500°C的高温下工作。

高分辨率和动态特性：电荷传感器具有出色的分辨率和动态特性，能够提供准确且稳定的测量结果。

易受干扰：由于电荷传感器的高阻抗输出，它极易受到射频（RF）和电磁（EM）干扰。因此，在布线时必须非常小心，使用特殊的低噪声电缆以减少干扰。

b. 应用：

电荷传感器广泛应用于汽车测试、航空航天和国防测试、高带宽应用、跌落测试、自由落体测试以及基于状态的监控等高温或高要求的环境中。

2.1 电荷传感器使用电荷放大器测量连接框图:

由于电荷传感器的输出微弱电荷信号，阻抗极高，直接测量其输出信号非常困难，因此需要通过电荷放大器进行放大处理。电荷放大器利用积分电容将输入的电荷信号转换为电压信号，从而实现对信号的放大。

2.2 电荷传感器使用阻抗变换器测量连接框图:

当使用电荷传感和IEPE/ICP采集分析仪时，可以使用阻抗变换器连接IEPE采集分析仪。阻抗变换器是采用IEPE恒流源供电模式（2-20mA/+18 - +28VDC）的二线制微型电荷放大器，可以将高输入阻抗的电荷信号变换为低阻抗的电压信号输出，可以直接配接电荷输出型传感器。

2.3 测量方案连接设备:

1.电荷放大器，电荷放大器是用于将高输入阻抗的电荷信号（如电荷输出型压电式加速度传感器、石英动态力传感器、石英动态压力传感器等）转换为低阻的电压信号的一种精密信号放大器。北京美科环试提供了多种可供客户选择的各种电荷放大器，满足精确的测量需求。

2.阻抗变换器，阻抗变换器是采用IEPE恒流源供电模式（2-20mA/+18 - +28VDC）的二线制微型电荷放大器，可以将高输入阻抗的电荷信号变换为低阻抗的电压信号输出，可以直接配接电荷输出型传感器。

3.‍电荷传感器，M26系列微型加速度传感器体积小、重量轻、要求安装的空间小；可应用于如电路板、小型结构试验、跌落包装试验、部件试验、模态试验等场合，可有效减少附加质量对测试结构的影响。

4.T8 IEPE/ICP动态信号采集分析仪，T8新一代振动与噪声测量分析系统,专用于采集和分析动态振动、冲击、声压、力、压力，模拟IEPE/ICP信号，系统提供广泛的信号分析测量解决方案，能够同时完成2~16个通道振动数据的记录与分析功能，适用于动态信号领域的测试应用。

三. 4~20mA传感器的测量方案

    4~20mA传感器是一种在工业和科研领域中广泛应用的传感器,具有抗干扰能力强、安全性高、成本效益好和兼容性好等优点，在振动监测、状态监控、工业自动化和安全监测等领域中发挥着重要作用。

a.优点

抗干扰能力强：在传输信号的过程中，电压源可能会产生压降，导致信号丢失，而电流源（如4~20mA信号）则具有更强的抗干扰能力和长距离传输能力。这意味着4~20mA加速度传感器可以在复杂和嘈杂的工业环境中稳定工作，确保数据的准确性和可靠性。

安全性高：4mA的下限可以提供一个活零点，方便监测断线等问题；而20mA的上限则满足安全防爆的要求，因为20mA产生的电火花不足以引爆许多危险气体。

兼容性好：几乎所有传统工业数据采集（DAQ）系统都支持4~20mA信号标准，这使得4~20mA加速度传感器能够轻松集成到现有的工业系统中，无需额外的适配器或转换器。

b.应用

振动监测：4~20mA加速度传感器常被用于监测各种旋转机械装置的振动情况，如汽轮机、压缩机、风机和泵等。通过监测这些设备的振动数据，可以及时发现潜在的故障或磨损情况，从而采取相应的维护措施，避免设备损坏或生产中断。

工业自动化：在工业自动化系统中，4~20mA加速度传感器可用于控制各种工艺参数，如流量、压力和温度等。通过将这些传感器的输出信号与控制系统相连，可以实现自动化控制和优化生产流程。

安全监测：在矿山、化工和环保等领域中，4~20mA加速度传感器可用于监测空气中的有毒气体浓度或其他安全参数。当监测到异常情况时，传感器会发出警报信号，从而保障工人和环境的安全。

3.1 使用4~20mA传感器测量连接框图:

4~20mA传感器可选有输出实时振动波形，也有输出振动加速度、振动速度的RMS值或者峰值的，简化后级测量系统的测量难度。

3.2 测量方案连接设备:

1.4~20mA表头，数字面板仪表用途广泛，广泛用于各种过程监控应用。它们接受 1 V 至 5 V 或 ±10 V 的常见过程电压、0-20 mA 或 4-20 mA 的电流、100 Ω RTD 和四种常见的热电偶。

2.4~20mA传感器，北京美科环试提供广泛的 4-20 mA 振动变送器选择。我们的 4-20 mA 传感器是加速度计和振动变送器，集成在坚固的工业外壳中。它们提供与整体振动水平成比例的 4-20 mA 输出信号。4-20 mA 输出通常被 PLC、DCS 或 SCADA 系统等过程控制系统所接受，以实现经济高效的连续振动监测。

四. MEMS传感器的测量方案

MEMS（Micro-Electro-Mechanical Systems）加速度传感器是一种采用微机电系统技术制造的传感器，具有体积小、频率低、功耗低、高精度的优点。MEMS加速度传感器的工作原理主要基于电容效应。利用电容的变化来测量加速度。传感器内部有一个固定平板和一个可移动平板，两者之间形成一个微小的电容。当加速度作用于传感器时，可移动平板会发生相对于固定平板的位移，从而改变电容间的距离和电容值。通过测量电容的变化，可以推断出物体所受的加速度。

a.优点

频率低:   MEMS加速度传感器使用频率DC起，特别适合低频测量应用。

功耗低：由于MEMS加速度传感器的尺寸小且结构紧凑，因此其功耗相对较低。这使得它们可以在低功耗的设备中长时间运行。

高精度：尽管MEMS加速度传感器的尺寸小，但它们的精度却非常高。通过先进的制造工艺和校准技术，可以确保传感器提供准确的加速度测量结果。

抗振动和抗冲击性能强：MEMS加速度传感器具有良好的抗振动和抗冲击性能，能够在恶劣的环境条件下稳定运行。这使得它们非常适合用于振动监测、运动追踪等应用。

b.应用

消费电子：在智能手机、平板电脑、智能手表等消费电子产品中，MEMS加速度传感器用于检测设备的运动状态，如倾斜、摇晃、振动等，以实现屏幕自动旋转、手势控制、计步等功能。

汽车安全系统：MEMS加速度传感器在汽车安全系统中发挥着重要作用，如碰撞检测、安全气囊触发、车身稳定控制等。

通过监测车辆的加速度变化，可以判断车辆是否发生碰撞或急刹车，从而及时触发安全气囊或调整车身姿态，保障乘客的安全。

工业自动化：在工业自动化领域，MEMS加速度传感器用于监测各种机械设备的振动和加速度变化，以实现设备的故障预警和状态监测。

通过分析加速度数据，可以判断设备的运行状态是否正常，及时发现潜在故障并采取相应措施，提高设备的可靠性和使用寿命。

其他应用：MEMS加速度传感器还可以用于地震监测、建筑安全监测等领域，通过监测加速度数据来评估地震或建筑物的安全状况。

4.1 使用MEMS传感器测量连接框图:

MEMS 传感器工作需要正负直流供电，需要专用的调理器配合使用

4.2 测量方案连接设备:

1.‍MEMS传感器，MEMS加速度传感器采用变电容原理（当敏感元件受到加速度作用时，产生偏移并引起电容的成比例变化）。该传感器的MEMS敏感元件具备优良的低频和直流响应特性，体积小巧、重量轻盈，并且全密封设计及硬质铝氧化壳体提供了可靠的隔离效果，特别适合用于分析低频或恒定加速运动。北京美科环试提供从±2g到±200g的全量程，以满足各种测试需求。

2.‍MEMS调理器，多功能信号调理器M3834不仅为IEPE传感器、电容式传感器和应变式传感器等提供工作电源，还能对传感器输出信号进行放大和滤波等处理。

3.‍采集分析仪，M92系列动态数据采集器，是一种基于USB2.0接口的多路并行数据采集系统；具有电荷/电压/IEPE等多种输入方式；支持多台设备级联，内置程控增益放大器和实时数字滤波；配套功能丰富的通用测试与分析软件；提供LabView、MATLAB等数据接口，方便后续数据处理；特别适用于本公司生产的力、压力、加速度等传感器组成多通道振动、冲击测试、动态数据采集/分析系统、模态试验系统等。

五. 伺服加速度传感器的测量方案

伺服加速度传感器，又称力平衡式传感器，是由机械部件与伺服电路组成的力反馈测量装置。其工作原理基于反馈力与输入力间的伺服平衡，即当加速度产生时，会形成一个单自由度惯性输入力，这个力与反馈力同时作用在弹性支承的敏感元件上。两个力之差会使敏感元件产生微小位移，这个位移会被位移变换器转换为电信号。然后，电信号经过伺服电路放大和幅相校正后，输出电流驱动逆变换器（通常为力矩器）产生一个反向的反馈力作用在敏感元件上。当系统开环增益很高时，反馈力与输入力几乎完全平衡，敏感元件处于相对平衡位置。此时，与反馈力成正比的力矩器的输入电流正比于被测力，此电流在取样电阻上的压降即为传感器的输出。伺服加速度传感器以其高精度、强抗干扰能力和广泛的应用领域，在工业生产、科学研究以及日常生活中都发挥着重要作用。

a.特点

高精度：由于采用了闭环测试系统，伺服加速度传感器具有动态性能好、动态范围大和线性度好等特点。

抗干扰能力强：由于有反馈作用，增强了抗干扰的能力，提高了测量精度。

应用广泛：伺服加速度传感器可用于多种力学量的测量，如加速度、压力、角加速度等。

b.应用

惯性导航和制导系统：伺服加速度传感器是惯性导航和惯性制导系统中不可缺少的基本测量元件。其输出经过一次和二次积分后，可用于精确指示运动物体的速度和位置。

长周期振动测量：伺服加速度传感器还可用于桥梁、建筑、舰船等交通工具以及防地震等的长周期振动测量。

控制系统：在控制系统中，伺服加速度传感器可以作为检测元件，实现水平控制和抑制低频振动，可用于伺服平台和伺服振动台。

5.1 使用伺服加速度传感器测量连接框图:

5.2 测量方案连接设备:

1.‍伺服加速度传感器，伺服加速度计采用闭环力平衡扭矩机制，以高精度测量矢量加速度。摆动质量所产生的扭矩与其质量不平衡及施加的加速度之间成正比关系。质量块的运动由位置传感器进行检测，其输出信号连接至伺服放大器。

2.‍采集分析仪，M92系列动态数据采集器，是一种基于USB2.0接口的多路并行数据采集系统；具有电荷/电压/IEPE等多种输入方式；支持多台设备级联，内置程控增益放大器和实时数字滤波；配套功能丰富的通用测试与分析软件；提供LabView、MATLAB等数据接口，方便后续数据处理；特别适用于本公司生产的力、压力、加速度等传感器组成多通道振动、冲击测试、动态数据采集/分析系统、模态试验系统等。