振动传感器怎么分类
振动传感器的种类丰富,按照工作原理的不同,能分为电涡流式振动传感器、电感式振动传感器、电容式振动传感器、压电式振动传感器和电阻应变式振动传感器等。以下是这几种振动传感器的工作原理和用途。
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振动传感器有多种分类方法,常见的有以下几类:
1. 按测量原理/工作原理分类 (最核心分类)
- 压电式加速度传感器:
- 原理: 利用某些晶体材料(如石英、压电陶瓷)的压电效应。当传感器受到振动时,质量块将力作用于压电晶体,晶体两端产生与作用力(即加速度)成正比的电荷或电压。
- 特点: 频响宽、动态范围大、体积小、重量轻、坚固耐用。最适合测量中高频振动(一般从零点几Hz到数kHz甚至更高)。分为IEPE/ICP®型和电荷型。
- 压阻式加速度传感器:
- 原理: 基于半导体压阻效应。当传感器内部的硅微结构(悬臂梁或质量块)受到加速度时发生形变,导致植入的应变电阻阻值发生变化,通过惠斯通电桥输出与加速度成正比的电压信号。
- 特点: 灵敏度高、低频响应好(可低至DC 0Hz)、体积小、易集成。适合测量低频振动、冲击和静态加速度(如倾角)。高温特性不如压电式。
- 电容式加速度传感器:
- 原理: 由固定极板和可动质量块极板构成一个可变电容器。振动时质量块移动,改变极板间距从而改变电容值,通过检测电路转换为电信号。
- 特点: 灵敏度高、噪声低、稳定性好、功耗低、能测量静态加速度(0Hz)。适合需要高精度、低频响应的应用(如惯性导航)。环境(温湿度)影响较大。
- 电涡流式位移传感器:
- 原理: 探头(线圈)通高频电流,产生交变磁场。当靠近被测金属导体时,在导体表面产生电涡流,该涡流产生的磁场反作用于探头磁场,改变探头的电感或阻抗。该变化与探头和导体表面的距离成正比。
- 特点: 非接触测量、主要测量位移(尤其是轴相对于轴承座的相对位移)。非常适合测量旋转轴的径向振动、轴向位移(如轴心轨迹、胀差)。需要校准到特定被测材料。
- 磁电式速度传感器:
- 原理: 线圈在磁场(一般由永磁体产生)中运动产生感应电动势。通常结构是一个线圈固定在外壳上,磁铁(作为质量块)通过弹簧悬挂在线圈内。外壳随被测物振动时,磁铁因惯性滞后于线圈运动,导致线圈相对磁铁运动切割磁力线,产生与速度成正比的电压。
- 特点: 输出信号大(mV级)、输出阻抗低、受电磁干扰较小。天然输出速度信号。体积和质量通常较大,有低频下限(一般在几Hz或10Hz以上),高频上限通常不如加速度计。在需要直接监测速度信号的低频场合(如地质勘探、结构模态分析)有优势。
- 伺服式加速度传感器:
- 原理: 核心是一个闭环反馈系统。当质量块因加速度而偏离平衡位置时,位置检测元件(如电容检测)将偏移量转换为电信号,经放大后驱动反馈力发生器(如线圈/磁铁系统),产生一个力使质量块回到原始位置。驱动电流(或电压)与加速度成正比。
- 特点: 精度极高、动态范围宽、线性度好、低频响应非常好(可达0Hz或近DC)、分辨率高。价格昂贵。主要用于惯性导航、地震测量、精密测试平台等高精度领域。
- MEMS加速度传感器:
- 原理: 基于硅微加工技术制造的微小传感器。其核心工作原理可以是压阻式、电容式或热对流式等。将机械结构、检测电路甚至信号处理电路集成在单个硅芯片上。
- 特点: 体积和重量极小、成本低、功耗低、抗冲击性能好、易于大批量生产、便于集成。主要缺点是精度和噪声水平通常不如高端工业传感器。广泛应用于消费电子(手机、游戏手柄)、工业状态监测的低成本场景、汽车电子、物联网。
- 光纤光栅振动传感器:
- 原理: 利用刻写在光纤中的布拉格光栅对特定波长的光进行反射。当光纤光栅受到应力或应变(由振动引起)时,其反射光的中心波长会发生偏移,通过解调该偏移量即可获得振动信息。
- 特点: 本质安全(无电火花)、抗电磁干扰强、体积小、重量轻、灵敏度高、可多传感器复用(分布式测量)。适用于易燃易爆环境、强电磁干扰环境(如大型电机、变压器)、航空航天、结构健康监测等。
- 激光测振仪:
- 原理: 非接触测量。 主要利用激光干涉原理(如多普勒干涉仪)。激光束照射到振动表面,反射光(含有物体振动的多普勒频移信息)与参考光干涉,通过解调干涉信号获得物体的振动速度或位移。
- 特点: 精度极高、非接触、频响范围非常宽(从DC到MHz级)、空间分辨率高。非常昂贵,测量需精密光路对准,对被测表面反射性有要求。主要用于精密实验室测量、声学和结构分析的基准校准、微机电系统测试等。
2. 按输出信号类型分类
- 模拟输出传感器:
- 电压输出: 最普遍,如 IEPE/ICP® (2-20mA恒流源激励,带直流偏压)、电荷放大器输出。
- 电流输出: 4-20mA工业标准,抗干扰强,适合长线传输。
- 电荷输出: 需要外接电荷放大器转换为电压信号。高温、高阻环境适用。
- 数字输出传感器:
- 传感器内部集成模数转换器和数字处理电路,直接输出数字信号(如 SPI, I2C, RS485, CAN, EtherCAT 等)。抗干扰能力强,便于集成到数字系统,简化布线。如许多工业MEMS传感器和高端数字加速度计。
3. 按主要测量物理量分类
- 加速度传感器: 直接输出与加速度成正比的信号。最常见的振动传感器类型。单位:g 或 m/s²。
- 速度传感器: 直接输出与振动速度成正比的信号。单位:mm/s 或 in/s。
- 位移传感器: 直接输出与振动位移成正比的信号(或位置)。单位:μm, mm 或 mil。注意:位移可通过对速度积分或对加速度双重积分获得,但需注意低频漂移问题。
4. 按应用场景和特点分类
- 工业状态监测传感器: 结构坚固、防护等级高(如IP67)、耐高温、抗冲击、通常IEPE或4-20mA输出。
- 通用传感器: 性能适中,用于常规测试和实验室测量。
- 超低频传感器: 专为测量极低频(如<1Hz)振动或倾斜设计(多为伺服式或特定电容/压阻式)。
- 高温传感器: 特殊设计用于高温环境(如>125°C),通常为电荷输出型压电传感器或特制压阻/电容传感器。
- 微型/超微型传感器: 极小的尺寸和重量(如MEMS或小型压电),用于轻小结构测试或难以安装的部位。
- 高频传感器: 具有特别宽的高频响应上限(可达100kHz以上),用于分析高频冲击、齿轮啮合等。
- 爆破/冲击传感器: 专门测量高g值的冲击事件。
- 便携式/手持式传感器: 设计用于便携式设备或点检仪器,通常集成了无线或蓝牙传输。
- 在线监测传感器: 设计用于长期固定安装,进行24/7的连续振动监测,需要坚固可靠、寿命长。
- 地质/地震传感器: 测量极低频(低至0.001Hz)的地动信号(速度或加速度)。
- 声学/模态测试传感器: 高精度、低频响好、灵敏度高、重量轻,用于结构模态分析和声学振动测试。
5. 按与被测对象的接触方式分类
- 接触式传感器: 传感器通过刚性连接(如螺纹安装、磁吸座、粘接等)固定在被测物体上。大部分加速度、速度传感器属于此类。
- 非接触式传感器: 传感器不接触被测物表面。激光测振仪和电涡流位移传感器是典型代表。
6. 按传感器的结构形式分类
- IEPE/ICP®传感器: 压电加速度计内部集成了微型信号调理电路(阻抗变换、放大、恒流源电路),需要恒流源激励(通常2-20mA),输出低阻抗电压信号,可直接与普通数据采集卡连接。
- 电荷输出传感器: 压电加速度计本身只输出高阻抗电荷信号,必须外接电荷放大器转换为低阻抗电压信号才能测量。
总结
选择振动传感器时,需要综合考虑测量对象(频率范围、幅度、方向)、被测物理量、应用环境(温度、电磁、湿度、安装方式)、精度要求、成本预算、输出接口要求等多种因素。最常见的工业应用振动传感器是压电式(IEPE或电荷型)加速度传感器,因其在性能、可靠性、成本、适应性等方面达到了很好的平衡。希望这个回答对你有用,无论你是为设备点检准备工具还是优化振动监测系统,掌握这些分类能帮你更快找到合适传感器。
振动监测仪表之振动传感器分类及原理
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