振动传感器为什么能够测量振动？

Osmond

研究对象准确的质量、刚度、阻尼等参数和边界约束条件是正确求解的基础，因此有必要通过工程振动测试实验对这些因素的准确程度进行分析验证。

通过研究对象物理特性（模型、质量、刚度、阻尼等参数和边界约束）进行模态特性（模态模型、模态质量、模态刚度、模态阻尼等）和响应特性分析（响应模型、位移、速度、加速度等）是振动理论的正向研究过程；而振动测试技术是振动理论的逆向思维，通过响应特性反推物理特性和模态特性。为将研究对象的振动位移、振动速度、振动加速度这些响应信号从振动系统中检测出来，需要将这些振动信号转变为可处理的机械、光学和电信号。由于电信号易于传输、调理、分析和显示，因此市面上振动传感器的输出一般均为电信号的形式。

工程振动测量系统是一般包含被测设备、传感器、数据采集及调理装置、数据分析处理装置四部分。工程典型振动测量系统原理框图如下所示：

现在已经对工程振动测试系统有了初步印象，下面进入本次讨论的一个很有意思主题：振动传感器为什么能够测量振动？

1. 问题的引入

你可能会反问振动传感器为什么不能测量振动？就像电压传感器可以测量电压，电流传感器可以测量电流，转速传感器可以测量速度一样，振动传感器测量振动不是天经地义的事吗？

先不讨论这个问题，试想一下另外一个场景。想象一下，喂马劈柴、周游世界。坐在马背上，欣赏自然界崇山峻岭、河流湖泊，看身旁树木嗖嗖的离我们远去。由于我们的屁股和骏马相对静止，若想获得骏马和我们屁股的前进速度，必须以静止的树木为参照物。

前文图中病人必须保持安静，医生才能通过听诊器得到病人准确的心跳和脉搏信息。从这两个例子可以看出需要一个静止参考系才能获得设备运动信息。但是回想下我们在工程实际测量时，并没有寻找绝对静止的参考系，而是胶水一粘，将振动传感器安装在被测设备上。那么问题来了，这个时候我们测得的振动是被测设备真的振动吗，或者设备振动测试结果能够满足工程偏差吗？不知道这个问题大家有没有思考过，假装微笑一下。问题的答案当然是肯定的，否则BK(HBM)、PCB等这类公司就不会存在了。

为解答此问题，下文首先分析学习相对式和惯性式两类振动传感器，简要说明振动传感器测量振动的方法，然后给出振动传感器选型时需要注意的参数。

2. 相对式和惯性式振动传感器

我们常用的振动传感器是将振动信号转换为电信号，那么它就包括机械接收和机电变换两部分。机电变换是将原始机械振动转换为电压或者电荷等电信号，还包含信号调理和放大部分，不属于本次研究的范围。按照机械接收方法不同，振动传感器又分为相对式和惯性式两类，如下图所示。

由上可知，相对式机械接收振动传感器所测得的结果是被测设备相对于基准面的相对振动，就像高速公路上的测速雷达一样，测的是汽车相对于静止公路的绝对速度。绝对速度，原理简单明了；但是如果不方便或者无法找到静止参考点，就不能利用相对式机械测量振动，比如地震时地面和大楼的摆动、行驶中的汽车转向抖动、白车身振动等等，这时就必须采用惯性式机械接收振动传感器。

惯性式机械接收传感器能够测量振动的原因可以参考“[振动基础篇]3.固有频率VS共振频率，傻傻分不清楚？”一文。此时将被测设备的振动作为激励，上图绿色方框标注的就是一个典型的有阻尼单自由度弹簧系统。

下面通过受力分析简要说明惯性式机械接收传感器的工作原理。弹簧静变形产生的弹性力和重力大小相等，方向相反；简单起见，可认为振动传感器里面质量块仅受阻尼力、弹性力、牵连惯性力的作用。

在受迫激励下，弹簧质量系统的解由两部分组成，一部分是自由衰减振动，一部分是受迫振动。由于阻尼的存在，自由衰减振动部分会很快衰减。自由衰减振动部分消失之后，就进入稳定的等幅受迫振动状态，也是受迫振动的稳态响应。

到此我们获得了受迫振动下系统的响应。为更清晰明了，可以画出不同的阻尼比（0到2）、频率比（横轴）和振幅放大系数（纵轴）之间的关系。

由上可知，当振动频率远小于弹簧系统固有频率时，振幅放大系数约为1，可认为此时弹簧振动加速度等于被测设备的加速度，这也是振动传感器能够测量振动的原因所在。

3. 振动传感器主要技术指标

现在我们对振动传感器的工作原理已经有了初步认识，在工程选择振动传感器型号时，有以下几个指标需要重点关注：

电压灵敏度：单位为mV/ms-2（或mV/g），有1、10、50、100、1000等规格；常用的为10 mV/ms-2，表示1 ms-2的振动加速度输入可产生10mV的电压信号；电压灵敏度越大，后端调理采样回路就越简单。

分辨率：单位为ms-2，表示能够测量的最小加速度变化。

频率范围：单位为Hz，电压灵敏度越大，弹簧质量块越大，固有频率越小；根据上文分析结果，振动频率需要远小于弹簧系统固有频率，因此可测频率范围越小。

加速度范围：单位为ms-2，可测加速度最大值与电压灵敏度的乘积固定为5V。换句话说，加速度范围与电压灵敏度呈反比关系，加速度范围随着电压灵敏度的增加而减小。

直流偏置电压：振动是个交流信号，振动传感器的输出是在直流偏置电压上叠加这个交流信号，偏置电压一般为12-14V。