振動(dòng)是自然界最普遍的現(xiàn)象之一，大至宇宙小至原子粒子，無(wú)不存在振動(dòng)現(xiàn)象。在工程技術(shù)領(lǐng)域中振動(dòng)現(xiàn)象比比皆是，但在很多情況下振動(dòng)是有害的，例如：振動(dòng)降低加工精度和光潔度，加劇結(jié)構(gòu)件的疲勞和磨損，在車輛和航空領(lǐng)域中機(jī)體及結(jié)構(gòu)件的振動(dòng)不但會(huì)影響駕駛員的操作和舒適度，嚴(yán)重情況下還會(huì)引起機(jī)體、結(jié)構(gòu)件的斷裂甚至解體。

振動(dòng)傳感器是用于檢測(cè)沖擊力或者加速度的傳感器 ，通常使用的是加上應(yīng)力就會(huì)產(chǎn)生電荷的壓電器件，也有采用別的材料和方法可以進(jìn)行檢測(cè)的傳感器。

振動(dòng)傳感器可用于機(jī)械中的振動(dòng)和位移、轉(zhuǎn)子與機(jī)殼的熱膨脹量的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)；生產(chǎn)線的在線自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)控制；科學(xué)研究中的多種微小距離和微小運(yùn)動(dòng)的測(cè)量等。振動(dòng)傳感器廣泛應(yīng)用于能源、化工、醫(yī)學(xué)、汽車、冶金，機(jī)器制造，軍工，科研教學(xué)等諸多領(lǐng)域。

振動(dòng)傳感器測(cè)量振動(dòng)的方式很多，但總結(jié)起來(lái)，原理大多都采用以下三種：

機(jī)械式測(cè)量方法：將工程振動(dòng)的變化量轉(zhuǎn)換成機(jī)械信號(hào)，再經(jīng)機(jī)械系統(tǒng)放大后，進(jìn)行測(cè)量、記錄，常用的儀器有杠桿式測(cè)振儀和蓋格爾測(cè)振儀，這種方法測(cè)量頻率較，精度差，但操作起來(lái)很方便。

光學(xué)式測(cè)量方法：將工程振動(dòng)的變化量轉(zhuǎn)換為光學(xué)信號(hào)，經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)放大后顯示和記錄。象激光測(cè)振儀就是采用這種方法。

電測(cè)方法：將工程振動(dòng)的變化量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)線路放大后顯示和記錄。它是先將機(jī)械振動(dòng)量轉(zhuǎn)化成電量，然后對(duì)其進(jìn)行測(cè)量，根據(jù)對(duì)應(yīng)關(guān)系，知道振動(dòng)量的大小，這是目前應(yīng)用得最廣泛的震動(dòng)測(cè)量方法。

從上面三種測(cè)量方法可以看出，它們都是經(jīng)過(guò)振動(dòng)傳感器、信號(hào)放大電路和顯示記錄三個(gè)環(huán)節(jié)來(lái)完成的。

振動(dòng)傳感器的分類

振動(dòng)傳感器在機(jī)械接收原理方面，只有相對(duì)式、慣性式兩種，但在機(jī)電變換方面，由于變換方法和性質(zhì)不同，其種類繁多，應(yīng)用范圍也極其廣泛。在現(xiàn)代振動(dòng)測(cè)量中所用的傳感器，已不是傳統(tǒng)概念上獨(dú)立的機(jī)械測(cè)量裝置，它僅是整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)中的一個(gè)環(huán)節(jié)，且與后續(xù)的電子線路緊密相關(guān)。

由于傳感器內(nèi)部機(jī)電變換原理的不同，輸出的電量也各不相同。有的是將機(jī)械量的變化變換為電動(dòng)勢(shì)、電荷的變化，有的是將機(jī)械振動(dòng)量的變化變換為電阻 、電感等參量的變化。

一般說(shuō)來(lái)，這些電量 并不能直接被后續(xù)的顯示、記錄、分析儀器所接受。因此針對(duì)不同機(jī)電變換原理的傳感器，必須附以專配的測(cè)量線路。測(cè)量線路的作用是將傳感器的輸出電量 最后變?yōu)楹罄m(xù)顯示、分析儀器所能接受的一般電壓信號(hào)。

一般情況下，振動(dòng)傳感器按其功能不同可以有以下幾種幾種分法：

按機(jī)械接收原理分為相對(duì)式、慣性式；

按機(jī)電變換原理分為電動(dòng)式、壓電式、電渦流式、電感式、電容式、電阻式、光電式；

按所測(cè)機(jī)械量分為位移傳感器、速度傳感器、加速度傳感器。

相對(duì)式和慣性式振動(dòng)傳感器

相對(duì)式振動(dòng)傳感器主要用于測(cè)量振動(dòng)體相對(duì)其振動(dòng)參照點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)（例如機(jī)床轉(zhuǎn)軸相對(duì)于機(jī)床底座的振動(dòng)等）；

慣性式振動(dòng)傳感器主要用于測(cè)量振動(dòng)體相對(duì)于大地或慣性空間的運(yùn)動(dòng)（例如機(jī)床底座的振動(dòng)、地面的振動(dòng)、天空中飛機(jī)的振動(dòng)等）。絕對(duì)式測(cè)振傳感器因?yàn)閮?nèi)部包含慣性質(zhì)量塊，故又稱為慣性式測(cè)振傳感器。

慣性式式振動(dòng)傳感器必須與被測(cè)振動(dòng)體接觸安裝，相對(duì)式傳感器可以是接觸式，亦可以是非接觸式的。

電動(dòng)式振動(dòng)傳感器

電動(dòng)式振動(dòng)傳感器又分為相對(duì)式電動(dòng)傳感器和慣性式電動(dòng)電動(dòng)傳感器

相對(duì)式電動(dòng)傳感器基于電磁感應(yīng)原理，即當(dāng)運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)體在固定的磁場(chǎng)里切割磁力線時(shí)，導(dǎo)體兩端就感生出電動(dòng)勢(shì)，因此利用這一原理而生產(chǎn)的傳感器稱為電動(dòng)式傳感器。

慣性式電動(dòng)傳感器由固定部分、可動(dòng)部分以及支承彈簧部分所組成。為了使傳感器工作在位移傳感器狀態(tài)，其可動(dòng)部分的質(zhì)量應(yīng)該足夠的大，而支承彈簧的剛度應(yīng)該足夠的小，也就是讓傳感器具有足夠低的固有頻率。

根據(jù)電磁感應(yīng)定律，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為：u=BLX&r式中B為磁通密度，為線圈在磁場(chǎng)內(nèi)的有效長(zhǎng)度， r x&為線圈在磁場(chǎng)中的相對(duì)速度。

從傳感器的結(jié)構(gòu)上來(lái)說(shuō)，慣性式電動(dòng)傳感器是一個(gè)位移傳感器。然而由于其輸出的電信號(hào)是由電磁感應(yīng)產(chǎn)生，根據(jù)電磁感應(yīng)電律，當(dāng)線圈在磁場(chǎng)中作相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，所感生的電動(dòng)勢(shì)與線圈切割磁力線的速度成正比。

壓電式振動(dòng)傳感器

壓電式振動(dòng)傳感器還可以分為壓電式加速度傳感器、壓電式力傳感器和阻抗頭

壓電式加速度傳感器

壓電式加速度傳感器的機(jī)械接收部分是慣性式加速度機(jī)械接收原理，機(jī)電部分利用的是壓電晶體的正壓電效應(yīng)。其原理是某些晶體（如人工極化陶瓷、壓電石英晶體等，不同的壓電材料具有不同的壓電系數(shù)，一般都可以在壓電材料性能表中查到。）

在一定方向的外力作用下或承受變形時(shí)，它的晶體面或極化面上將有電荷產(chǎn)生，這種從機(jī)械能（力，變形）到電能（電荷，電場(chǎng)）的變換稱為正壓電效應(yīng)。而從電能（電場(chǎng)，電壓）到機(jī)械能（變形，力）的變換稱為逆壓電效應(yīng)。

因此利用晶體的壓電效應(yīng)，可以制成測(cè)力傳感器，在振動(dòng)測(cè)量中，由于壓電晶體所受的力是慣性質(zhì)量塊的牽連慣性力，所產(chǎn)生的電荷數(shù)與加速度大小成正比，所以壓電式傳感器是加速度傳感器。

壓電式力傳感器

在振動(dòng)試驗(yàn)中，除了測(cè)量振動(dòng)，還經(jīng)常需要測(cè)量對(duì)試件施加的動(dòng)態(tài)激振力。壓電式力傳感器具有頻率范圍寬、動(dòng)態(tài)范圍大、體積小和重量輕等優(yōu)點(diǎn)，因而獲得廣泛應(yīng)用。壓電式力傳感器的工作原理是利用壓電晶體的壓電效應(yīng)，即壓電式力傳感器的輸出電荷信號(hào)與外力成正比。

阻抗頭

阻抗頭是一種綜合性傳感器。它集壓電式力傳感器和壓電式加速度傳感器于一體，其作用是在力傳遞點(diǎn)測(cè)量激振力的同時(shí)測(cè)量該點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。

因此阻抗頭由兩部分組成，一部分是力傳感器，另一部分是加速度傳感器，它的優(yōu)點(diǎn)是，保證測(cè)量點(diǎn)的響應(yīng)就是激振點(diǎn)的響應(yīng)。

使用時(shí)將小頭（測(cè)力端）連向結(jié)構(gòu)，大頭（測(cè)量加速度）與激振器的施力桿相連。從“力信號(hào)輸出端”測(cè)量激振力的信號(hào)，從“加速度信號(hào)輸出端”測(cè)量加速度的響應(yīng)信號(hào)。

注意，阻抗頭一般只能承受輕載荷，因而只可以用于輕型的結(jié)構(gòu)、機(jī)械部件以及材料試樣的測(cè)量。無(wú)論是力傳感器還是阻抗頭，其信號(hào)轉(zhuǎn)換元件都是壓電晶體，因而其測(cè)量線路均應(yīng)是電壓放大器或電荷放大器。

電渦流式振動(dòng)傳感器

電渦流振動(dòng)傳感器是一種相對(duì)式非接觸式傳感器，它是通過(guò)傳感器端部與被測(cè)物體之間的距離變化來(lái)測(cè)量物體的振動(dòng)位移或幅值的。

電渦流傳感器具有頻率范圍寬（0～10 kHZ），線性工作范圍大、靈敏度高以及非接觸式測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，主要應(yīng)用于靜位移的測(cè)量、振動(dòng)位移的測(cè)量、旋轉(zhuǎn)機(jī)械中監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)軸的振動(dòng)測(cè)量。

電感式振動(dòng)傳感器

電感式振動(dòng)傳感器是依據(jù)電磁感應(yīng)原理設(shè)計(jì)的一種振動(dòng)傳感器。電感式振動(dòng)傳感器設(shè)置有磁鐵和導(dǎo)磁體，對(duì)物體進(jìn)行振動(dòng)測(cè)量時(shí)，能將機(jī)械振動(dòng)參數(shù)轉(zhuǎn)化為電參量信號(hào)。因此，電感傳感器有二種形式，一是可變間隙，二是可變導(dǎo)磁面積。電感式振動(dòng)傳感器能應(yīng)用于振動(dòng)速度、加速度等參數(shù)的測(cè)量。

電容式振動(dòng)傳感器

電容式振動(dòng)傳感器是通過(guò)間隙或公共面積的改變來(lái)獲得可變電容，再對(duì)電容量進(jìn)行測(cè)定而后得到機(jī)械振動(dòng)參數(shù)的。電容式振動(dòng)傳感器可以分為可變間隙式和可變公共面積式兩種，前者可以用來(lái)測(cè)量直線振動(dòng)位移，后者可用于扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的角位移測(cè)定。

電阻應(yīng)變式振動(dòng)傳感器

電阻式應(yīng)變式振動(dòng)傳感器是將被測(cè)的機(jī)械振動(dòng)量轉(zhuǎn)換成傳感元件電阻的變化量。實(shí)現(xiàn)這種機(jī)電轉(zhuǎn)換的傳感元件有多種形式，其中最常見的是電阻應(yīng)變式片。

電阻應(yīng)變片的基本構(gòu)造如圖，它一般由敏感柵、基底、引線、蓋片等組成。敏感柵由直徑為0.01-0.05mm、高電阻系數(shù)的細(xì)絲彎曲而成柵狀，它實(shí)際上是一個(gè)電阻元件，是電阻應(yīng)變片感受構(gòu)件應(yīng)變的敏感部分。敏感柵用粘合劑將其固定在基底上?；椎淖饔脩?yīng)保證將構(gòu)件上應(yīng)變準(zhǔn)確地傳遞到敏感柵上去。

當(dāng)試件受力變形時(shí)，應(yīng)變片的敏感柵也獲得同樣的變形，從而使其電阻隨之發(fā)生變化，而此電阻變化是與試件應(yīng)變成比例的，因此如果通過(guò)一定測(cè)量線路將這種電阻變化轉(zhuǎn)換為電壓或電流變化，然后再用顯示記錄儀表將其顯示記錄下來(lái)，就能知道被測(cè)試件應(yīng)變量的大小。

光纖振動(dòng)傳感器

隨著光纖和光電子器件技術(shù)研究的不斷深入，光纖傳感技術(shù)得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。由于光纖傳感器的體積小、質(zhì)量輕、精度高、響應(yīng)快、動(dòng)態(tài)范圍寬、響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，并且它具有良好的抗電磁干擾、耐腐蝕性和不導(dǎo)電性，所以在很多領(lǐng)域都應(yīng)用廣泛。

光纖振動(dòng)傳感器的出現(xiàn)已有30來(lái)年的歷史，它是測(cè)量振動(dòng)信號(hào)的。最初的光纖振動(dòng)傳感器是采用干涉式的結(jié)構(gòu)，利用振動(dòng)產(chǎn)生的光纖應(yīng)變導(dǎo)致干涉儀信號(hào)臂的相位發(fā)生變化，但這種傳感器結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，不利于重復(fù)用。

相位調(diào)制型光纖振動(dòng)傳感器

位調(diào)制型光纖振動(dòng)傳感器運(yùn)用一個(gè)相干激光光源和兩個(gè)單模光纖。光線被分束后入射到光纖。如果干擾影響兩根相關(guān)光纖的其中一根、就會(huì)引起位相差，這個(gè)位相差可精確地檢測(cè)出。位相差可用干涉儀測(cè)量。有四種干涉儀結(jié)構(gòu)。它們包括：馬赫—澤德爾、邁克爾遜、法布里—帕羅和賽格納克干涉儀。

下面是基于光纖Sagnac干涉原理。A和B是干涉儀的兩個(gè)傳感臂，起到傳輸光的作用。C是一段被繞成圓環(huán)狀的光纖，是用來(lái)接收或感應(yīng)外接信息的變化，22光纖3dB

耦合器被用來(lái)分解和合成干涉光束。

注入的光經(jīng)過(guò)耦合器被分為兩束，一束光由A到C再到B，最后傳回到耦合器中；另一束由B到C再到A，最后傳回到耦合器中，兩束光相遇產(chǎn)生干涉。

光纖Sagnac干涉振動(dòng)傳感器，是以光學(xué)Sagnac干涉儀為基礎(chǔ)，利用單模光纖和3dB耦合器構(gòu)成。該傳感器能夠探測(cè)微弱振動(dòng)，當(dāng)信號(hào)在固體中傳播并作用于傳感器的敏感元件時(shí)，傳感器的輸出光強(qiáng)度受到了信號(hào)的調(diào)制。通過(guò)檢測(cè)輸出光強(qiáng)度，并利用Fourier變換，獲得信號(hào)的頻率特征。

光強(qiáng)調(diào)制型光纖振動(dòng)傳感器

在光纖通信中，光纖耦合技術(shù)成熟的基礎(chǔ)上，人們研制成功了一種全光纖器件的高性能耦合型光纖聲振動(dòng)傳感器，以其測(cè)量帶寬，靈敏度高，解調(diào)、制作成本低，使用簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，受到很多人的關(guān)注。

為使單模光纖耦合器可作為傳感器應(yīng)用，研究人員分析了單模光纖耦合傳感器的敏感機(jī)理，根據(jù)傳感器耦合輸出與傳感器耦合區(qū)長(zhǎng)度及耦合區(qū)振動(dòng)頻率存在一定的關(guān)系這一原理，可以制成光纖振動(dòng)傳感器，實(shí)現(xiàn)振動(dòng)的檢測(cè)。

熔錐形光纖耦合器結(jié)構(gòu)示意圖

當(dāng)入射光P0 進(jìn)入輸入端時(shí)，隨著兩個(gè)光波導(dǎo)逐漸靠近，兩個(gè)傳導(dǎo)模開始發(fā)生重疊現(xiàn)象，在雙錐體結(jié)構(gòu)的耦合區(qū)，光功率再分配，一部分光功率從“直通臂”繼續(xù)傳輸，另一部分則是由“耦合臂”傳到另一光路。

耦合器兩輸出端的輸出功率之差與激振源的振動(dòng)加速度成線性關(guān)系。因此，可以通過(guò)測(cè)量耦合器輸出功率的變化，求出傳感器加速度的值，實(shí)現(xiàn)對(duì)振動(dòng)的測(cè)量。

此類傳感器對(duì)應(yīng)變的響應(yīng)非常靈敏,耦合比的線性關(guān)系良好,且溫度漂移影響可以穩(wěn)定在0. 5 %以內(nèi)。與壓電振動(dòng)傳感器的測(cè)試對(duì)比,該傳感器可更好地實(shí)現(xiàn)0～50 Hz 低頻和4 kHz 高頻振動(dòng)檢測(cè)。

波長(zhǎng)調(diào)制型光纖振動(dòng)傳感器的原理及結(jié)構(gòu)

波長(zhǎng)調(diào)制傳感原理為被測(cè)場(chǎng)/參量與敏感光纖相互作用，引起光纖中傳輸光的波長(zhǎng)改變，進(jìn)而通過(guò)測(cè)量光波長(zhǎng)的變化量來(lái)確定被測(cè)參量。

由布拉格中心波長(zhǎng)的數(shù)學(xué)表達(dá)式3.1.3，通過(guò)外界參量對(duì)布拉格中心波長(zhǎng)的調(diào)制來(lái)獲取傳感信息，這個(gè)過(guò)程是光纖光柵的傳感原理。

式中，纖芯的有效折射率是，T為光柵的周期。

由方程可知，是由光柵周期，反向耦合模的有效折射率決定的。其中，任何能使得這兩個(gè)參數(shù)發(fā)生變化的物理過(guò)程都將引起光柵布拉格波長(zhǎng)的漂移。在所有引起光柵布拉格波長(zhǎng)漂移的外接因素中，最直接的是應(yīng)變參數(shù)的改變。

如下圖所示，一臺(tái)光纖光柵振動(dòng)傳感器，由機(jī)械懸梁臂一端固定在封裝殼上，與待測(cè)的物臺(tái)連接。在測(cè)量振動(dòng)時(shí)，振動(dòng)源和物臺(tái)同時(shí)振動(dòng)，而引起懸梁臂振動(dòng)。

兩個(gè)相同特質(zhì)的光纖光柵，一個(gè)安裝在懸梁臂下表面的對(duì)稱位置作為信號(hào)解調(diào)光柵，另一個(gè)安裝在機(jī)械懸梁臂的上表面上作為傳感光柵。

由振動(dòng)慣性力的作用下懸臂梁發(fā)生機(jī)械振動(dòng)，帶動(dòng)兩個(gè)光柵產(chǎn)生周期性的應(yīng)變拉伸或收縮，從而引起FBG的布拉格波長(zhǎng)發(fā)生變化，通過(guò)探測(cè)波長(zhǎng)的信息前后是否一致，就能實(shí)現(xiàn)振動(dòng)測(cè)量。

光通過(guò)2×2 光纖耦合器，送到傳感頭1上。之后，反射光信號(hào)返回又經(jīng)2×2 光纖耦合器，經(jīng)過(guò)傳感頭2上，傳感頭2的透射光強(qiáng)經(jīng)光電轉(zhuǎn)化，由光信號(hào)轉(zhuǎn)換為振動(dòng)的電信號(hào)，此時(shí)傳感頭2的作用是用作傳感頭1的光波長(zhǎng)濾波器，將傳感頭1的波長(zhǎng)改變轉(zhuǎn)化成為光強(qiáng)信號(hào)變化。

光纖光柵振動(dòng)傳感器圖

此光纖光柵振動(dòng)傳感器特點(diǎn)是用一種新的簡(jiǎn)單易行的解調(diào)技術(shù)，可以有效消除光纖光柵敏感信號(hào)的啁啾現(xiàn)象，有效減弱傳感器的溫度交叉敏感的問(wèn)題，振動(dòng)測(cè)量精度有顯著的提高。

審核編輯：劉清