振动传感器种类、原理及发展趋势

振动传感器种类、原理及发展趋势

【摘要】振动传感器是一种能感受机械运动振动的参量(振动速度、频率，加速度等)并转

换成可用输出信号的传感器。

在高度发展的现代工业中，现代测试技术向数字化、信息化方向发展已成必然发展趋势，而测试系统的最前端是传感器，它是整个测试系统的灵魂，被世界各国列为尖端技术，特别是近几年快速发展的IC技术和计算机技术，为传感器的发展提供了良好与可靠的科学技术基础。使传感器的发展日新月益，且数字化、多功能与智能化是现代传感器发展的重要特征。

【关键词】 种类；原理；发展趋势

【Abstract】: Vibration transducer is atransducer that can feel the vibration of a mechanical

movement parameters (frequency of the vibration velocity, acceleration, etc.) and converted into usable output signal of the sensor.

At the height of the development of modern industry, modern testing technology to digitization, information management has become an inevitable trend of development, and testing system for the front end is the sensor, it is the soul of an entire test system, is listed as a leading-edge technology around the world, particularly in recent years, the rapid development of IC

technology and computer technology, the development of a sensor provides a good and reliable scientific and technology base. Place the sensor development, Crescent IK, and multipurpose digital, is a modern and intelligent sensor development, an important feature.

【Keywords】:type , principle , inevitable trend of development

振动传感器的分类

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1、相对式电动传感器

电动式传感器基于电磁感应原理，即当运动的导体在固定的磁场里切割磁力线时，导体两端就感生出电动势，因此利用这一原理而生产的传感器称为电动式传感器。

相对式电动传感器从机械接收原理来说，是一个位移传感器，由于在机电变换原理中应用的是电磁感应电律，其产生的电动势同被测振动速度成正比，所以它实际上是一个速度传感器。

2、电涡流式传感器

电涡流传感器是一种相对式非接触式传感器，它是通过传感器端部与被测物体之间

的距离变化来测量物体的振动位移或幅值的。电涡流传感器具有频率范围宽（0～10 kHZ），线性工作范围大、灵敏度高以及非接触式测量等优点，主要应用于静位移的测量、振动位移的测量、旋转机械中监测转轴的振动测量。

3、电感式传感器

依据传感器的相对式机械接收原理，电感式传感器能把被测的机械振动参数的变

化转换成为电参量信号的变化。因此，电感传感器有二种形式，一是可变间隙，二是可变导磁面积。

4、电容式传感器

电容式传感器一般分为两种类型。即可变间隙式和可变公共面积式。可变间隙式

可以测量直线振动的位移。可变面积式可以测量扭转振动的角位移。

5、惯性式电动传感器

惯性式电动传感器由固定部分、可动部分以及支承弹簧部分所组成。为了使传感

器工作在位移传感器状态，其可动部分的质量应该足够的大，而支承弹簧的刚度应该足够的小，也就是让传感器具有足够低的固有频率。 根据电磁感应定律，感应电动势为：u=Blx&r

式中B为磁通密度，l为线圈在磁场内的有效长度， r x&为线圈在磁场中的相对速度。

从传感器的结构上来说，惯性式电动传感器是一个位移传感器。然而由于其输出的电信号是由电磁感应产生，根据电磁感应电律，当线圈在磁场中作相对运动时，所感生的电动势与线圈切割磁力线的速度成正比。因此就传感器的输出信号来说，感应电动势是同被测振动速度成正比的，所以它实际上是一个速度传感器。

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6、压电式加速度传感器

压电式加速度传感器的机械接收部分是惯性式加速度机械接收原理，机电部分利

用的是压电晶体的正压电效应。其原理是某些晶体（如人工极化陶瓷、压电石英晶体等，不同的压电材料具有不同的压电系数，一般都可以在压电材料性能表中查到。）在一定方向的外力作用下或承受变形时，它的晶体面或极化面上将有电荷产生，这种从机械能（力，变形）到电能（电荷，电场）的变换称为正压电效应。而从电能（电场，电压）到机械能（变形，力）的变换称为逆压电效应。

因此利用晶体的压电效应，可以制成测力传感器，在振动测量中，由于压电晶体所受的力是惯性质量块的牵连惯性力，所产生的电荷数与加速度大小成正比，所以压电式传感器是加速度传感器。

7、压电式力传感器

在振动试验中，除了测量振动，还经常需要测量对试件施加的动态激振力。压电

式力传感器具有频率范围宽、动态范围大、体积小和重量轻等优点，因而获得广泛应用。压电式力传感器的工作原理是利用压电晶体的压电效应，即压电式力传感器的输出电荷信号与外力成正比。

8、阻抗头

阻抗头是一种综合性传感器。它集压电式力传感器和压电式加速度传感器于一

体，其作用是在力传递点测量激振力的同时测量该点的运动响应。因此阻抗头由两部分组成，一部分是力传感器，另一部分是加速度传感器，它的优点是，保证测量点的响应就是激振点的响应。使用时将小头（测力端）连向结构，大头（测量加速度）与激振器的施力杆相连。从“力信号输出端”测量激振力的信号，从“加速度信号输出端”测量加速度的响应信号。

注意，阻抗头一般只能承受轻载荷，因而只可以用于轻型的结构、机械部件以及材料试样的测量。无论是力传感器还是阻抗头，其信号转换元件都是压电晶体，因而其测量线路均应是电压放大器或电荷放大器。

9、电阻应变式传感器

电阻式应变式传感器是将被测的机械振动量转换成传感元件电阻的变化量。实现

这种机电转换的传感元件有多种形式，其中最常见的是电阻应变式的传感器。 电阻应变片的工作原理为：应变片粘贴在某试件上时，试件受力变形，应变片原长变化，从而应变片阻值变化，实验证明，在试件的弹性变化范围内，应变片电阻的相对变化和其长度的相对变化成正比。

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振动传感器原理

振动传感器原理概述：

将传感器紧固在被测的振动体上，当振动体在传感器敏感的测量方向上振动时，传感器内部的振动磁钢相应的强制振动，安装在振动磁钢旁边的磁敏元件能够感应磁钢振动引起的磁场变化，并产生一交变电压信号，此信号经电路处理放大后，输出与被测振动参数（频率和幅度大小）相对应的交变电压信号。

振动传感器 原理

振动传感器在测试技术中是关键部件之一，它的作用主要是将机械量接收下来，并转换为与之成比例的电量。由于它也是一种机电转换装置。所以我们有时也称它为换能器、拾振器等。

振动传感器并不是直接将原始要测的机械量转变为电量，而是将原始要测的机械

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量做为振动传感器的输入量，然后由机械接收部分加以接收，形成另一个适合于变换的机械量，最后由机电变换部分再将变换为电量。因此一个传感器的工作性能是由机械接收部分和机电变换部分的工作性能来决定的。

1、相对式机械接收原理

由于机械运动是物质运动的最简单的形式，因此人们最先想到的是用机械方法测

量振动，从而制造出了机械式测振仪（如盖格尔测振仪等）。传感器的机械接收原理就是建立在此基础上的。相对式测振仪的工作接收原理是在测量时，把仪器固定在不动的支架上，使触杆与被测物体的振动方向一致，并借弹簧的弹性力与被测物体表面相接触，当物体振动时，触杆就跟随它一起运动，并推动记录笔杆在移动的纸带上描绘出振动物体的位移随时间的变化曲线，根据这个记录曲线可以计算出位移的大小及频率等参数。 由此可知，相对式机械接收部分所测得的结果是被测物体相对于参考体的相对振动，只有当参考体绝对不动时，才能测得被测物体的绝对振动。这样，就发生一个问题，当需要测的是绝对振动，但又找不到不动的参考点时，这类仪器就无用武之地。例如：在行驶的内燃机车上测试内燃机车的振动，在地震时测量地面及楼房的振动……，都不存在一个不动的参考点。在这种情况下，我们必须用另一种测量方式的测振仪进行测量，即利用惯性式测振仪。

2、惯性式机械接收原理

惯性式机械测振仪测振时，是将测振仪直接固定在被测振动物体的测点上，当传感器外壳随被测振动物体运动时，由弹性支承的惯性质量块将与外壳发生相对运动，则装在质量块上的记录笔就可记录下质量元件与外壳的相对振动位移幅值，然后利用惯性质量块与外壳的相对振动位移的关系式，即可求出被测物体的绝对振动位移波形。

ATM专用系列震动传感器YT-JB3 震动探测器YT-JB3振动入侵探测器通过公安部门权威检验,CCC认证，EMC认证是银行入围产品，行业领先,质量保证。 自动取款机ATM震动探测器YT-JB3开关亮信号，全向探测，探测灵敏度可调，报警时间、距离可设置，探测方向可调。输出周期为2秒-180秒可设置，具有多种输出方式，包含开关量输出、电压输出、以及常开和常闭输出选择。可直接带动警号、警灯或联动灯光、电话拔号器。并且可以调节灵敏度和延迟时间，使用非常方便。输出2组信号，第一组：可实现远程报警，（可与报警主机或报警控制器、硬盘录像机、监控主机、110连接）。第二组：本地现场报警（可与警号，警笛，喇叭，声光报警器等设备连接）YT-JB3系列振动传感器,是一种集振动和位移检测于一身的全方信固态控制器件,是目前作为震动报警和状态检测的最佳选择,传感部分采用目前最先进固态加速度检测器件,既对振动有很高的检测灵敏度,又对周围环境的声音信号抑制,具有很强的搞干扰能力,可广泛应用于各种墙体、ATM取款机、基站、玻璃、保险柜、金库、库房门窗、驾校电子桩碰撞振动、机动车等场合的防盗装置中防撬 防砸 防破坏。特别适用于ATM监控系统中。YT-JB3系列振动传感器，内部含有专用的控

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制芯片,及震动分析电路。具有多种输出方式，包含开关量输出、电压输出、以及常开和常闭输出选择。可直接带动警号、警灯或联动灯光、电话拔号器。并且可以调节灵敏度和延迟时间，使用非常方便。

微处理器控制，探测和分析处理一体化，灵敏度高低两档设置并连续可调，振动脉冲计数分析0，2，4，6次可调

适用各种砖、混凝土、木头、金属墙体和玻璃等，防护半径：0.5-4米，可多只串联使用增大防护面积，

可用于墙振动入侵探测器、ATM机振动入侵探测器、地音振动入侵探测器、报警控制器银行ATM、金库、仓库、保险柜、展品柜等防护，常闭输出，自动复位或锁存，防拆本产品适用于各种结构的银行金库、部队的武器库、国家炸药库、毒品库、贵重物资库等的安全防护。

由于YT-JB3系列器件工作在固态检测方式,故不存在机械疲劳,灵敏度降低,误触发和受环境湿度温度影响等不良现象,具有很好的一致性。它相比之于无源的振动传感器，具有极高的可靠性。

防护范围：砖墙3.5米、钢板3米、木板3.5米、混凝土1.5米、复合板4米、石膏板2.5米、玻璃3.5米； 产品说明

智能震动探测器采用最新科技piezo压电式技术传感器与数字信号处理相结合，对震动信号的频率、震幅强弱和持续时间进行精密的震动信号分析和处理，以区分处理真正的攻击行为和自然环境的震动干扰,确保快速可靠的最佳探测性能和超强的抗误报功能，特别适合用于保护ATM取款机、自动柜员机、保险箱、金库和门窗等防敲击物体。

本产品安装简易,无须连接震动分析仪, 独立的报警信号直接输出与报警主机连接(当破坏者进行破坏时,震动探测器会向报警主机传输信号直接到110报警中心);双重可调节探测灵敏度（灵敏度的高低或强弱可调）,用户可以根据现场的保护环境进行设置调节灵敏度，从而达到最佳的探测效果。对于屋外的风、雨或路过汽车等引起的干扰不会产生误报,但对入侵者在室外对被防护的物体对像进行推、打、钻孔或者用电锯进行破坏等敲击震荡却有极高的灵敏度!

目前国内销量最大、性能最稳定、价格最具优势的智能震动探测器。

震动探测器是以探测入侵者走动或破坏活动时产生的震动信号来触发报警的探测器。震动传感器是震动探测器的核心部件。常用的震动探测器有位移式传感器（机械式）、速度传感器（电动式）、加速度传感器（压电晶体式）等，震动探测器基本上属于面控制型探测器。

常见的有水银式、重锤式、钢球式。当直接或间接受到机械冲击震动时，水银珠、钢珠、重锤都会离开原来的位置而出发报警。这种传感器灵敏度低、控制范围小，只适合小范围控制，如门窗、保险柜、局部的墙体。钢珠式虽然可以用于建筑物，但只有4m2左右，很少使用。

解速度传感器一般选用电动式传感器，由永久磁铁、线圈、弹簧、阻尼器和壳体

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组成。这种传感器灵敏度高，探测范围大，稳定性好，但加工工艺较高，价格较高。 加速度传感器一般是压电式加速度计，是利用压电材料因震动产生的机械形变而产生电荷，由此电荷的大小来判断震动的幅度，同时籍此电路来调整灵敏度。 震动探测器应该与探测面安装牢固，否则不易感受到震动，应该远离震动干扰源。 产品使用说

一、YT-JB3A震动传感器应用：特别设计作金属和水泥墙防破坏用，适用于保险箱、金属门、密室、钱箱和银行水泥墙、自动柜员机、ATM取款机、保险箱等防击防敲物体等保护防盗保险柜

是针对ATM/自助银行系统而设计研发的一种新型高灵敏度全向振动传感器，具有全向检测、灵敏度可调、高抗干扰能力、产品一致性和互换性好、体积小、可靠性高、价格低等特点。

二YT-JB3振动传感器主要性能： 灵敏度： 高低可调 一致性及互换性： 好

可靠性及抗干扰： 无误触发、抗干扰强 自动复位： 自动复位性强 信号的后期处理： 简单

输出信号： 开关信号，外观小巧，安装调试方便。

无需外接振动分析板： 产品内部设计振动分析放大电路 三、YT-JB3主要性能参数：

1、工作电压：12VDC（红线V+ 屏蔽线V-）； 2、灵敏度：大于等于0.2g； 3、频率范围：0.5HZ～20HZ；

4、工作温度范围：-10℃～50℃； 5、体积： 6.0㎝×4.5㎝×2.1㎝ 6、检测方向：全向。

7、信号输出：开关信号（黄/白线）；

8、输出脉冲宽度：与振动信号幅度成正比；

控制防范：每只振动探测器可控制 10m 2 左右的房间。 灵敏度：在探测器警戒防范区内，以 60kg（±5kg）体重的人用≥1kg钢锤或其它工具打墙1－3次报警。 报警延时： 1－8秒； 报警输出：继电器常闭（警戒为常闭、报警常开）。 7

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防拆功能：打开探测器盒盖或断电源线时报警。 误报率低：在电路中采用特殊信号处理电路，使之误报率最小 警戒电流 ≦ 47mA，报警电流 ≦ 30mA。 四、使用中注意的问题：

YT-JB3振动传感器与其他的振动传感器一样，安装时使用粘结胶固定，以减小振动源至传感器之间的信号衰减。

发展趋势

引入新技术发展新功能

随着人们对自然认识的深化，会不断发现一些新的物理效应、化学效应、生物效应等。利用这些新的效应可开发出相应的新型传感器，从而为提高传感器性能和拓展传感器的应用范围提供新的可能。图尔克市场技术部产品经理兼技术支持主管杨德友向记者表示，“目前传感器界的最大特点就是不断引入新技术发展新功能。”如检测金属产品位置的电感式接近开关，它利用金属物体接近能产生电磁场的振荡感应头时在被测金属上形成的涡流效应来检测金属产品的位置。由于不同金属涡流效应的效果不同，因此不同金属的检测距离是不一样的，尤其是面对各类合金时，普通的电感式接近开关就显得力不从心，这就要求生产厂商在提高产品功能上下功夫。由于电感式接近开关其内部结构是在铁氧体磁芯上绕制线圈作为电感线圈，而铁氧体磁芯自身的限制使得电感式传感器不可能在已有的设计理念下发展，那么只能在技术上开发出可以替代铁氧体线圈的产品来提高产品的性能。图尔克公司的电感式接近开关就摒弃了铁氧体磁芯，从而去掉了磁芯的限制。这样在检测不同金属时可以通过电路调节提高产品的检测距离，并且全金属检测距离无衰减，抗干扰能力也有所提升。

而美国邦纳工程国际有限公司上海代表处的产品经理何广军也表示，如何在产品中引用新技术已成为传感器制造商获得突破的关键。如雷达传感器，虽然这项技术是在美国发展起来的，但是在中国却有着巨大的市场，邦纳及时的把这项技术引入到中国的市场中来，研发出了R-Gage QT50R雷达传感器。R-Gage QT50R雷达传感器是针对光学和超声波传感器无法发挥作用的条件而研发的，并且能够用于检测多普勒雷达无法检测的固定物体。可通过DIP开关轻而易举地设置检测范围，并能忽略设定距离之外的物体。何广军经理补充说，“24GHz雷达波的特性决定其可以应用在户外，用于检测大型铁磁性物体有无或者港口机械防撞应用。” 利用新材料发展新产品

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传感器材料是传感器技术的重要基础，随着材料科学的进步，人们可制造出各种新型传感器。例如用高分子聚合物薄膜制成温度传感器，光导纤维能制成压力、流量、温度、位移等多种传感器，用陶瓷制成压力传感器。

高分子聚合物能随周围环境的相对湿度大小成比例地吸附和释放水分子。将高分子电介质做成电容器，测定电容容量的变化，即可得出相对湿度。利用这个原理制成的等离子聚合法聚苯乙烯薄膜温度传感器，具有测湿范围宽、温度范围宽、响应速度快、尺寸小、可用于小空间测湿、温度系数小等特点。

陶瓷电容式压力传感器是一种无中介液的干式压力传感器。采用先进的陶瓷技术，厚膜电子技术，其技术性能稳定，年漂移量的满量程误差不超过0.1%，温漂小，抗过载更可达量程的数百倍。

光导纤维的应用是传感材料的重大突破，光纤传感器与传统传感器相比有许多特点：灵敏度高、结构简单、体积小、耐腐蚀、电绝缘性好、光路可弯曲、便于实现遥测等。而光纤传感器与集成光路技术的结合，加速了光纤传感器技术的发展。将集成光路器件代替原有光学元件和无源光器件，光纤传感器又具有了高带宽、低信号处理电压、可靠性高、成本低等特点。 紧跟用户需求更易操作

传感器在技术水平和功能上的迅速发展，一方面来自于计算机、检测等技术的发展，另一方面则源于应用领域需求的驱动。广州市施克传感器有限公司高级产品经理崔丽丽表示，用户的新要求在推动着传感器技术的发展。“以机器视觉传感器为例，以前用户可能只需要2D的效果，现在越来越多的用户开始要求能够实现3D的检测效果，施克的3D视觉传感器就是跟随着用户的需要而研发出来的。”崔丽丽经理介绍说，施克的Ranger C产品系列采用相机连接技术与PC进行连接，这样就简化了集成过程并且提高了采集速率。在3D模式下，Ranger C每秒采集约30000幅图片，每一张图片包含1536个高质量三维坐标，相当于每秒4500万个3D点。整套3D算法在相机内完成，这样就节省了购买昂贵的后处理器的花销。Ranger C还可以在多路扫描模式下进行操作，用户可以从一个相机中同时得到包括3D形状以及包括灰度等级、光泽度、激光分散度在内的多种密度数据。在线扫描模式下，所有的特征图像在物体通过相机时被捕捉下来，然后通过相机连接接口送到PC上用于简单的系统集成。

在用户需求催生出越来越多传感器新品的同时，厂商也开始越发重视让产品更适用于用户的操作和需要。邦纳的产品经理何广军表示，传感器制造商注重用户需求的最大体现就是对友好操作的注重。何广军经理说，“在业内，我们有一种说法就是让传感器远离计算机专家，意思就是让用户实现简单操作。” 上海倍加福工业自动化贸易有限公司产品市场总监John Saw也表示，如何通过对多种智能传感器的组合让用户更简单的使用传感器已经成为公司发展的一个方向。如作为专用于传感器和执行器之间联网通讯的国际标准

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的AS-I（EN50295），它摒弃了传统接线中，电源必须连接到每只传感器并且信号线必须连到I/O模块中的限制。一个AS-I网络中最多可包含124只简单的传感器或31个可编程的AS-I传感器，用户可组合使用。 MEMS技术带动传感器的发展

半导体技术中的加工方法有氧化、光刻、扩散、沉积、平面电子工艺、各向导性腐蚀及蒸镀，溅射薄膜等，这些都已引进到传感器制造。因而产生了各种新型传感器，如利用半导体技术制造出硅微传感器，利用薄膜工艺制造出快速响应的气敏、湿敏传感器，利用溅射薄膜工艺制造压力传感器等。精量电子市场总监陈振指出，MEMS技术肯定是传感器技术未来的主要趋势之一。基于MEMS硅微加工技术，传感器具有体积小、低功耗等特点，易于集成在各种模拟和数字电路中，广泛应用于汽车碰撞实验、测试仪器、设备振动监测等领域。

陈振总监表示，传感器发展的另一大特点是向着集成化、智能化方向发展。集成传感器的优势是传统传感器无法达到的，它不仅仅是一个简单的传感器，其将辅助电路中的元件与传感元件同时集成在一块芯片上，使之具有校准、补偿、自诊断和网络通信的功能，它可降低成本、增加产量。而智能化传感器是一种带微处理器的传感器，是微型计算机和传感器相结合的成果，它兼有检测、判断和信息处理功能，与传统传感器相比有很多特点，具有判断和信息处理功能，可实现多传感器多参数测量，有自诊断和自校准功能，测量数据可存取，且具有数据通信接口，能与微型计算机直接通信。把传感器、信号调节电路、单片机集成在一个芯片上形成超大规模集成化的高级智能传感器已经成为一个新的发展趋势。

数字的还是模拟的？

模拟还是数字？在工业化测量和控制领域，依旧存在着争执。尽管问题很简单，并且有越来越多的数字化传感器产品，但仍然很难下结论。中国科学院电工研究所新能源组的副研究员李建林与中铁电气化勘测设计研究院有限公司副总工程师、高级工程师兼国际项目管理专家王术合在接受采访时也都提出了同样的问题。

在一些控制领域的应用中，往往有很多不同的输入以及多变量的处理，这些复杂的要求只有数字电路应付得过来。然而，在另一些应用中，模拟依旧占主导地位。模拟器件设计相对简单，对应于简单的电路，特别是面对成本控制等诸多因素，模拟都是首选。 随着传感器技术的进一步发展，传感器设备集成了越来越多的数字化电路和接口。有专家指出，“MEMS与集成电路的结合，可以使工业解决方案的设计摒弃那些需要复杂信号处理的传统技术。”而传感器提供了数字输出信号，这需要内部具备集成的电路，如ADC以及串行器。因为制造方式相同，所需材料相同，基于MEMS的传感器就更加适合数字化。

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恰似传感器“模拟与数字”的问题，依据应用的场合不同而不同，对于未来传感器的未来，该是“仁者见仁，智者见智”的问题。

参考文献 《内燃机及动力装置测试技术》罗红英 哈尔滨工程大学出版社 《传感器原理》余瑞芬 航空工业出版社 《振动传感器》孙玉声 西安交通大学出版社 《传感器与检测技术》王俊杰 清华大学出版社

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