在物联网系统中振动传感器测量振动的高精度方案

物联网系统中为什么要使用振动传感器

物联网系统中使用振动传感器的原因主要基于其在多个方面的应用价值和功能特性。以下是具体的原因分析：

一、实时监测与预警

安全监控：

振动传感器可以安装在围墙、门窗等易受攻击的地方，用于监测非法入侵或破坏活动。当检测到周围环境的振动超过设定的阈值时，会触发报警，通知安保人员或业主及时进行处理，从而增强安全性。

自然灾害预警：

在地震、风暴等自然灾害发生时，振动传感器能够检测到强烈的振动并触发报警，为防灾减灾提供重要的预警信息。

二、设备状态监测与维护

工业设备监测：振动传感器广泛应用于电机、减速机、风机、发电机等旋转设备的振动监测中。通过实时监测设备的振动情况，可以及时发现设备故障或异常，预防设备损坏，提高生产效率和设备使用寿命。

建筑结构监测：在建筑行业，振动传感器可以安装在建筑物的各个部位，如墙壁、地板和梁上，用于监测建筑物的振动情况。这有助于了解建筑物的结构状况，及时发现潜在的安全隐患，并在必要时进行维修或更换。

设备状态监测：

振动开关的检测方式属于非侵入式检测，不会对设备的正常运行造成影响。这使得振动开关在设备状态监测中具有广泛的应用前景。

例1：滚珠开关振动传感器的应用：在监测桶类设备状态时，将振动传感器安装在桶盖上，在桶盖打开关闭过程中，由于桶盖倾斜角度的变化导致振动传感器的滚珠连接振动传感器的两个电极，产生触发信号。

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例2：哑铃芯滚珠振动传感器，用于用于各种震动触发作用,报盗报警,智能小车,地震报警,厚托车报警等。本模块与常开型震动传感器模块相比,震动触发的时间更长,可以驱动继电器模块。原理如下图所示：没有震动时,震动轴呈静止状态,导针A与导针B两端则为接通状态,当有震动时,震动轴会运动,导针A与导针B之间会有瞬间的断开,实现震动触发的作用。

三、环境监测与数据分析

地质勘探：振动传感器可用于测量地面的振动，帮助了解地下物质的情况，如寻找油气或矿物资源。此外，还可以用于监测地震和其他地质灾害，为防灾减灾提供数据支持。

交通监测：振动传感器可以安装在道路、桥梁和轨道交通设施上，用于监测路面的裂缝、变形以及交通工具的振动情况，提高交通设施的安全性和舒适度。

四、高精度与低功耗

高精度测量：现代振动传感器采用高性能的MEMS芯片和先进的传感技术，具有高精度、高灵敏度和高稳定性的特点，能够准确测量各种振动参数。

低功耗设计：为了适应物联网系统的需求，振动传感器通常采用低功耗设计，延长了设备的续航时间，降低了使用成本。

综上所述，物联网系统中使用振动传感器的原因主要包括实时监测与预警、设备状态监测与维护、环境监测与数据分析以及高精度与低功耗等方面的优势。这些优势使得振动传感器在物联网系统中发挥着越来越重要的作用，推动了物联网技术的不断发展和创新。

本文会再为大家详解传感器家族中的一员——振动传感器。

振动传感器的定义

振动传感器，又称为震动传感器，是一种用于测量和检测机械设备或结构物振动的装置。它能够将振动运动转变为电学或其他物理量信号，进而对这些信号进行处理和分析。振动传感器通常由敏感元件、信号放大器和滤波器等组成，这些组件协同工作，将机械振动转换为可测量的电信号。

振动传感器的分类

按机械接收原理分类

相对式振动传感器：

原理：基于机械结构之间的相对运动来检测振动。

例子：电动式传感器中的相对式电动传感器，通过运动的导体在固定的磁场中切割磁力线产生电动势，从而测量振动。

惯性式振动传感器：

原理：利用惯性原理，通过传感器内部的质量块在振动时的惯性力来检测振动。

例子：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组成，通过测量可动部分在振动时的位移或加速度来反映振动情况。

按机电变换原理分类

电动式振动传感器：

原理：基于电磁感应原理，将机械振动转换为电信号。

特点：输出信号与被测振动速度成正比，适用于速度测量。

压电式振动传感器：

原理：利用压电材料的压电效应，将机械振动转换为电信号。

特点：灵敏度高、频带宽、信噪比高，广泛应用于加速度测量。

电涡流式振动传感器：

原理：基于涡流效应，通过测量传感器与被测物体之间的距离变化来检测振动。

特点：非接触式测量，适用于高温、高速等恶劣环境。

电感式振动传感器：

原理：利用电磁感应原理，通过测量振动引起的电感变化来检测振动。

特点：结构简单、可靠性高，适用于位移、速度、加速度等多种参数的测量。

电容式振动传感器：

原理：通过测量振动引起的电容变化来检测振动。

特点：精度高、稳定性好，适用于位移、频率等参数的测量。

电阻式振动传感器：

原理：利用电阻材料的电阻值随机械变形而变化的特性来检测振动。

特点：结构简单、成本低，适用于一些对精度要求不高的场合。

光电式振动传感器：

原理：利用光电效应或光栅原理将机械振动转换为光信号，再转换为电信号。

特点：非接触式测量、精度高，适用于一些特殊环境下的振动测量。

按所测机械量分类

位移传感器：直接测量物体振动的位移量。

速度传感器：测量物体振动的速度。

加速度传感器：测量物体振动的加速度，是振动测量中最为常用的一种传感器。

力传感器：测量振动过程中产生的力。

应变传感器：通过测量物体在振动过程中的应变来反映振动情况。

扭振传感器：专门用于测量扭转振动的传感器。

扭矩传感器：测量振动过程中产生的扭矩

振动传感器的原理

基本原理

振动传感器通过将被测物体的振动转换为可测量的物理量（如电信号）来实现其功能。这个转换过程依赖于传感器内部的敏感元件，它们能够感知到物体的振动并将其转化为相应的电信号输出。

不同类型的振动传感器原理

压电式振动传感器

原理：基于压电效应，即某些晶体或陶瓷材料在受到机械应力作用时会产生电荷。当振动传感器受到振动时，压电材料会发生形变，从而产生电荷或电压变化。这个变化被转换为电信号，用于测量和分析振动的幅度和频率。

应用：广泛应用于工业制造、结构监测等领域。

应变式振动传感器

原理：利用材料的应变性质来测量振动。传感器内部包含金属杆或弹性杆，杆上附着有应变计。当物体振动时，材料会发生应变，导致应变计产生电阻或电压的变化。这种变化被测量和记录，以评估振动强度和频率。

应用：常用于需要测量材料应变的场景。

电感式振动传感器

原理：基于电磁感应原理。传感器包含一个磁芯、线圈和负载电阻。当物体振动时，磁芯的位置相对于线圈发生变化，从而改变了线圈的自感。这个变化导致电感值的变化，通过测量电感的变化来获取振动信息。

应用：特别适用于测量加速度和振动速度等参数。

电容式振动传感器

原理：通过间隙或公共面积的改变来获得可变电容，然后测量电容量来得出机械振动参数。可变间隙式主要运用于测量直线振动位移，而可变公共面积式可以运用于扭转振动的角位移测定。

应用：在需要高精度测量振动位移的场景中表现优异。

电压式振动传感器

原理：利用晶体的电压效应。当被测物体的振动对传感器形成压力时，晶体元件会产生相应的负荷，通过负荷数转换成震动参数。

应用：在特定领域如精密仪器中有所应用。

电涡流式振动传感器

原理：以涡流效应为工作原理的振动式传感器。通过被测物体和传感器顶端的距离变化来测量物体的振动和位移。

应用：因其非接触式测量和高灵敏度等特点，在振动位移测量中广泛应用。

振动传感器的工作流程

振动感知：传感器内部的敏感元件感知到被测物体的振动。

信号转换：敏感元件将振动转换为可测量的物理量（如电荷、电压、电阻等）。

信号处理：转换后的信号经过放大、滤波等处理，以提高信号的信噪比和准确性。

输出显示：处理后的信号以数字或模拟形式输出，供后续设备进行分析和监测。

振动传感器的参数选型

在选择振动传感器时，需要考虑多个选型参数以确保传感器能够满足特定的测量需求和应用环境。以下是一些关键的选型参数：

测量参数

物理量：明确需要测量的物理量是加速度、速度还是位移。不同类型的振动传感器分别适用于测量这三种不同的物理量。

测量范围与过载能力

量程或测量范围：振动传感器能够测量的振动范围，应确保其量程覆盖所需测量的振动幅值范围。例如，一些振动传感器的测量范围可能为0-50g（重力加速度单位）。

过载能力：传感器应具有一定的过载能力，以防止在突发高振动冲击下损坏。

测量频率

频率响应特性：传感器的频率响应范围应满足测量需求。高频振动需要选择频率响应高的传感器，而低频振动则可选择频率响应较低的传感器。一般而言，振动传感器的频率响应范围通常为0.5-10kHz。

灵敏度

灵敏度：指传感器对振动信号的响应程度。振动传感器的灵敏度越高，意味着它能够更早地检测到微小的振动变化。在选择时，需根据应用需求选择合适的灵敏度，一般振动传感器的灵敏度为10-100mV/g。

环境条件

温度、湿度：传感器应能在工作环境中保持稳定的性能，不受温度、湿度等环境因素的影响。振动传感器的工作温度范围通常为-40℃至+85℃。

腐蚀性、振动等级：对于特殊工作环境，如腐蚀性介质或高振动等级环境，需要选择具有相应防护等级的传感器。

信号输出方式

输出类型：根据后续处理系统的要求，选择合适的信号输出方式，如电压信号（0-5V或0-10V）或电流信号（4-20mA）。

静态与动态特性

静态特性：包括线性度、迟滞、重复性、精度、分辨率、稳定性和漂移等参数，这些参数描述了传感器在静态条件下的性能表现。

动态特性：包括固有频率、阻尼比、时间常数、上升时间、响应时间等参数，这些参数描述了传感器在动态变化下的性能表现。

可靠性指标

工作寿命：传感器应具有足够的工作寿命，以满足长期使用的需求。

故障率：低故障率是提高系统可靠性的关键。

绝缘、耐压、耐温等：传感器应具备良好的绝缘性能、耐压能力和耐温性能。

供电方式

振动传感器通常需要外部供电，其电源电压通常为8-36V。在选择时，需确保供电方式符合应用需求，并注意不要超过传感器的额定电压。

成本与维护

成本：在满足测量需求的前提下，选择性价比高的传感器以降低成本。

维护与校准：考虑传感器的维护难易程度和校准周期，以确保传感器能够长期稳定运行。

振动传感器的使用注意事项

安装位置与方向

位置选择：振动传感器应安装在需要测量振动的设备表面上，且位置应避免设备的强烈振动区域、温度超过传感器耐受范围的区域等，以减少外部干扰和保证测量精度。

方向一致性：确保传感器安装方向与测量方向一致，避免方向偏离导致的测量误差。传感器轴向灵敏度轴方向与要求的测量方向应尽可能一致，以最大化轴向响应并减少横向响应。

电缆布线与环境因素

电缆布线：电缆应按照传感器生产厂家提供的图示或说明进行布线，避免传感器电缆与高压电缆或其他强电源放置在同一区域，以减少电磁干扰和保证信号传输质量。

环境温度：振动传感器的测量范围受到环境温度的影响，因此应注意安装环境温度的变化和对测量信号的影响。同时，根据传感器的规格说明选择适宜的工作环境温度范围，避免高温或低温导致的传感器损坏或性能下降。

设备检查与安全措施

设备检查：在使用之前，务必检查振动传感器的状况。如果设备有损坏或异常情况，应立即停止使用，并及时维修或更换设备。

安全措施：操作者应佩戴安全护具、使用防护设备，并尽量避免直接接触设备。同时，注意遵守相关的安全操作规程和规定，确保人身和设备安全。

正确操作与定期校准

正确操作：按照设备说明书和厂家提供的使用指南正确操作振动传感器，避免不当操作导致的测量误差或设备损坏。

定期校准：振动传感器的测量精度会随着使用时间的延长而有所下降，因此需要定期校准以保证传感器的精度和稳定性。校准周期应根据实际应用情况和传感器性能要求确定，一般建议按照厂家建议的校准周期进行校准。

其他注意事项

固定稳固：确保传感器固定稳固，防止松动引起的测量失准和共振现象。在安装过程中，应注意螺栓拧紧力矩的适当性，避免过紧或过松导致的安装刚度问题。

测点位置一致性：在进行长期监测或多点监测时，应保持测点位置的一致性，以便进行准确的振动分析和故障诊断。

互换性：在使用多个传感器进行测量时，应确保传感器之间的互换性良好，以减小测量误差和提高数据可比性。

振动传感器的厂商

国际知名品牌

Brüel & Kjær：

简介：Brüel & Kjær是世界领先的测量解决方案供应商之一，其振动传感器产品以其高精度和可靠性而闻名。

应用领域：广泛应用于各种需要高精度振动测量的场景，如科研、航空航天、汽车制造等。

PCB Piezotronics：

简介：PCB Piezotronics是一家专注于压电传感器和振动测量设备的制造商，其产品应用广泛。

产品特点：以其高灵敏度和稳定性著称，适用于各种复杂环境下的振动测量。

Hansford Sensors：

简介：Hansford Sensors是一家英国公司，专门生产振动传感器和监测设备，其产品质量和性能得到了广泛认可。

应用领域：涵盖工业监测、机械故障诊断等多个领域。

IMI Sensors：

简介：IMI Sensors是一家美国公司，提供各种工业振动传感器和测量解决方案，其产品在全球范围内得到了广泛使用。

产品优势：多样化的产品线满足不同工业领域的振动测量需求。

Meggitt Sensing Systems：

简介：Meggitt Sensing Systems是一家全球领先的传感器和测量解决方案供应商，其振动传感器产品具有高性能和稳定性。

应用领域：航空航天、国防、工业监测等多个领域。

TE Connectivity：

简介：TE Connectivity是一家全球领先的连接器和传感器解决方案供应商，其振动传感器产品质量卓越，适用于多个领域。

产品特点：高可靠性、长寿命，适用于恶劣环境下的振动测量。

国内优秀企业

汇川技术：

简介：汇川技术是国内领先的振动传感器和测控设备制造商，其产品覆盖了工业自动化、电力、交通运输等领域。

产品优势：高性价比、快速响应市场需求。

海光电子：

简介：海光电子是一家专业从事振动传感器研发和制造的公司，产品包括加速度传感器、速度传感器和位移传感器等。

应用领域：广泛应用于机械设备监测和结构健康监测等领域。

艾诺迈仕：

简介：艾诺迈仕是国内知名的振动传感器品牌，提供多种类型的振动传感器和监测系统，适用于工业制造、航空航天、能源等领域。

产品特点：高精度、高稳定性，满足复杂环境下的振动测量需求。

中科华麟：

简介：中科华麟是国内知名的振动传感器制造商之一，其产品具有多种型号和规格，适用于机械设备检测、结构健康监测等领域。

技术优势：强大的研发团队和先进的技术支持，确保产品始终处于行业领先地位。

供应商A：星坤

http://www.xk-dg.cn/

1、产品能力

（1）选型手册

http://www.xk-dg.cn/Home/Goods/goodsList/id/29.html

（2）主推型号1:SW-200D-15A10G

对应的产品详情介绍

SW-200D为双滚珠型单方向倾斜感应触发开关。本规格产品为完全密封装，可防水，防尘。 在正常情况下，开关寿命可达10万次。 本产品采用环保金属材质制造，性能稳定。

研发设计注意使用事项

当产品向导电端（无脚端）倾斜，倾斜角度大于10度角时，产品处于开路，水平放置时，晃动可易触发，无脚端向下时，晃动不易触发

核心料（哪些项目在用）

奇迹物联智能垃圾桶控制器项目

2、支撑

（1）技术产品

技术资料

供应商B：深圳科比半导体有限公司

1、产品能力

（1）主推型号1：SW-420常闭型震动传感器模块

对应的产品详情介绍

1、本规格产品SW-420为单滚轴型全方位感应触发开关,本产品可全方位感应不同方向的振动、倾斜。

2、当无振动或倾斜时，产品为闭路ON/OFF状态，处于稳定状态，当有振动或倾斜时,导电电阻增大或降低，产生电流脉冲信号，从而触发电路。

3、本规格产品为完全密封式封装，可防水、防尘。

4、本规格产品适用小电流电路的倾斜、震动感应触发

◆ 电器特性

封装	密封型
电压	12v
电流	5mA
导通时间	2ms
闭路电阻	10 ohm
开路电阻	10Mohm
耐温	80℃

◆ 材料列表

名称	材质及特性
引线帽	铜壳镀银，引线为镀银铜线
铜导电柱	黄铜，表面镀银
开关本体	ABS塑料胶
热收缩管	PVC热收缩管/PRT热收缩管

◆ 捍接特性 ◆ 焊锡：含锡量100%

◆ 焊接温度：260℃±10℃

◆ 焊接时间：2-2.5秒

◆ 不可使用强酸、碱性助焊剂

◆ 振动传感相关知识 SW-420振动传感器是一种专为电动车、摩托车上的报警器开发的振动传感元件。 因为它简略了传统的报警器上用磁铁加弹簧的复杂结构，因而近年在电动车和摩托车报警器上广泛应用。

本开关的原理是：平时任何角度开关都是接通状态，受到振动或移动时，开关内导通电流的滚轴会产生移动或振动，从而导致通过的电流断开或电阻阻值的升高而触发电路。这种开关的特点是平时一般处于导通状态耐振动时会短暂断开，所以它的灵敏度很高，通过IC的设置，客户可按自身产品的灵敏度要求作调整。

硬件参考设计

奇迹物联环卫车定位tracker项目

2、支撑

（1）技术产品

技术资料

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审核编辑 黄宇