了解地震感測器
A 地震式感測器 — 也稱為地震感測器或慣性感測器 — 是一種 振動 利用內部地震質量（「校準質量」）懸掛於彈簧或柔性鉸鏈上作為慣性參考，從而測量感測器基座的絕對運動。當外殼振動時，懸掛質量與外殼之間的相對運動會轉換為代表振動的電信號。根據測量頻率相對於質量-彈簧系統的 自然頻率，感測器在兩種模式之一中運作：在共振以上，質量傾向於在空間中保持靜止，相對運動跟隨外殼位移（經典地震儀與速度拾取器模式）；而在共振以下，質量的微小殘餘偏轉與外殼加速度成正比（加速規模式）。其定義特徵是參考系由 內部 感測器攜帶，因此不需要固定的外部基準。
「地震」一詞來自地震儀器：地震儀的懸掛質量在下方地面起伏時保持相對靜止。在機械監測中，兩者 速度感測器 與 加速規 在這種意義上都是地震式感測器，儘管該術語最常與經典的速度拾振器相關聯。
1. 運作原理
質量-彈簧-阻尼系統
每個地震式感測器本質上都是一個小型機械振盪器，具有四個功能部件：
- 地震質量： 懸掛在感測器軸承座內部的校準質量。
- 彈簧： 支撐質量的機械彈簧或薄柔性懸臂。
- 阻尼： 空氣、磁（渦流）或流體阻尼，用於抑制共振。
- 換能： 將質量與軸承座之間的相對運動轉換為電壓的元件。
頻率響應區域
感測器的行為完全取決於激振頻率相對於其自身自然頻率的位置——而兩大主要感測器家族刻意在共振的兩側運作：
- 低於自然頻率（加速規模式）： 質量與外殼基本一起運動，質量的微小殘餘偏轉與外殼 加速度成正比。壓電式與 MEMS 加速規在此模式下運作，位於其高安裝共振頻率以下。
- 在自然頻率處： 系統發生共振——輸出被放大但失真且不可靠，因此應避免在共振附近進行測量。
- 高於自然頻率（地震儀模式）： 質量實質上保持靜止，而外殼圍繞其振動，相對運動跟隨外殼 位移 （或速度）。位移地震儀與動圈式速度拾取器在此模式下運作，位於其低自然頻率以上。
- 可用範圍： 速度拾取器傳統上用於其自然頻率約 2 倍以上，此處其響應已穩定且平坦；加速規則用於其安裝共振頻率遠低於此處——通常為其三分之一以下以確保良好精度。
2. 地震式感測器的類型
速度感測器（動圈式）
- 磁鐵懸掛在固定線圈內的彈簧上（或反之亦然）。
- 磁鐵與線圈之間的相對速度通過電磁感應產生電壓。
- 自然頻率通常為 8–15 Hz。
- 在約 16–30 Hz 以上可用。
- 直接測量速度，無需信號積分。
加速規
- 壓電式 類型使用壓電晶體來感測質量的慣性力。
- MEMS 類型在微加工元件上使用電容或壓阻感測。
- （安裝）自然頻率更高，通常為 10–30 kHz。
- 與速度拾取器不同，用於 低於 共振以下：可用範圍從約 1 Hz 至安裝共振頻率的大約三分之一。
- 測量加速度，可積分至速度或位移。
3. 地震式與非地震式感測器
地震式家族最好通過與依賴外部參考的感測器進行對比來理解。
地震感測器（慣性參考）
- 加速規和速度感測器。
- 測量慣性空間中的絕對運動。
- 直接安裝在振動結構上。
- 攜帶自身的內部質量作為參考。
- 機械監測中最常見的選擇。
非地震感測器（外部參考）
4. 地震式設計的優勢
內建參考基準
- 不需要外部參考系。
- 感測器可以安裝在振動結構的幾乎任何位置。
- 它報告慣性空間中的真實絕對運動。
多功能性
- 一種感測器類型涵蓋了眾多應用。
- 適用於臨時檢測與永久安裝。
- 可輕鬆在不同機器間攜帶。
這種多功能性正是便攜式儀器依賴它們的原因。雙通道 Balanset-1A（例如）從夾在軸承座上的加速規讀取數據——這些自參考地震感測器無需固定基準，因此工程師在現場進行動平衡校正時，可快速在不同測點和機器間移動。
5. 限制
頻率響應限制
- 速度拾取器在低於其自然頻率約 2 倍以下時無法可靠測量；動圈式類型在低於 15–20 Hz 時響應尤為不佳。存在固有的權衡：較低的自然頻率可提供更好的低頻覆蓋範圍，但需要更大、更重的感測器。
- 當測量頻率接近其安裝共振頻率時，加速規的精度會下降；實際上限（通常約為安裝共振頻率的三分之一）高度取決於安裝方式（參見 ISO 5348）。
- 在極低頻端，加速規的響應受限於感測元件與放大電路，而非地震懸掛系統——標準工業型號通常可低至約 0.5–1 Hz。
量測外殼運動
- 感測器報告的是軸承座的運動，而非直接報告軸的運動。
- 軸承座振動與軸振動並不相同——它會受到軸承剛性與周圍結構的過濾。
- 若真正重要的是軸軌跡，則必須改用接近感測器。
6. 應用
機械狀態監測
- 軸承座振動測量。
- 整體振動趨勢分析。
- 軸承缺陷 檢測。
- 一般旋轉機械診斷。
結構振動
- 建築物與基礎振動檢測。
- 地震監測。
- 機械輻射的結構傳導振動。
模態分析
地震感測器利用內部懸掛質量作為慣性參考，構成了旋轉機械振動測量的基礎。掌握地震原理——懸掛質量如何實現絕對運動測量，以及為何速度拾取器在其自然頻率以上運作而加速規在其安裝共振頻率以下運作——有助於理解這兩大工業振動分析計畫主力工具的優勢與限制。
