针对工业环境下粗糙金属表面微小振动的在线测量需求，提出了一种基于差动式双波混合干涉的微小振动检测系统。该系统将极性相反的高电压分别施加在两块硅酸铋晶体上以得到差动式双路振动解调信号，进而通过差分处理抑制对电压极性不敏感的噪声并提高灵敏度。为验证所提出方案的可行性，分别进行了仿真分析与实验验证。对一粘连在压电陶瓷上的紫铜片进行振动测量实验，并将振动测量结果分别与施加在压电陶瓷上的电压和激光测振仪的测量结果进行对比。结果表明，利用所提出检测系统可准确获得振动信号的频率、相位和幅值信息，与单路式结构相比，差动式双波混合干涉仪的灵敏度提高了一倍，信噪比从27.47 dB提高到了30.83 dB，相对误差的均方根值从3.07%降低到了1.42%。