CN101002088A - 振动传感器 - Google Patents

Abstract

一种从一个小室内的4个或多个等距离的点测量振动的方法，包含围绕中心点使小室表面对中，在小室表面里面包含流体，从在小室表面并列放置至少4个测点测量流体振动，其中至少两个测点沿通过中心点的第1轴布置和至少两个测点沿通过中心点的第2轴布置。

Description

振动传感器

技术领域

本发明与有多个变换器的振动传感器有关，变换器与包含在一个传感器室内的液体相接触。

背景技术

在许多不同的技术领域，确定振动的方向和强度提供宝贵的信息，例如，地震的地震图、定位隧洞活动和探测侵入事件。

以前常用的振动传感器包括在一个小室中与流体接触的一个变换器。当与小室接触的流体相应振动时，变换器产生一个信号并被信号解释器接收。解释器使用该信号来描述流体沿轴向传递的振动的大小、频率或矢量。

为了描述多个轴中的振动，例如，将各有一个不同的轴的多个传感器耦合在一起或者传感器相对于振动旋转和/或运动；如在如下示范性专利中所见：

在美国专利4525819中，哈特莱(Hartley)和约翰·爱德华(JohnEdward)讲述一个地震检波器变换器，它部分浸没在流体中用于探测水平地震波。

在美国专利4334296中，小霍尔(Hall Jr.)和欧内斯特M(Ernest M.)讲述一个由充满流体的小室组成的地震检波器，在柔性顶部和底部的容器壁中安装有变换器。多个地震检波器用于提供与地球的运动方向有关的输出信号。

发明内容

本发明实施例的一个方面包括一个沿多个振动轴同时提供输出信号的振动传感器，传感器有一个围绕小室传送振动的外壳，小室含有流体和与流体充分接触的表面。

在示范性的实施例中，传感器又包括两个或多个围绕小室布置的振动变换器，每个变换器有一个本体，包括一个第1端、一个第2端、以及在第1端和第2端之间通过本体中心的一个中心轴段，每个本体包括用于与信号解释器通信的一个通信口。

每个第1变换器端的运行与外壳有关。每个第2变换器端包括其运行与小室流体有关的变换元件。

在一个例示性实施例中，一对第1变换器和一对第2变换器成对围绕小室以致第1轴通过每对中的第1变换器，小室的中心并通过每对中的第2变换器；第1和第2变换器对从小室的中心提供了振动信息。

在一个例示性实施例中，通过第1变换器和第2变换器对的轴处于一个平面内且相互垂直。这里采用的平面的轴是指沿单个扁平面放置的轴。

在一个例示性实施例中，传感器至少包括一个含一对变换器的第3轴，其布置方式与第1变换器和第2变换器对的布置方式相似。

任选地，至少通过变换器对的3对轴中的3个轴相互垂直，因此描述了X、Y和Z轴的振动。

在一个替换的例示性实施例中，至少一对变换器中的每个变换器包括一个放大外壳，以放大振动。

本发明的另一个方面包括测量振动的方法，采用至少一个第1对变换器和至少一个第2对变换器。

如这里所使用的词汇“流体”表示“一种连续的趋于流动的无定形物质并与其容器的轮廓相一致”(Word Web2005)，包括任何液体或悬浮在液体中的构成惯性质量能对振动作出响应的粉末。

这里所使用的“振动”是指小室流体对小室外部源于机械系统或地质系统和其他的事物的运动或振动的响应；小室流体振动压力的频率和幅值是可以测量的。(“哈里斯(Harris)的冲击和振动手册”，第5版本；由西里尔·M·哈里斯(Cyril M.Harris)和艾伦.G·皮索尔(AllanG.Piersol)编辑)

这里所使用的“变换器”指将冲击或振动运动的压力转换成正比于一个或多个运动参数的光学、机械或电气信号的装置。

这里所使用的“变换元件”指将振动运动的压力转换成信号的变换器的部分(同前)。

因此，已经提供了一个振动传感器和测量振动的方法，传感器有两对或多对变换器，传感器包括外壳中的小室，小室包括一个中心，一个表面，表面的所有部分与小室中心完全等距，对振动敏感的流体与该表面充分接触。

该传感器还包括对振动敏感的两对或多对变换器，其中，两对或多对变换器中的每对变换器的每个变换器适合于至少与一个信号解释器通信。每个变换器有一个本体包括一个第1端部，一个第2端部和一个在第1端部和第2端部之间轴向通过本体中心的中心轴段。

第1端部在运行上与小室表面有关，包括一个变换元件接收器部分，至少一部分变换元件部分与流体充分接触。第2端部在运行上与外壳有关，两对或多对变换器中的每对变换器包括通过第1变换器的中心段、小室中心和第2变换器的中心段的一个轴。

对于由至少两对变换器的每个变换器产生的信号，解释器至少可以任选地增加和减少一个信号。

在一个例示性实施例中，两对或多对变换器的轴处于一个平面内，通过至少一对第1变换器的至少一个第1轴至少是垂直的和倾斜角度的，相对于通过至少一个第2变换器对的至少一个第2轴。

交替地，至少两对变换器包括至少3对换器，至少一个第3对变换器至少是下列之一：

相对于至少两对平面变换器的平面是平面的和倾斜的，至少第3对变换器的一个轴垂直于至少两对变换器的平面。

可选地，至少3对变换器至少包括4对变换器，至少包括一个第4对变换器与两个或多个平面的轴成45°角。

可选地，至少一对变换器的每个变换器包括一个放大外壳。

本发明实施例的一个方面包括具有1对或多对变换器的振动传感器，该传感器包含在外壳中的一个小室，该小室包括一个中心，一个表面，表面的所有部分与小室中心的完全等距离以及对振动敏感的流体与该表面充分接触。

在一个例示性实施例中，本发明还包括对振动敏感的1对或多对变换器，其中每个变换器适合于与至少一个信号解释器通信，每个变换器又有一个本体包括一个第1端部具有一个横断面积，一个第2端部，和一个中心轴段，它在第1端部和第2端部之间轴向通过本体中心。

包括一个变换元件接收器部分和一个放大外壳的该第1端部，包括从本体伸出和在变换元件后的一个支持元件，支持包括围绕放大流体1面或多面容器壁和附着于支持元件和围住放大流体的一片隔膜，该隔膜又包括与小室流体的接触面积，该接触面积比第1端部的横断面大得多。

第2端部的运行与外壳有关，1对或多对变换器的每对变换器包括通过第1变换器中心段的轴、小室中心和第2变换器的中心段。

本发明的一个方面包括从4个或多个等距离的点测量振动的方法，包含围绕一个中心点进行对中的小室表面，用流体灌注小室，从至少围绕小室表面的并列布置的4个测点测量流体的振动，其中至少两个测点沿通过中心点的第1轴布置和至少两个测点沿通过中心点的第2轴布置。任选地，至少4个测点中的两个或多个测点包括具有放大外壳的变换器。

本发明的一个方面包括从两个或多个等距离点测量振动的方法，包含小室表面围绕中心点的对中，包含表面内部的流体，与在表面上并列布置的两个或多个振动测量元件，在两个或多个振动测量元件上放置一个放大外壳，以及从小室表面并列布置的至少与两个测点测量流体的振动；其中至少两测点沿通过中心点的轴布置。

附图说明

本发明的示范性的非限制性实施例在下面说明，阅读时参照附图。在这些附图中，出现在多张图中相同和类似的结构、元件或零件通常在所出现的图中标以相同的或类似的参考编号。附图中元件尺寸和特性表示的选择主要为陈述方便和清楚起见，不必要按比例画出。

附图为：

图1表示振动传感器系统的示意图，依照本发明的一个实施例；

图2表示图1中振动传感器的详细分解图，依照本发明的一个实施例；

图3表示具有一个放大膜片的压力变换器，依照本发明的一个实施例。

具体实施方式

振动传感器操作图1表示振动传感器100例示性实施例的示意图，它具有一个中心的完全球形的小室150，小室包括一个球形的表面154和一个中心156。小室150包含有流体152并围绕外壳100，外壳包含一种适合于从外面的体积112发送振动至流体152的材料，例如，包括金属和/或塑料材料。

在一个例示性实施例中，小室150包括6个孔，成对的孔分别与3个轴172、182和192对齐。第1孔170和第2孔176各有一个中心轴段，通过中心156的X轴172定位。第3个孔180和第4个孔186各有一个中心轴段，通过中心156的Y轴182定位。第5个孔190和第6个孔196各有一个中心轴，通过中心156的Z轴192定位。

例如，在每个孔170、176、180、186、190和196中，用胶水固定振动压力变换器160，并包括一个充分接触的变换元件162，以响应通过小室150的流体152的振动压力。

在一个例示性实施例中，通过成对的电缆174、184和194将一个信号解释器102连接到每个变换器160。X轴的成对电缆174将信号解释器102连接至孔170和176中的变换器160。Y轴的成对电缆184将信号解释器102连接至孔180和186中的变换器160。Z轴的成对电缆194将信号解释器102连接至孔190和196中的变换器160。

任选地，例如电缆174、184和194包括4根电线，两根电线连接到每个变换器160。

这里采用的术语“变换器160”指任何有源的或无源的变换器160，其信号可用电压、电流幅值、频率或相位表示。有源变换器160取自被测物理现象的能量产生电信号，包括压电变换器和感应变换器160。无源变换器160根据电阻、电容或电流的感应性，测量对物理现象的影响，包括电阻的、电容的、电感的和光电的变换器160；某些例子为驻极体电容器、卷绕金属线和磁铁布置。

电缆174、184和194也可包括发送波信号的波导和变换器160，例如，以红外频率发送。还在其他的实施例中，每个变换器提供一个由接收器102接收的无线电信号。

在一个例示性实施例中，信号解释器102记录由每个变换器160单独输出提供的信息，在记录期间或记录以后处理和/或分析信号；采用许多在该技术方面常用的信号分析处理中的任何一种。

举例来说，解释器102增加或减少位于X轴172、Y轴182和/或Z轴192上的两个变换器160为一组的每组信号，因此放大或衰减信号和/或消除外来的扩散振动噪声；扩散振动噪声是指来自所有方向具有相同幅值和相位的振动。

然后，由解释器102对从X轴172、Y轴182和Z轴192轴的合成信号信息进行处理，以确定沿X轴172、Y轴182和/或Z轴192在中心156处流体152的能量状态的三维状态。例如，该特性提供频率和大小信息，因此，可使用一个传感器100代替多个采用以前技术的每个记录沿单个轴方向的信息的传感器。

图3表示一个例示性实施例，其中对变换器160做了修改，以对微弱的信号做出响应。修改变换器160包括一个放大外壳200，包含一个完全刚性的圆锥形容器壁230，具有大的表面积的振动放大隔膜220。容器壁230、隔膜220和变换元件262包围一定体积的可压缩放大流体210，例如，气体。

每个振动对隔膜220的压力引起隔膜220变形，其中，流体210的压力与体积的变化成反比，按照以下公式：

P₁＝P₀·V₀/V₁；其中：

P₀＝施加在上隔膜220的压力变化；

P₁＝由变换元件262测量的压力变化；

V₀＝在施加压力P₀前，流体210的体积；

V₁＝在施加压力变化P₀后，流体210的体积。

基于以上公式，隔膜220上的振动压力导致变换元件262上的振动压力上升；该合成的信号，例如，帮助解释器102将微弱的信号从背景噪声中区分出来。

振动传感器的变化

振动传感器100的应用并不限于所提出的实施例，而且可以许多不同的方式进行修改，例如，提供传感器100独特的配置用于许多熟悉该技术的人所共知的应用。举例来说，现在将提出仅对传感器100做一点修改。

在一个例示性实施例中，外壳110包括一个上段142，一个下段144和一个中段140。外壳110也可整体制造，例如采用注入成型技术。

如图所示，X轴向孔170和176和Y轴向孔180和186，定位在中段140，而Z轴向孔190定位在上段，Z轴向孔196定位在下段144。

附加的孔对(未表示出)为信号解释器(102)提供附加的信号信息。

对于特定的用途，附加地或替换地，3个轴172、182和192或更多个轴可按不同角度通过孔170、176、180、186、190和106。为了探测从远处发出的振动，例如检测埋入的供水管道，传感器100以从上段142通往下段144以多个轴进行最佳配置，每个轴的角度在0到90°之间。

传感器100也可包括沿X轴172和Y轴182的两对变换器160，使提供给信号解释器102的信号信息更大，灵敏度更高。

孔170、176、180、186、190和196以及各自的变换器160与外面的体积112，以及上述用胶水胶在一起的密封小室150通信。变换器160还可安装在小室150的内表面或嵌入外壳110中，以使变换元件162凹进在表面154中。

图2表示传感器100的分解图和包括在上段142和中段140之间的一个上部可压缩的填料132；以及在中段140和下段144之间一个下部可压缩的填料134。

例如，填料152和154包括一个可压缩的和/或柔性橡胶材料，以使当螺栓(未表示出)通过段140、142和144的拐角垂直延伸时，填料152和154被压缩，使小室流体152密封不致流到外面的体积112中去。

附加地或替换地，填料152和154包括附着到邻近段140、142和144的表面的上表面和下表面，因此，有助于小室150的密封。

所表示的变换器160有一个圆柱形横断面。变换器160也可以有一个矩形横断面、椭圆的横断面或其他横断面形状，例如，决定于变换器160的类型和/或应用。

另外，流体152成分的变化决定于给定的应用对惯性质量特性的要求。例如，在某些应用可能要求高密度流体152如液体水银。在其他的应用中，最好单独采用微粒，例如，悬浮在流体152中的金属粉末；流体152有许多为该技术界所熟知的特性选择。

在某些实施例，流体152充满小室150，而在其他的实施例中，小室150仅部分充满。例如，在某些实施例中，流体充满小室150的90％，允许流体152由于预期的温度波动而膨胀。

在某些实施例中，小室150的表面154是胀满的球形，而在其他的实施例中，表面154包括几个扁平的，交叉的平面，例如包含一个四面体。

在传感器100的许多应用和实施例中，无论是检测地震反射，到达空间站的能量，或定位隧道活动，都是从事该技术的人们所熟悉的。

结语

在本发明的描述的实施例数量有限，应该理解本发明可以做出许多变化、修改和其他的应用。

同样，元件组合和/或元件的变化可以使用组合元件和单个元件，这样的变化和修改，以及其他，对于熟悉本技术的人非常明显，专门用于包括在由附加的权利要求书所定义的发明范围内。

这里采用的术语“包括”、“包含”和“有”以及它们的结合意味着“包括但不必限于”。

熟悉本技术的人应该理解本发明不受迄今已描述内容所限制。相反，本发明的范围仅受权利要求书的限制。

Claims (12)

1.一种振动传感器，具有两对或多对变换器，传感器包括：

--一个在外壳中的小室，该小室包括：一个中心；一个表面，表面的所有部分与小室中心等距离；

--与表面充分接触的对振动敏感的流体；

--两对或多对对振动敏感的变换器，其中，两对或多对变换器中的每一对中的每个变换器适合于与至少与一个信号解释器通信，每个变换器又有一个本体，本体包括：

一个第1端部、一个第2端部和一个轴向通过本体中心的中心轴段，中心轴段处于第1端部和第2端部之间；

第1端部的运行与小室表面有关，包括一个变换元件接收器部分，至少变换元件部分的一部分与流体充分接触；

第2端部的运行与小室外壳有关；

两对或多对变换器中的每对变换器包括：通过第1变换器的中心段的轴；小室中心以及第2变换器的中心段。

2.如权利要求1所述的振动传感器，其特征在于：信号解释器提供至少下列之一：

--增加；

--减少；

--由两对或多对变换器的每对产生的信号。

3.如权利要求2所述的振动传感器，其特征在于：两对或多对变换器的轴处在一个平面内。

4.如权利要求3所述的振动传感器，其特征在于：至少一个第1轴通过两对或多对变换器中的至少一个，该轴至少有如下之一：

--垂直的；

--倾斜角度的；

--相对于至少一个第2轴通过至少一个第2对变换器。

5.如权利要求4所述的振动传感器，其特征在于：两对或多对变换器包括至少一个第3对变换器，至少有下列之一：

--垂直的；

--倾斜的；

--平面的；

--相对于至少两对平面变换器的平面。

6.如权利要求5所述的振动传感器，其特征在于：包括至少一个第4对变换器与至少一对变换器成45°角。

7.如权利要求2所述的振动传感器，其特征在于：两对或多对变换器的至少一对的每个变换器包括有一个横断面积的一个第1端部，该第1端部又包括一个放大外壳，包括：

--个变换元件接收器部分，一个从本体伸出和在变换元件后面的支持元件；该支持元件包括围绕放大流体的一面或多面容器壁；

--一个附着于支持元件和围住放大流体的隔膜，该隔膜又包括与小室流体接触的面积，该接触面积与第1端部分横断面相比足够大。

8.一种振动传感器，具有一对或多对变换器，传感器包括：

--一个在外壳中的小室，该小室包括：一个中心；一个表面，表面的所有部分与小室中心等距离；

--与表面充分接触的对振动敏感的流体；

--一对或多对对振动敏感的变换器，其中，每个变换器适合于与至少与一个信号解释器通信，每个变换器又包括一个本体，本体具有：

有一个横断面积的一个第1端部；

运行与小室外壳有关的一个第2端部分；

在第1端部和第2端部之间轴向通过本体中心的一个中心轴段；

第1端部又包括一个放大外壳，包含一个变换元件接收器部分，从本体伸出和在变换元件后面的一个支持元件，该支持元件包括围绕放大流体的一面或多面容器壁，一个隔膜附着于支持元件并围住放大流体，该隔膜又包括与小室流体接触的面积，该接触面积比第1端部的横断面大得多；

一对或多对变换器的每个变换器包括：

通过一个第1变换器的中心段的一个轴；

小室中心；

一个第2变换器的中心段。

9.如权利要求8所述的振动传感器，其特征在于：信号解释器提供至少下列之一：

--增加；

--减少；

--由一对或多对变换器的每对产生的信号。

10.一种测量在小室中与中心点等距离的4个或多个点的振动的方法，小室中包括围绕中心点的流体，该方法包含：

采用在小室表面并列放置的至少4个变换器测量流体振动；其中

至少2个测量变换器沿通过中心点的第1轴布置；

至少2个测量变换器沿通过中心点的第2轴布置。

11.如权利要求10所述的测量方法，其特征在于：至少两变换器包括放大外壳。

12.一种从小室内与中心点等距离的两个或多个点测量振动的方法，小室内包括流体围绕中心点，该方法包含：

至少在表面并列放置两个振动测量元件；

采用至少两个小室内的放大膜，在小室内放大至少两个振动测量；

采用至少两个测量变换器测量流体的振动，其中至少两个测量变换器沿通过中心点的第1轴布置。

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