CN101419243A - 一种无方向性力平衡加速度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无方向性力平衡加速度传感器，包括电路部分和机械部分；其中，电路部分包括RC桥式振荡电路、激励信号作用电路、检波电路、高通滤波电路和输出放大电路；机械部分为所述传感器的底座，包括导磁体、导磁帽、零点架、线圈、差变电容器、簧片等部件及相关配件。采用本发明的无方向性力平衡加速度传感器，能够克服传统的力平衡加速度传感器测量振动时的方向选择性缺陷，并且提高了测量范围和测量精度。

Description

一种无方向性力平衡加速度传感器

技术领域

本发明涉及中低频振(震)动和结构振动测试领域的传感器技术，尤其涉及一种无方向性力平衡加速度传感器。

背景技术

加速度传感器是用来将加速度这一物理信号转变成便于测量的电信号的测试仪器，常用于工业、国防等许多领域中对冲击、振动进行测量。采用这种设计原理的传感器在振动信号测量领域已经得到广泛应用，该种传感器特别适合地震、建筑、军事、交通、机械、航海等领域的振动测量。

力平衡加速度传感器是目前发展比较成熟的一种加速度传感器产品，其基本特征为：借助于激励信号调制、解调，通过差动电容结构提取出表征加速度变化的电压信号，加入力反馈进行电压输出，其输出电压的大小与电容极板运动位移成正比，而电容极板的位移量与传感器外壳体运动的加速度成正比，因此电容中间极板的输出电压就是传感器壳体的运动加速度。在实际利用力平衡加速度传感器对地震信号振动量进行测量中，由于地震信号的动态范围较大、信号频率较低，例如动态范围可高达120dB，频率范围一般从0Hz～80Hz，借助于这种传感器的动态范围大、低频性能好、灵敏度高、体积小、低功耗、高阻抗、本身不发热和结构简单等优点，通过捕捉电容的极距变化来获得电容值，并通过电子线路将电容变化值提取出来，用以测量振动加速度等机械量。

图1为现有力平衡加速度传感器原理及结构示意图，如图1所示，该加速度传感器采用差容作为传感器的闭环式传感器，内部被设计成单自由度振动系统，其中加速度计惯性元件即活动电极和两个固定电极组成可变电容器，当由于加速度而使惯性元件产生位移时，所述电容器就把位移变化转换成静电电容的变化，再利用差动脉冲幅度调制电路将电容变化转化成电压输出量。如图所示，所述变极距电容结构是以空气为介质的两个平行金属板组成的平行板电容器，当不考虑边缘电场影响时，其电容量可用下式表示：

$C=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_r{\mathrm{\ϵ}}_{0}A}{d}\left(F\right)---\left(1\right)$

式中：ε₀代表真空介电常数(ε₀＝8.85×10^-12(F/m))；

ε_r代表极板间介质的相对介电常数，对空气介质而言ε_r＝1；

A代表两个平行极板相互覆盖的面积(m²)；

d代表两个平行极板间的距离(m)；

由式(1)可知，平行电容器的电容量是极板覆盖面积、极板间距、相对介电常数的函数，如果保持极板覆盖面积、相对介电常数这两个参数不变，仅仅改变极板间距就构成了变极距式电容传感器，即一个极板固定，另一个极板与被测物体相连，当被测物体做上下位移时，将引起电容量的变化，通过测量电路将这种电容变化转化为电压变化，即可测定出物体位移的大小，而物体位移的大小可以代表了物体运动加速度。

假设当极板间初始间隙为d₀时，则 $C_0=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{0}A}{d_0},$ 当极板间距减小Δd时，电容量增加ΔC见式(2)：

$\mathrm{\ΔC}=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{0}A}{d_0-\mathrm{\Δd}}-\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{0}A}{d_0}---\left(2\right)$

因此，经计算得出近似的电容量相对变化为：

$\frac{\mathrm{\ΔC}}{C_0}=\frac{\mathrm{\Δd}/d_0}{1-\mathrm{\Δd}/d_0}\≈\frac{\mathrm{\Δd}}{d_0}---\left(3\right)$

由式(3)可以计算出电容式传感器的灵敏度S为：

$S=\frac{\mathrm{\ΔC}/C_0}{\mathrm{\Δd}}=\frac{1}{d_0}---\left(4\right)$

公式(4)证明此种结构的电容传感器d₀越小，传感器灵敏度越高。但当初始极距过小时，电路容易于击穿或短路，并且传感器的非线性误差还很小。在实际应用中，为了提高传感器灵敏度、减小非线性，多采用差动变极距结构，见图1。电容器的上极板、下极板都固定不动，中间极板与质量块、电感线圈连接在一起随传感器壳体运动，中间极板的平衡位置位于上、下极板的等间距处，这样就构成两个极距可变电容器。随着中间极板的移动，其中一个电容的电容量随极距变化Δd增加时，另一个电容的电容量则减小，这两个电容总的电容量变化量ΔC为^[5]：

$\mathrm{\ΔC}=C_1-C_2=C_0(2\frac{\mathrm{\Δd}}{d_0}+2{\left(\frac{\mathrm{\Δd}}{d_0}\right)}^2+......)---\left(5\right)$

忽略高次项的影响，差变电容的电容量相对变化量近ΔC/C似为：

$\frac{\mathrm{\ΔC}}{C}\≈\frac{2\mathrm{\Δd}}{d_0}---\left(6\right)$

此时差变电容式传感器的灵敏度S见式(7)，其灵敏度提高了一倍，不仅传感器的非线性大大降低，而且还有效地补偿了温度变化对传感器性能所造成的误差。

$S=\frac{\mathrm{\ΔC}/C_0}{\mathrm{\Δd}}=\frac{2}{d_0}---\left(7\right)$

该类型传感器内部上下极板分别被施加上幅值相同、相位相反的正弦交流激励电压，中间极板随传感器壳体运动而做相对移动，由于这种相对运动而在中间极板产生一定的输出电压V₁，该输出电压V₁经过解调电路解调后，由运算放大器进行一定比例的放大输出电压V。电压V经反馈电路的比例电阻R、微分电容C产生一定大小的反馈电流I_f，该反馈电流流经电流-力变换线圈，而该线圈处于永磁钢所形成的磁场中，磁场的存在使得线圈产生一定大小的电磁力，由于线圈与中间极板固定在一起，该反馈电磁力驱动中间极板朝向初始运动相应方向的运动，因此反过来又继续影响中间极板的位置。

通过由选频网络、放大电路、稳幅电路三部分组成的电容极板激励信号产生电路，将振动所产生的输出信号再通过中间极板输出信号处理电路处理即可得到所述传感器的最终电压即得到加速度的表征量值。

但是，现有的力平衡加速度传感器基本都是分方向测量的，既有测量水平方向振动的加速度传感器，又有测量垂直方向振动的加速度传感器，而这两种测量方向的加速度传感器又不能互换使用；另外，现有力平衡加速度传感器中，是通过可动部件来调整中间极板的位置以实现差变电容的零点调整的，并且中间极板的一侧通过两个簧片与可动部件相连，中间极板的正中位置通过螺钉与线圈骨架绑定在一起，这种配合的稳定性较差，在遇到突然的敲击振动时会自动弹动造成零点突变。因此，现有力平衡加速度传感器的这些缺点在工程结构测试、设备定制和安装中均极为不便，并且测量范围及精度也很有限。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种无方向性力平衡加速度传感器，以解决振动测量中力平衡加速度传感器的通用性，实现以单个传感器测量不同方向低频振动信号的目的，同时，进一步扩大该加速度传感器的频率测量范围，提高测量精度。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种无方向性力平衡加速度传感器，包括电路部分和机械的底座部分，所述电路部分包括有RC桥式振荡电路、激励信号作用电路以及输出放大电路；所述底座部分包括有线圈(33)、差变电容器(34)及相关配件，所述电路部分与所述差变电容器(34)的上极板、下极板和中间极板相连；所述电路部分还包括检波电路和高通滤波电路；所述底座部分的部件包括有导磁体(30)、导磁帽(31)、零点架(32)、簧片(35)；其中，

RC桥式振荡电路，用于为所述加速度传感器差变电容器(34)的上极板、下极板提供交流的激励信号；

激励信号作用电路，包括上极板激励信号电路、下极板激励信号电路和中间极板输出信号电路；用于利用上、下极板激励信号电路为所述加速度传感器提供激励信号，并通过所述中间极板输出信号电路输出，所述中间极板的输出信号在上极板、下极板激励信号的作用下将输出的低频信号调制到高频交流信号上；

检波电路，用于对激励信号作用电路输出的高频交流信号进行解调，检出所述高频交流信号的包络信号；

高通滤波电路，用于对所述检波电路输出的包络信号进行处理，以滤除所述加速度传感器测试信号中的直流偏移值；

输出放大电路，用于对高通滤波电路输出的加速度传感器测试信号进行放大，以实现所述传感器输出信号幅值的调整；以及

导磁体(30)，其内部设有一个圆柱形磁缸(301)，用于镶嵌一个圆柱形磁铁(304)，该圆柱形磁铁(304)与磁缸(301)内壁之间留有一定间隙，以在所述间隙内形成线性磁场；

导磁帽31，用于安装在所述导磁体(30)以及圆柱形磁铁(304)的上部以屏蔽所述导磁体(30)内的线性磁场；

零点架(32)，用于固定所述传感器的中间极板、线圈(33)，并为所述中间极板提供准确的零点位置；

线圈(33)，用于与所述中间极板紧固相连，形成所述中间极板的质量块，当发生振动时，所述质量块偏移零点位置从而在线圈中产生反馈信号；

差变电容器(34)，用于通过中间极板位置变化提取传感器外界的机械运动加速度，并将加速度的变化转换为可变电容器的电压变化；

簧片(35)，用于保持所述差变电容器(34)中间极板在振动引起的往复运动中的平衡以及使所述中间极板与所述上极板、下极板始终保持平行；

所述相关配件包括套管，共设有两组，分别用于固定差变电容器(34)的上极板、下极板，使中间极板与上极板和下极板的各个位置间距相同，始终保持相互平行。

其中：所述检波电路包括有电阻R13、电阻R14、电阻R15、电阻R17、电阻R18、电容C5、电容C6、电容C7、场效应管Q2和场效应管Q3，其中，电阻R14的一端与Q2的栅极及中间极板相连，另一端接地；所述Q2漏极接正12v电源、源极与R15及C6相连接，R15的另一端接负12v电源；所述C6的另一端接R17，R17的另一端接R18及Q3的漏极，所述Q3的栅极通过电容C5与下极板相连，并且Q3的栅极与所述Q3的源极之间连接有R13然后与所述源极接地；所述R18的另一端接C7和集成运算放大器U2的正向输入端，所述C7的另一端接地。

所述高通滤波电路包括电容C9、电阻R22；所述高通滤波电路的电容C9位于所述检波电路与输出放大电路之间，所述电容C9的输出端接电阻R22，所述电阻R22的另一端接地。

所述导磁体(30)、导磁帽31均由纯铁加工而成，且与所述导磁帽(31)通过胶水粘接成一个封闭空间。

所述零点架(32)由金属铝加工而成。

所述线圈(33)包括线圈骨架及漆包线，安装在由导磁体(31)、导磁帽(32)和圆柱形磁铁(304)所构成的间隙中，其中，所述线圈骨架由有机玻璃制成。

所述差变电容器(34)的上极板、下极板和中间极均为定制加工的电路板，且所述上极板、下极板均为半圆形，且上极板、下极板中心设有圆环通孔，用以将所述上极板、下极板通过套管和螺杆固定在所述导磁体(30)的上方；所述中间极板的两面均镀有材料相同、形状和面积相同的金属镀层，且通过簧片(35)连接并固定在所述零点架(32)上。

所述簧片(35)，由铍铜合金制成，共有两个，装配时一端与所述传感器的中间极板、线圈(33)相连，另一端固定在零点架(32)上。

所述两组套管均由金属铜制成。

本发明所提供的无方向性力平衡加速度传感器，具有以下优点：

1)本发明所述传感器采用灵敏度高的差变电容器结构，并结合高性能的检波电路、高通滤波电路及输出放大电路对振动量转化为的电信号进行处理，进一步提高了本发明加速度传感器的频率测量范围，提高了测量精度。

2)本发明所述传感器的零点架通过铍铜合金制成的簧片与所述差变电容器的中间极板相连，所述中间极板与线圈连为一体，在由通过两组铜制套管紧固的上极板、下极板间运动时始终保证在零点位置，故不需要进行零点调整；在测试方向变化后，其传感器电路自动滤除了偏置零信号，保证了在振动量的测量中与振动的方向无关。克服了现有力平衡加速度传感器的方向性选择问题，提高了力平衡加速度传感器的通用性。

附图说明

图1为现有力平衡加速度传感器原理及结构示意图；

图2为本发明实施例无方向性力平衡加速度传感器的电路及信号处理原理示意图；

图3为本发明实施例所述传感器结构示意图(正视图)；

图3′为本发明实施例所述传感器结构示意图(侧视图)；

图3(a)为本发明实施例传感器底座的导磁体俯视结构示意图；

图3(b)为本发明实施例传感器底座的零点架顶视结构示意图；

图3(c)为本发明实施例传感器底座的线圈及线圈骨架结构剖面示意图；

图3(d)为本发明实施例传感器的差变电容器的各组成部分结构示意图

具体实施方式

下面结合附图及本发明的实施例对本发明的方法作进一步详细的说明。

图2为本发明实施例无方向性力平衡加速度传感器的电路及信号处理原理示意图，如图2所示，所述电路包括RC桥式振荡电路、激励信号作用电路、检波电路、高通滤波电路和输出放大电路；其中，所述激励信号作用电路，包括上极板激励信号电路、下极板激励信号电路和中间极板输出信号电路。其中：

1)RC桥式振荡电路，用于为所述加速度传感器的上极板、下极板提供交流的激励信号。由于传感器工作时电容上极板、下极板必须施加交流的激励信号，而该信号不能由外部供给，因此在电路设计上采用能够自动启振的RC桥式正弦波振荡电路，该电路具有自动启振、自动稳幅的功能。电路共分为选频网络、放大电路两部分。当满足条件电容C2＝C3，电阻R5＝R6条件下，电容C2、电阻R5、电容C3、电阻R6构成了选频网络，由于电路中存在广泛频谱的噪音，其中频率为ω＝1/(R₅C₂)的微弱噪音信号，经过电阻R1、电阻R4和电位器T1的负反馈放大电路放大后，通过选频网络作用，使输出信号V0幅值越来越大，最后稳定在一定幅值。该电压信号分别经过正向放大电路、反向放大电路分别施加到上极板、下极板上。其中，电位器T1的典型阻值约为1kΩ，也可取值为3kΩ或5kΩ。图中所示四个TL084运算放大器可用含有四个运算放大的芯片TL084实现，也可以采用四个OP191或两片OP291或者一片OP491运算放大器替代，或用LM356或者LM358运算放大器替代。

2)激励信号作用电路，包括上极板激励信号电路、下极板激励信号电路和中间极板输出信号电路；用于利用上、下极板激励信号电路为所述加速度传感器提供激励信号，并通过所述中间极板输出信号电路输出，所述中间极板的输出信号在上、下极板激励信号的作用下由低频信号被调制成高频交流信号。具体为：RC桥式振荡电路产生的高频交流信号经过一个隔直流电容C4后，经过如图2所示的一个反相放大电路(由电阻R7、电阻R8、电阻R9和运算放大器TL084_2组成)输入到可变电容的上极板上作为上极板的激励信号。该激励信号同时还输入到另一个同样的反相放大电路(由电阻R10、电阻R11、电阻R12和运算放大器TL084_3组成)，然后将其输出信号作为可变电容的下极板的激励信号。因此可变电容的上、下极板的激励信号幅值相同、相位相反，在所述上、下极板的激励信号作用下，中间极板的输出信号由低频信号被调制成高频交流信号。

3)检波电路，用于对激励信号作用电路输出的高频交流信号进行解调，检出所述高频交流信号的包络信号。

这里，所述检波电路，包括电阻R13、电阻R14、电阻R15、电阻R17、电阻R18、电容C5、电容C6、电容C7、场效应管Q2和Q3。其中，电阻R14的一端与Q2的栅极及中间极板相连，另一端接地；所述Q2漏极接+12v电源、源极与R15及C6相连接，R15的另一端接-12v电源；所述C6的另一端接R17，R17的另一端接R18及Q3的漏极，所述Q3的栅极通过电容C5与下极板相连，并且Q3的栅极与所述Q3的源极之间连接有R13然后与所述源极接地；所述R18的另一端接C7和集成运算放大器U2的正向输入端，所述C7的另一端接地。

其工作过程为：当中间极板信号处于正向周期时，Q2器件导通，电阻R15的非接电源端输出电压与中间极板输出电压的包络变化规律一致。电阻R015端输出电压首先经过电容C6滤出直流电压，然后再经过R18、C7滤除高频交流信号；当中间极板信号处于负向周期时，Q2器件截止，储存在电容C7中的电量通过下极板、电容C5、电阻R13和场效应管Q3组成的通道实现短暂放电。因此通过该检波电路，输入到运算放大器U2输入端的电压信号是经过检波电路处理后的包络信号，代表着传感器检测的震动信号.

完成解调后的信号经由电阻R19、电阻R20、电容C8、电容C10、电阻R21和运算放大器U2(OP177_1)所组成的正向驱动电路驱动，为传感器线圈提供反馈驱动电流，同时由电阻R20端取放大输出信号输入到后续的高通滤波电路。其中，电容C8平衡传感器线圈的电感作用，电阻R21对地电流即为线圈中的反馈电流，电容C10为传感器的阻尼电容，通过调节电容值大小可以调节传感器的阻尼值，在该传感器中该电容值为6.8uF左右，并且该电容为高精度的CBB电容。等效地，所述运算放大器OP177_1也可用OPA602替代。

4)高通滤波电路，用于对所述检波电路输出的包络信号进行处理，以滤除所述加速度传感器测试信号中的直流偏移值。这里，所述高通滤波电路，包括电容C9、电阻R22；该高通滤波电路的截止频率很低。所述高通滤波电路的电容C9位于所述检波电路与输出放大电路之间，所述电容C9的输出端接电阻R22，所述电阻R22的另一端接地。

具体为：通过使用所述高通滤波电路滤除加速度传感器测试信号中直流偏移值，并不影响加速度传感器其他频点的振动信号测试性能，从而使该加速度传感器能检测不含零频率的低频振动信号。该一阶高通滤波电路中电阻R22、电容C9的参数决定了该滤波器的截止频率，并且通过改变R22的电阻值、C9的电容值还可实现不同截止频率的高通滤波器。另外，改变电容C9、电阻R22的多种值的组合，还可实现同一截止频率的高通滤波，如截止频率为0.1Hz的高通滤波，可以用电阻R22＝20kΩ，电容C9＝80uF实现；或电阻R22＝10kΩ，电容C9＝159uF；或电阻R22＝12kΩ，电容C9＝133uF；或者R22＝16kΩ，电容C9＝100uF；其中电容C9可以是薄膜电容。

5)输出放大电路，用于对高通滤波电路输出的加速度传感器测试信号进行放大，以实现所述传感器输出信号幅值的调整。

这里，所述输出放大电路，包括电阻R23、电阻R24、电阻R25、电位器T3和运算放大器U3(OP177_2)，通过该放大电路，可以将所述高通滤波电路输出的最高幅值约为1.0V的信号放大为最高幅值5V的信号，从而实现对传感器输出信号幅值的调整。如，通过调节电位器T3中间抽头的位置，使得1+(T3+R24)/R23的电阻值的比值约为2，从而实现将输出电压放大为范围为-5V～+5V的信号。其中，电位器T3全范围阻值可以是5kΩ或10kΩ，运算放大器OP177_2可用OPA602替代。

以上为本发明无方向性力平衡加速度传感器的电路组成部分，若使该加速度传感器正常工作，还需要借助机械装置将其装配起来并安装在外界的固定物上，下面将对本发明所述力平衡加速度传感器的机械组成部分进行说明。这里，所述机械组成部分为底座。

图3和图3′分别为本发明实施例所述传感器结构正视图及侧视图示意图，如图所示，所述传感器上部为电路板A，其余部分为底座B，其中，底座B包括导磁体30，导磁帽31，零点架32，线圈33，差变电容器34，簧片35等部件及相关配件；其中，所述线圈33，由线圈骨架331及缠绕在线圈骨架上的漆包线组成；所述差变电容器包括上极板、下极板和中间极板三个组成部分；所述配件包括铜套管及螺钉等。

图3(a)为本发明实施例传感器底座的导磁体俯视结构示意图，如图3(a)所示，所述导磁体30，由纯铁加工而成，其内部设有一个圆柱形磁缸301，用于镶嵌一个圆柱形磁铁304，该圆柱形磁铁304与磁缸301内壁之间留有一定间隙，以在此中空的圆柱体空间内形成一个线性磁场。在装配时，该导磁体30和内部磁铁304的上方还需要一个由纯铁加工而成的导磁帽31，通过胶水粘接，用以封闭所述线性磁场的磁力线，因此，在导磁体30、导磁帽31与磁铁304之间封闭的圆柱形空隙内就形成一个均匀线性磁场。所述磁铁304，可以采用铁氧永磁材料制成，也可采用合金永磁材料制成，以提供一定强度的磁场。

这里，所述导磁体30的外侧上部分布有多个M2的螺纹孔302，用于定位传感器上极板、下极板；同时，该面上还分布有多个M3的螺纹孔303，用于固定所述传感器的电路板。另外，该导磁体30侧面还设有两个M3的螺纹孔，用于将零点架固定在该导磁体30上，装配时两者间采用M3长螺杆紧固在一起；导磁体30的底面设置有多个螺纹孔，用于将该传感器底座固定在待测环境中。

图3(b)为本发明实施例传感器底座的零点架顶视结构示意图，所述零点架32由金属铝加工而成，用于固定所述传感器的中间极板、线圈等，并为中间极板提供准确的零点位置。如图3(b)所示，其上设有中间距约为20mm的两个M2螺纹孔，用于固定两个簧片35，该簧片35的另一侧分别与中间极板的孔通过螺杆紧固定。同时，其上还设有中间距约为30mm的两个M3螺纹孔，用于定位该传感器电路板。该零点架32顶面的内侧设有两个M2的螺纹孔，该零点架32顶面内侧的高度可选，本实施例中设为22mm，能够保证正常装配后的传感器中间极板始终处于零点位置，因此，不需要再进行零点调整。

该零点架32的背面还设有直径约为3mm的通孔，用于通过M3的螺杆固定零点架32与导磁体。当线圈33的线圈骨架、中间极板和簧片35安装好并固定在零点架32上时，所述中间极板刚好位于上极板、下极板间距的中间位置即零点位置处。

图3(c)为本发明实施例传感器底座的线圈及线圈骨架结构剖面示意图，所述线圈骨架由有机玻璃加工而成。所述线圈安装在由导磁体31、导磁帽32和磁铁304所构成的间隙中，由于该间隙中具有均匀磁场，因此当线圈中通有电流时，线圈切割磁场产生反馈电磁力，带动线圈及中间极板运动。

如图3(c)所示，其内径约15.5mm，外径约为18mm，高约为7mm的圆环形空间是为缠绕漆包线而预留的，其顶部的高2.5mm、内径为M2的螺纹孔是用来通过螺杆连接固定该线圈骨架与中间极板的，这样，通过螺杆的连接，使得缠绕了一定数量的漆包线的线圈骨架与中间极板连接在一起成为中间极板的质量块，可以调节中间极板上下运动的幅度。通过在线圈骨架上缠绕一定长度的漆包线，形成所述传感器的反馈线圈，实验中该反馈线圈的阻值约为560欧姆，当发生振动时，所述质量块偏移零点位置从而在线圈中产生反馈信号。

图3(d)为本发明实施例传感器的差变电容器的各组成部分结构示意图，所述差变电容器34由上极板、下极板和中间极板构成，均为定制加工的电路板。所述差变电容器34，用于通过中间极板位置变化提取传感器外界的机械运动加速度，并将加速度的变化转换为可变电容器的电压变化。这里，所述差变电容器34的上极板、下极板均为半圆形，且上极板、下极板的圆环两端各有两个定位孔，通过套管、螺杆可以将下极板、上极板依次固定在导磁体的上方；中间极板为半圆形电路板，半圆中间开设有圆孔，用以将中间极板与线圈固定在一起。中间极板直边一侧设有两个定位孔，通过螺钉分别与两个簧片相连，所述两个簧片的另一端分别固定在零点架的内侧两个定位孔上。上极板的下表面、下极板的上表面和中间极板的两面均镀有材料相同、形状和面积相同的金属镀层，通过机械组装后可形成两个相同的差动电容，在所述传感器进行测量时，该差变电容的电容值改变量即对应该传感器所测量的加速度的大小。上极板、下极板通过螺钉固定在导磁体上方，且位置不变，中间极板通过两个簧片固定在零点架上，但中间极板只是一个边固定，另一个边可以在簧片的弹性作用下在一定幅值范围内上下运动。

所述簧片由特殊合金铍铜制成，具有良好的弹性，装配时传感器的中间极板、线圈与簧片一端相连，簧片的另一端固定在零点架上，用于保持所述差变电容器34中间极板在振动引起的往复运动中的平衡以及与所述上极板、下极板始终保持平行；当所述传感器的底座在振动作用下做机械运动时，由于线圈自身的作用带动中间极板做往复运动。

所述套管为金属铜制成，共使用两组，用于固定差变电容器的上极板、下极板，使中间极板与上极板和下极板的各个位置间距相同，始终保持相互平行。

所述两组套管，其中一组为5个相同高度(4mm)的铜套管，用来将下极板固定在导磁体30的上表面，要求使下极板的表面平整；另一组为4个相同高度(2mm)的铜套管，用来将上极板固定在下极板的正上方，并要求保证上极板、下极板的各个点的间距恒定。这样，通过保证铜套管高度的精度，即可达到此要求。

当所述加速度传感器以水平方向或垂直方向固定在被测环境下工作时，由于发生振动，在振动力作用下差变电容器的中间极板相对上极板、下极板的位置发生变化，因此上电容器、下电容器的电容量也会随之变化，根据公式(1)进行分析：如果d_上↓、d_下个(d_上+d_下＝常数，初始的平衡位置d_上＝d_下＝d₀)，则C_上个，C_下↓。另外，(V_上—V_中)·C_上＝Q，(V_下—V_中)·C_下＝Q，这样电容的变化就转变为中间极板电压V_中的变化，由于上极板、下极板施加的激励电压是相对交流电压，而每个电容值的变化也是非线性的，中间极板电压V_中的变化不难计算，因此也就很容易求出力平衡加速度传感器所测的的加速度值了。

如下为应用本发明无方向性力平衡加速度传感器进行振动测试实验所测的所测数据：表1为本发明无方向性力平衡加速度传感器在振动频率为0.1Hz～100.1Hz范围内的幅频响应值对应表，表2为本发明无方向性力平衡加速度传感器在频率为10Hz处的线性度表。

如表1所示，为所述加速度传感器的幅频响应表：

表1

如表2所示，为所述加速度传感器线性度表：

表2

从表1、表2中的频率、加速度以及灵敏度等表现所述传感器性能的指标来看，本发明所述力平衡加速度传感器所能测量的振动频率范围更宽，低频指标可达0.1Hz，加速度的测量下限可达0.01g(重力加速度)；所能测量的振动加速度灵敏度更高。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。

Claims (9)

1、一种无方向性力平衡加速度传感器，包括电路部分和机械的底座部分，所述电路部分包括有RC桥式振荡电路、激励信号作用电路以及输出放大电路；所述底座部分包括有线圈(33)、差变电容器(34)及相关配件，所述电路部分与所述差变电容器(34)的上极板、下极板和中间极板相连；其特征在于：所述电路部分还包括检波电路和高通滤波电路；所述底座部分的部件包括有导磁体(30)、导磁帽(31)、零点架(32)、簧片(35)；其中，

RC桥式振荡电路，用于为所述加速度传感器差变电容器(34)的上极板、下极板提供交流的激励信号；

激励信号作用电路，包括上极板激励信号电路、下极板激励信号电路和中间极板输出信号电路；用于利用上、下极板激励信号电路为所述加速度传感器提供激励信号，并通过所述中间极板输出信号电路输出，所述中间极板的输出信号在上极板、下极板激励信号的作用下将输出的低频信号调制到高频交流信号上；

检波电路，用于对激励信号作用电路输出的高频交流信号进行解调，检出所述高频交流信号的包络信号；

高通滤波电路，用于对所述检波电路输出的包络信号进行处理，以滤除所述加速度传感器测试信号中的直流偏移值；

输出放大电路，用于对高通滤波电路输出的加速度传感器测试信号进行放大，以实现所述传感器输出信号幅值的调整；以及

导磁体(30)，其内部设有一个圆柱形磁缸(301)，用于镶嵌一个圆柱形磁铁(304)，该圆柱形磁铁(304)与磁缸(301)内壁之间留有一定间隙，以在所述间隙内形成线性磁场；

导磁帽31，用于安装在所述导磁体(30)以及圆柱形磁铁(304)的上部以屏蔽所述导磁体(30)内的线性磁场；

零点架(32)，用于固定所述传感器的中间极板、线圈(33)，并为所述中间极板提供准确的零点位置；

线圈(33)，用于与所述中间极板紧固相连，形成所述中间极板的质量块，当发生振动时，所述质量块偏移零点位置从而在线圈中产生反馈信号；

差变电容器(34)，用于通过中间极板位置变化提取传感器外界的机械运动加速度，并将加速度的变化转换为可变电容器的电压变化；

簧片(35)，用于保持所述差变电容器(34)中间极板在振动引起的往复运动中的平衡以及使所述中间极板与所述上极板、下极板始终保持平行；

所述相关配件包括套管，共设有两组，分别用于固定差变电容器(34)的上极板、下极板，使中间极板与上极板和下极板的各个位置间距相同，始终保持相互平行。

2、根据权利要求1所述的传感器，其特征在于：所述检波电路包括有电阻R13、电阻R14、电阻R15、电阻R17、电阻R18、电容C5、电容C6、电容C7、场效应管Q2和场效应管Q3，其中，电阻R14的一端与Q2的栅极及中间极板相连，另一端接地；所述Q2漏极接正12v电源、源极与R15及C6相连接，R15的另一端接负12v电源；所述C6的另一端接R17，R17的另一端接R18及Q3的漏极，所述Q3的栅极通过电容C5与下极板相连，并且Q3的栅极与所述Q3的源极之间连接有R13然后与所述源极接地；所述R18的另一端接C7和集成运算放大器U2的正向输入端，所述C7的另一端接地。

3、根据权利要求1所述的传感器，其特征在于：所述高通滤波电路包括电容C9、电阻R22；所述高通滤波电路的电容C9位于所述检波电路与输出放大电路之间，所述电容C9的输出端接电阻R22，所述电阻R22的另一端接地。

4、根据权利要求1所述的传感器，其特征在于：所述导磁体(30)、导磁帽31均由纯铁加工而成，且与所述导磁帽(31)通过胶水粘接成一个封闭空间。

5、根据权利要求1所述的传感器，其特征在于：所述零点架(32)由金属铝加工而成。

6、根据权利要求1所述的传感器，其特征在于：所述线圈(33)包括线圈骨架及漆包线，安装在由导磁体(31)、导磁帽(32)和圆柱形磁铁(304)所构成的间隙中，其中，所述线圈骨架由有机玻璃制成。

7、根据权利要求1所述的传感器，其特征在于：所述差变电容器(34)的上极板、下极板和中间极均为定制加工的电路板，且所述上极板、下极板均为半圆形，且上极板、下极板中心设有圆环通孔，用以将所述上极板、下极板通过套管和螺杆固定在所述导磁体(30)的上方；所述中间极板的两面均镀有材料相同、形状和面积相同的金属镀层，且通过簧片(35)连接并固定在所述零点架(32)上。

8、根据权利要求7所述的传感器，其特征在于：所述簧片(35)，由铍铜合金制成，共有两个，装配时一端与所述传感器的中间极板、线圈(33)相连，另一端固定在零点架(32)上。

9、根据权利要求1或7所述的传感器，其特征在于：所述两组套管均由金属铜制成。

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