CN102109334A - 一种绝对式位移测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明揭露了一种绝对式位移测量装置，所述绝对式位移测量装置包括相对式位移检测系统，预处理模块，A/D处理模块，低频校正模块及反相器，该绝对式位移测量装置可以在保持原位移传感器较高的机械固有频率条件下，扩展位移传感器的测量频率下限，从而可以方便地测量物体的绝对位移，且测量精度高。

Description

一种绝对式位移测量装置

技术领域

本发明涉及精密振动位移测量装置，尤其涉及一种绝对式位移测量装置。

背景技术

随着超微细加工与装配技术、超精密测量技术的发展，微振动的影响变得更加突出。精密振动测试是许多高科技产品研发的必备手段。振动位移测量一般采用如下手段进行测试：电蜗流位移计、电容式位移测量仪、激光多普勒测振仪等。但上述测量手段属于相对式测量，难以得到被测物体的绝对位移。

1996年2月7日公开的“绝对式振幅传感器装置”(公开号为CN1116298A的中国专利)采用相对式位移传感器(电涡流位移传感器或电容位移传感器)与振动子组合，实现绝对式位移测量。该装置配备不同质量的振子降低振子的固有频率，扩展其低频特性，但过重的质量块和过低的弹簧刚度使其在重力场中静变形很大，不仅会导致体积庞大，结构设计困难，而且易受到交叉振动的干扰。

1997年4月23日公开的“手持式智能测振表”(公开号为CN2252986Y的中国专利)公布了一种测振仪器，该仪器采用积分电路或重积分电路将速度信号或加速度信号转变成位移信号，但是信号噪声对积分结果影响很大，难以得到准确的位移信号。

因此，如何方便地获取微振动的准确的绝对位移已成为业界亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种绝对式位移测量装置，以解决微振动的绝对位移测量不方便，测量装置复杂的问题。

为解决上述问题，本发明提出一种绝对式位移测量装置，所述绝对式位移测量装置包括依次串连的：

相对式位移检测系统，用于检测物体的相对位移，包括弹簧振子及与所述弹簧振子相连的相对式位移传感器，所述相对式位移传感器输出一相对位移信号，所述相对位移信号与绝对位移之间的相位相差180度；

预处理模块，用于对所述相对位移信号进行幅值调理和低通滤波预处理，去除噪声信号；

A/D处理模块，对预处理后的带负号的相对位移信号进行模数转换，得到数字式的相对位移信号；

低频校正模块，用于扩展相对式位移传感器的工作频率下限及校正相对式位移传感器的动态特性，从而把数字式的相对位移信号转换为数字式的绝对位移信号；以及

反相器，用于对经过低频校正模块后的信号进行相位调理得到相位正确的数字式的绝对位移信号。

可选的，所述弹簧振子包括质量块，X、Y、Z向的三个弹簧以及X、Y、Z向的三个阻尼器，所述X、Y、Z向的三个弹簧以及X、Y、Z向的三个阻尼器的一端连接所述相对式位移传感器的外壁，另一端连接所述质量块，所述质量块通过所述X、Y、Z向的三个弹簧以及X、Y、Z向的三个阻尼器悬浮在所述相对式位移传感器的外壁内。

可选的，所述相对式位移传感器为非接触式相对式位移传感器，其数量为3个，分别沿X、Y、Z方向接在所述质量块上，用于检测X、Y、Z三个方向的相对位移信号。

可选的，所述相对式位移传感器传递函数为：

$H\left(s\right)=\frac{Z\left(s\right)}{Z_0\left(s\right)}=\frac{-m{s}^2}{m{s}^2+\mathrm{cs}+k}=\frac{-s^2}{s^2+2{\mathrm{\ξ}}_0{\mathrm{\ω}}_{0}s+{{\mathrm{\ω}}_0}^2},$ 其中，m为质量块的质量，k为弹簧刚度，c为阻尼器阻尼，Z₀为被测物体位移，Z为质量块与被测物体的相对位移，ω₀为相对式位移传感器的固有频率，ξ₀为相对式位移传感器的阻尼率， ${\mathrm{\ω}}_0=\sqrt{k/m},$ ${\mathrm{\ξ}}_0=\frac{c}{\left(2m{\mathrm{\ω}}_0\right)}.$

可选的，所述相对式位移传感器的外壁和所述质量块的一阶固有频率远大于相对式位移传感器的测量频率范围。

可选的，所述低频校正模块的传递函数为：

$G\left(s\right)=\frac{s^2+2{\mathrm{\ξ}}_0{\mathrm{\ω}}_{0}s+{\mathrm{\ω}}_0^2}{s^2+2{\mathrm{\ξ}}_1{\mathrm{\ω}}_{1}s+{\mathrm{\ω}}_1^2},$ 其中，ω₀为相对式位移传感器的固有频率，ξ₀为相对式位移传感器的阻尼率；ω₁为校正环节的固有频率，ξ₁为校正后的阻尼率。

可选的，所述低频校正模块校正后的归一化传递函数为：

$H_0\left(s\right)=H\left(s\right)*G\left(s\right)=\frac{-s^2}{s^2+2{\mathrm{\ξ}}_1{\mathrm{\ω}}_{1}s+{\mathrm{\ω}}_1^2},$ 其中，ω₁＜ω₀，且ξ₁为最佳阻尼率。

本发明由于采用了上述的技术方案，使之与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：

1、本装置采用弹簧振子结合相对式位移传感器，可以实现绝对式位移测量，同时采用低频校正算法使得该装置的低频特性得到有效扩展，具有结构简单，质量较轻，体积较小，测量频率范围可调节的优点；

2、本装置直接固定在被测物体上可以直接测量其绝对位移，具有使用方便，精度较高的优点，可以广泛用于精密振动测试，振动控制等领域。

附图说明

图1A为本发明提供的绝对式位移测量装置的系统原理图；

图1B为位移传感器垂向测量原理图；

图1C为本发明提供的绝对式位移测量装置的位移信号处理原理框图；

图2为未经校正的位移传感器垂向频率响应特性图；

图3为本发明提供的校正后位移传感器垂向频率响应特性图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的旋转台作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

本发明的核心思想在于，提供一种绝对式位移测量装置，该绝对式位移测量装置采用弹簧振子结合相对式位移传感器，实现绝对式位移测量，同时采用低频校正算法使得该装置的低频特性得到有效扩展，测量频率范围可调节，从而可以在装置质量较轻，体积较小的情况下测量微振动的绝对位移，简化了测量装置，提高了测量精度。

请参考图1A至图1C，其中，图1A为本发明提供的绝对式位移测量装置的系统原理图，图1B为位移传感器垂向测量原理图，图1C为本发明提供的绝对式位移测量装置的位移信号处理原理框图，如图1A所示，该绝对式位移测量装置包括相对式位移检测系统100，预处理模块200，A/D处理模块300，低频校正模块400及反相器500。其中，所述相对式位移检测系统100用于检测被测物体101的相对位移，所述相对式位移检测系统100包括相对式位移传感器及弹簧振子，所述相对式位移传感器的数量为3个，为106a～106c(图中106c未标出)，这三个相对式位移传感器106a～106c分别沿X、Z、Y方向接在所述质量块103上，用于检测X、Z、Y三个方向的相对位移信号。

所述弹簧振子包括质量块103，X、Z、Y向的三个弹簧104a～104c(图中104c未标出)以及X、Z、Y向的三个阻尼器105a～105c(图中105c未标出)，所述X、Y、Z向的三个弹簧104a～104c以及X、Y、Z向的三个阻尼器105a～105c的一端连接所述相对式位移传感器的外壁102，另一端连接所述质量块103，所述质量块103通过所述X、Y、Z向的三个弹簧104a～104c以及X、Y、Z向的三个阻尼器105a～105c悬浮在所述相对式位移传感器的外壁102内。

所述相对式位移传感器根据被测物体101的微振动情况，输出相对位移信号，所述相对位移信号与绝对位移之间的相位相差180度；所述预处理模块200用于对相对式位移传感器106a～106c输出的相对位移信号进行幅值调理和低通滤波，去除噪声信号；所述A/D处理模块300对预处理后的相对位移信号进行模数转换，得到数字式的相对位移信号；所述低频校正模块400用于扩展相对式位移传感器106a～106c的工作频率下限及校正传感器的动态特性，从而把数字式的相对位移信号转换为数字式的绝对位移信号；所述反相器500用于对经过低频校正模块后的信号进行相位调理得到相位正确的数字式的绝对位移信号。

下面对本发明提供的绝对式位移测量装置测量物体Z方向的绝对位移的原理和方法做具体说明，测量物体X方向和Y方向的绝对位移的原理和方法与Z方向的类似。

由图1B的位移传感器垂向测量原理图可得：

$m{\stackrel{..}{Z}}_1+c({\stackrel{.}{Z}}_1-{\stackrel{.}{Z}}_0)+k(Z_1-Z_0)=0$

其中，m为质量块103的质量，k为弹簧104a～104c的刚度，c为阻尼器105a～105c的阻尼，Z₀为被测物体101沿Z方向的位移，Z₁为质量块103沿Z方向的位移，令质量块与被测物体沿Z方向的相对位移Z＝Z₁-Z₀可得：

$m\stackrel{..}{Z}+c\stackrel{.}{Z}+\mathrm{kZ}=-m{\stackrel{..}{Z}}_0$

$H\left(s\right)=\frac{Z\left(s\right)}{Z_0\left(s\right)}=\frac{-m{s}^2}{m{s}^2+\mathrm{cs}+k}=\frac{-s^2}{s^2+2{\mathrm{\ξ}}_0{\mathrm{\ω}}_{0}s+{{\mathrm{\ω}}_0}^2}$

其中： ${\mathrm{\ω}}_0=\sqrt{k/m},$ ξ₀＝c/(2mω₀)。

如图1C所示，使用该绝对式位移测量装置测量绝对位移时，位移信号的处理流程为：

相对式位移传感器的传递函数： $H\left(s\right)=\frac{Z\left(s\right)}{Z_0\left(s\right)}=\frac{-m{s}^2}{m{s}^2+\mathrm{cs}+k}=\frac{-s^2}{s^2+2{\mathrm{\ξ}}_0{\mathrm{\ω}}_{0}s+{{\mathrm{\ω}}_0}^2};$

所述相对式位移传感器输出的信号经过A/D转换，转换成数字式的相对位移信号；

所述数字式的位移信号经过低频校正，使相对式位移传感器的工作频率下限得到扩展，得到数字式的绝对位移信号，所述低频校正模块的传递函数为：

$G\left(s\right)=\frac{s^2+2{\mathrm{\ξ}}_0{\mathrm{\ω}}_{0}s+{\mathrm{\ω}}_0^2}{s^2+2{\mathrm{\ξ}}_1{\mathrm{\ω}}_{1}s+{\mathrm{\ω}}_1^2}$

其中，ω₀为相对式位移传感器的固有频率，ξ₀为相对式位移传感器的阻尼率；ω₁为校正环节的固有频率，ξ₁为校正后的阻尼率。经过所述低频校正模块校正后的归一化传递函数为：

$H_0\left(s\right)=H\left(s\right)*G\left(s\right)=\frac{-s^2}{s^2+2{\mathrm{\ξ}}_1{\mathrm{\ω}}_{1}s+{\mathrm{\ω}}_1^2}$

其中，ω₁＜ω₀，且ξ₁为最佳阻尼率。由于所述相对式位移传感器输出的信号经过了A/D转换，变成了数字式的相对位移信号，因此所述低频校正环节的传递函数G(s)也需经过Z变换，转换成离散传递函数G(z)，以使所述低频校正模块能处理经A/D处理模块处理后的数字式的相对位移信号；

低频校正后的位移信号经过反相器，得到相位正确的绝对位移信号。

请继续参考2，图2为未经校正的位移传感器垂向频率响应特性图，图2中相对式位移传感器的固有频率为4.5Hz，阻尼器的阻尼率为0.2，由图2可知，当被测物体的振动频率高于相对式位移传感器的固有频率时，幅值为0dB，这表明质量块和被测物体之间的相对位移Z和被测物体的振动位移Z₀的幅值相等，从而测出了质量块和被测物体之间的相对位移Z即可得到被测物体的振动位移Z₀，振动位移Z₀即为被测物体的绝对位移。但由于被测物体的振动频率一般比较低，因此当被测物体的振动频率低于4.5Hz时，则不能直接得到被测物体的绝对位移。为扩展相对式位移传感器的工作频率下限，一般采用降低相对式位移传感器的固有频率，提高阻尼器的阻尼比的方式进行扩展，而降低相对式位移传感器的固有频率及提高阻尼器的阻尼比，一般又是通过采用不同重量的质量块组合与不同刚度的弹簧组合来实现的。但过大的质量块和过低的弹簧刚度使弹簧振子在重力场中的变形很大，不仅会导致体积庞大，结构设计困难，而且易受到其它质量块交叉振动的干扰，并且此类位移传感器其固有频率一般为4-15Hz。

请继续参考图3，图3为本发明提供的校正后的相对式位移传感器垂向频率响应特性图，图3中低频校正环节的固有频率为0.01Hz，阻尼率为0.707。由图可知：校正后相对式位移传感器的固有频率降低，动态特性曲线得到校正，并且保持原相对式位移传感器较高的机械固有频率，从而能方便地获得被测物体的绝对位移。

在本发明的一个具体实施例中，所述相对式位移传感器的固有频率大于4Hz，不需通过增大质量块的质量及降低弹簧的刚度来降低相对式位移传感器的固有频率，使得所述质量块的体积较小，重量较轻。

在本发明的一个具体实施例中，所述相对式位移传感器的外壁和所述质量块的一阶固有频率远大于相对式位移传感器的测量频率范围，从而忽略所述相对式位移传感器外壁和质量块对测量结果的影响。

综上所述，本发明提供了一种绝对式位移测量装置，所述绝对式位移测量装置包括相对式位移检测系统，预处理模块，A/D处理模块，低频校正模块及反相器，该绝对式位移测量装置可以在保持原相对式位移传感器较高的机械固有频率条件下，扩展相对式位移传感器的测量频率下限，校正相对式位移传感器的动态特性曲线，从而可以方便地测量物体的绝对位移。

显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (7)

1.一种绝对式位移测量装置，用于测量微振动的绝对位移，其特征在于，包括依次串连的：

相对式位移检测系统，用于检测物体的相对位移，包括弹簧振子及与所述弹簧振子相连的相对式位移传感器，所述相对式位移传感器输出一相对位移信号，所述相对位移信号与绝对位移之间的相位相差180度；

预处理模块，用于对所述相对位移信号进行幅值调理和低通滤波预处理，去除噪声信号；

A/D处理模块，对预处理后的相对位移信号进行模数转换，得到数字式的相对位移信号；

低频校正模块，用于扩展相对式位移传感器的工作频率下限及校正相对式位移传感器的动态特性，从而把数字式的相对位移信号转换为数字式的绝对位移信号；以及

反相器，用于对经过低频校正模块后的信号进行相位调理得到相位正确的数字式的绝对位移信号。

2.如权利要求1所述的绝对式位移测量装置，其特征在于，所述弹簧振子包括质量块，X、Y、Z向的三个弹簧以及X、Y、Z向的三个阻尼器，所述X、Y、Z向的三个弹簧以及X、Y、Z向的三个阻尼器的一端连接所述相对式位移传感器的外壁，另一端连接所述质量块，所述质量块通过所述X、Y、Z向的三个弹簧以及X、Y、Z向的三个阻尼器悬浮在所述相对式位移传感器的外壁内。

3.如权利要求2所述的绝对式位移测量装置，其特征在于，所述相对式位移传感器为非接触式相对式位移传感器，其数量为3个，分别沿X、Y、Z方向接在所述质量块上，用于检测X、Y、Z三个方向的相对位移信号。

4.如权利要求3所述的绝对式位移测量装置，其特征在于，所述相对式位移传感器的传递函数为：

$H\left(s\right)=\frac{Z\left(s\right)}{Z_0\left(s\right)}=\frac{{-\mathrm{ms}}^2}{{\mathrm{ms}}^2+\mathrm{cs}+k}=\frac{{-s}^2}{s^2+{2\mathrm{\ξ}}_0{\mathrm{\ω}}_{0}s+{{\mathrm{\ω}}_0}^2},$ 其中，m为质量块的质量，k为弹簧刚度，c为阻尼器阻尼，Z₀为被测物体位移，Z为质量块与被测物体的相对位移，ω₀为相对式位移传感器的固有频率，ξ₀为相对式位移传感器的阻尼率， ${\mathrm{\ω}}_0=\sqrt{k/m},$ ${\mathrm{\ξ}}_0=\frac{c}{\left(2m{\mathrm{\ω}}_0\right)}.$

5.如权利要求4所述的绝对式位移测量装置，其特征在于，所述相对式位移传感器的外壁和所述质量块的一阶固有频率远大于相对式位移传感器的测量频率范围。

6.如权利要求4所述的绝对式位移测量装置，其特征在于，所述低频校正模块的传递函数为：

$G\left(s\right)=\frac{s^2+{2\mathrm{\ξ}}_0{\mathrm{\ω}}_{0}s+{\mathrm{\ω}}_0^2}{s^2+{2\mathrm{\ξ}}_1{\mathrm{\ω}}_{1}s+{\mathrm{\ω}}_1^2}\text{,}$ 其中，ω₀为相对式位移传感器的固有频率，ξ₀为相对式位移传感器的阻尼率；ω₁为校正环节的固有频率，ξ₁为校正后的阻尼率。

7.如权利要求6所述的绝对式位移测量装置，其特征在于，所述低频校正模块校正后的归一化传递函数为：

$H_0\left(s\right)=H\left(s\right)*G\left(s\right)=\frac{{-s}^2}{s^2+{2\mathrm{\ξ}}_1{\mathrm{\ω}}_{1}s+{\mathrm{\ω}}_1^2},$ 其中，ω₁＜ω₀，且ξ₁为最佳阻尼率。

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