CN102252746A - 一种基于大阻尼比的双参量速度和加速度输出拾振器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于大阻尼比的双参量速度和加速度输出拾振器，所述的单自由度系统由弹簧、阻尼器和运动部分质量块组成，运动部分质量块通过弹簧和阻尼器悬置在外壳内，单自由度系统的上部设置有电容换能速度计，电容换能速度计由差动电容器和电容换能器相连组成，差动电容器与运动部分质量块上端连接，单自由度系统的下部设置有线圈换能大阻尼比加速度计，在运动部分质量块的下端连接一线圈架，线圈架上绕有输入线圈和反馈线圈两组线圈，两组线圈置于磁路系统的磁缝隙中，并分别与伺服放大器的输入端和输出端相连。本发明结构紧凑、设计合理，在一个单自由度系统中实现了电容换能的振动速度测量和线圈换能的振动加速度测量。

Description

一种基于大阻尼比的双参量速度和加速度输出拾振器

技术领域

本发明涉及一种振动测量装置，特别是为工程振动和地震观测提供了一种基于大阻尼比的双参量输出拾振器，可同时测量振动加速度和振动速度。

背景技术

目前，用于振动测量和地震观测的传感器一般只能测量单一振动参量，如电容换能力平衡加速度计、压电式加速度计、应变式加速度计和线圈换能式加速度计等只能测量加速度，线圈式速度计、无源伺服式速度计等只能测量速度。如需要同时获得加速度和速度参量，需要使用加速度计和速度计两种振动传感器，给用户带来不便，增加使用成本，或利用一个加速度计经过信号调理器调理后得到这两种振动参量，此方法不可避免的要使用到积分器将加速度计的输出电压信号经积分后获得正比于速度的电压信号，然而积分势必会带来误差，尤其是针对长周期积分时将带来较大的漂移。

发明内容

本发明的目的在于克服上述技术中存在的不足之处，提供一种结构紧凑、设计合理，可同时测量振动加速度和振动速度的基于大阻尼比的一种基于大阻尼比的双参量速度和加速度输出拾振器。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：所述的单自由度系统由弹簧、阻尼器和运动部分质量块组成，运动部分质量块通过弹簧和阻尼器悬置在外壳内，所述的单自由度系统的上部设置有电容换能速度计，电容换能速度计由差动电容器和电容换能器相连组成，差动电容器与运动部分质量块上端连接，单自由度系统的下部设置有线圈换能大阻尼比加速度计，在运动部分质量块的下端连接一线圈架，线圈架上绕有输入线圈和反馈线圈两组线圈，两组线圈置于磁路系统的磁缝隙中，并分别与伺服放大器的输入端和输出端相连。

本发明的优点是：

1、结构紧凑、设计合理，在一个单自由度系统中实现了电容换能的振动速度测量和线圈换能的振动加速度测量；

2、利用大阻尼比线圈、换能技术拓宽传感器的频率特性和扩大了测量量程，且两种参量输出具有相同的幅频特性和相位特性；

3、适用范围广，可广泛用于多种土木水利工程的振动测量和地震观测。

附图说明

图1是本发明原理框图；

图2是本发明结构示意图；

图3是电容换能速度计电原理图；

图4是线圈换能大阻尼比加速度计电原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。

由图1-图4可知，本发明所述的单自由度系统2由弹簧7、阻尼器12和运动部分质量块14组成，运动部分质量块14通过弹簧7和阻尼器12悬置在外壳6内，所述的单自由度系统2的上部设置有电容换能速度计1，电容换能速度计1由差动电容器和电容换能器18相连组成，差动电容器与运动部分质量块14上端连接，单自由度系统2的下部设置有线圈换能大阻尼比加速度计3，在运动部分质量块14的下端连接一线圈架15，线圈架15上绕有输入线圈16和反馈线圈17两组线圈，两组线圈置于磁路系统的磁缝隙中，并分别与伺服放大器19的输入端和输出端相连。

所述的电容换能速度计1的差动电容器由上极板8、下极板10和活动极板9组成，上极板8和下极板10分别通过极板连接器11与外壳6相连，活动极板9通过活动极板连接器13与运动部分质量块14相连。

所述的电容换能速度计1的电容换能器18是由电容电压变换电路23和滤波电路24组成，差动电容器的三极板和电容电压变换电路23输入端相连，电容电压变换电路23的输出端与滤波电路24的输入端相连。

所述的磁路系统是由外磁路4和永磁体5组成，永磁体5和外磁路4下部的上端面连接，外磁路4的下部的下端面和外壳6相连，外磁路4和永磁体5的上端有一定磁缝隙。

所述的输入线圈16和反馈线圈17一端分别与伺服放大器19正输入端和灵敏度电阻20相连，另一端接地，灵敏度电阻20的另一端接伺服放大器19的输出端，伺服放大器19的负输入端连接输入电阻21和反馈电阻22，输入电阻21的另一端接地，反馈电阻22的另一端接伺服放大器19的输出端。

下面详述其工作原理和过程：

大阻尼比加速度计的基本原理可用图2、图3来描述。在进行振动测量时，拾振器外壳6固定在被测物上，当被测物发生振动时与外壳6相连的磁路系统亦产生振动，运动部分质量块14相对于外壳3产生相对位移，则线圈架15上的输入线圈16便由于在磁场内运动而产生了感生电动势e_s。该电动势经伺服放大器19放大后得到输出电压e₁。同时，输出电压e₁通过与之相连的灵敏度电阻20输送到反馈线圈17，由于作用在该线圈上的电压与感生电动势e_s极性相反，使之对与其相连的运动部分质量块14产生了反向作用力，从而加大了系统的阻尼。系统的运动微分方程为：

$m\stackrel{\·\·}{x}+b\stackrel{\·}{x}+G_{2}i+\mathrm{kx}=-m\stackrel{\·\·}{X}---\left(a\right)$

其中，m为运动部分质量块14质量，k为弹簧7的弹簧刚度，b为包括空气阻尼在内的阻尼器12的阻尼力系数，G₁为输入线圈16的机电耦合系数，G₂为反馈线圈17的机电耦合系数，R_f为灵敏度电阻20的电阻，i为流入反馈线圈17中的电流，X为外壳3的运动位移，x为运动部分质量块14相对于外壳3的相对位移。

其电路方程为：

$\left.\begin{array}{c}{e}_s=G_1\stackrel{\·}{x}\\ e_1=G_1\stackrel{\·}{x}K\\ e_2=k_{c}x\\ i=\frac{e_1}{R_f}=G_1\stackrel{\·}{x}K\frac{1}{R_f}\end{array}\right\}---\left(b\right)$

其中，K为伺服放大器19的放大倍数。忽略空气阻尼时用算子法求解方程(a)、(b)的解为：

$x\left(s\right)=-\frac{\mathrm{sX}\left(s\right)}{2D{\mathrm{\ω}}_0(\frac{s}{2D{\mathrm{\ω}}_0}+1+\frac{{\mathrm{\ω}}_0}{2\mathrm{Ds}})}---\left(c\right)$

式中：s＝jω；

为传感器的自振圆频率。

其系统的阻尼比为

$D=\frac{G_1\·G_2\·K}{2m\·{\mathrm{\ω}}_0\·R_f}---\left(d\right)$

从式(d)中可看出，阻尼比D与伺服放大器19的放大倍数K成正比，通过调整放大倍数K可方便的获得远大于1的阻尼比，从而展宽传感器的幅频特性。

由式(c)可以看出，当阻尼比D＞＞1时，运动部分质量块14的相对位移x与地面运动的速度sX成正比。

由(c)式还可以看出，运动部分质量快14的位移x与阻尼比D成反比，阻尼比越大，运动部分质量14的相对位移x越小。

由图2和式(b)可得伺服放大器19的输出电压为：

$e_1\left(s\right)=G_1\stackrel{\·}{x}K=-\frac{G_1{\mathrm{Ks}}^{2}X\left(s\right)}{2D{\mathrm{\ω}}_0(\frac{s}{2D{\mathrm{\ω}}_0}+1+\frac{{\mathrm{\ω}}_0}{2\mathrm{Ds}})}---\left(e\right)$

由(e)式可以看出，其输出电压与地面运动的加速度成正比，动圈换能系统构成一大阻尼比加速度计，加速度计的幅频特性为：

$A=\frac{2{\mathrm{Du}}_1}{\sqrt{{(1-u_1^2)}^2+4D^2{u}_1^2}}---\left(f\right)$

相位特性为

$\tan \mathrm{\θ}=\frac{2D{u}_1}{u_1^2-1}---\left(g\right)$

式中： $u_1=\frac{{\mathrm{\ω}}_0}{\mathrm{\ω}}$

从(f)可以看出，只要选择较大的阻尼比，就可获得较宽的幅频特性。

加速度计的复灵敏度为：

$S_a\left(s\right)=\frac{e_1\left(s\right)}{s^{2}X\left(s\right)}=-\frac{{\mathrm{Bl}}_{1}K}{2D{\mathrm{\ω}}_0(\frac{s}{2D{\mathrm{\ω}}_0}+1+\frac{{\mathrm{\ω}}_0}{2\mathrm{Ds}})}---\left(h\right)$

由(g)式可以看出，当ω＝ω₀时，A＝1，加速度计灵敏度为：

$S_a=\frac{G_{1}K}{2D{\mathrm{\ω}}_0}=m{R}_f/{\mathrm{Bl}}_2---\left(i\right)$

从(i)式中可以看出，加速度计的灵敏度只与运动部分质量m，反馈线圈17的机电耦合系数G₂以及灵敏度电阻20R_f有关，而与伺服放大器19的放大倍数K，输入线圈16的机电耦合系数G1无关。因此，只要适当选择参数，就可得到合适的灵敏度，且环境温度及电源电压的变化等因素对仪器的灵敏度的影响甚微。

电容传感速度计的基本原理可用图2、图4来描述。当运动部分质量块14与外壳6产生相对位移x时，由于动极板9和运动部分质量块14相连，运动质量块14相对于外壳6的位移x即是动极板的位移，并造成动极板9和上极板8下极板10之间的间隙变化。极板间隙的变化导致差动电容器的电容变化。差动电容器的电容电压变化经过电容电压变化电路23和滤波电路24后，得到与地面运动的速度成正比的输出电压，构成一电容传感速度计。

电容传感速度计输出电压为

$e_2\left(s\right)=k_{c}x=-\frac{k_c\mathrm{sX}\left(s\right)}{2D{\mathrm{\ω}}_0(\frac{s}{2D{\mathrm{\ω}}_0}+1+\frac{{\mathrm{\ω}}_0}{2\mathrm{Ds}})}---\left(g\right)$

由(g)式可以看出，电容传感输出端的输出电压与地面运动速度成正比，其系统构成一速度计，电容传感速度计的复灵敏度为

$S_{\stackrel{\·}{x}}\left(s\right)=\frac{e_2\left(s\right)}{\mathrm{sX}\left(s\right)}=-\frac{k_c}{2D{\mathrm{\ω}}_0(\frac{s}{2D{\mathrm{\ω}}_0}+1+\frac{{\mathrm{\ω}}_0}{2\mathrm{Ds}})}---\left(k\right)$

电容传感速度计的幅频和相频特性和式(f)、(g)相同。同理，当ω＝ω₀、A＝1时，电容传感速度计灵敏度为：

$S_{\stackrel{\·}{x}}=\frac{k_c}{2D{\mathrm{\ω}}_0}---\left(1\right)$

本发明采用双动圈即输入线圈16和反馈线圈17以及伺服放大器19组成闭环反馈电路，利用此种闭环反馈方法获得系统的大阻尼比。通过调整伺服放大倍数可方便获取远大于1的大阻尼比，从而拓展了拾振器的幅频特性，扩大了测量量程，实现低频和超低频振动测量。并同时利用其内部的可变电容实现了拾振器的振动速度和加速度双参量输出。此拾振器可用于土木水利工程的低频和超低频振动测量，也可用于微震和强震的观测，弥补了单一强震加速度观测的不足，超低频强震速度测量可获取更加丰富的地震信息。

Claims (5)

1.一种大阻尼比双参量输出拾振器，包括单自由度系统(2)，其特征在于：所述的单自由度系统(2)由弹簧(7)、阻尼器(12)和运动部分质量块(14)组成，运动部分质量块(14)通过弹簧(7)和阻尼器(12)悬置在外壳(6)内，所述的单自由度系统(2)的上部设置有电容换能速度计(1)，电容换能速度计(1)由差动电容器和电容换能器(18)相连组成，差动电容器与运动部分质量块(14)上端连接，单自由度系统(2)的下部设置有线圈换能大阻尼比加速度计(3)，在运动部分质量块(14)的下端连接一线圈架(15)，线圈架(15)上绕有输入线圈(16)和反馈线圈(17)两组线圈，两组线圈置于磁路系统的磁缝隙中，并分别与伺服放大器(19)的输入端和输出端相连。

2.根据权利要求1所述的一种大阻尼比双参量输出拾振器，其特征在于：所述的电容换能速度计(1)的差动电容器由上极板(8)、下极板(10)和活动极板(9)组成，上极板(8)和下极板(10)分别通过极板连接器(11)与外壳(6)相连，活动极板(9)通过活动极板连接器(13)与运动部分质量块(14)相连。

3.根据权利要求1所述的一种大阻尼比双参量输出拾振器，其特征在于：所述的电容换能速度计(1)的电容换能器(18)是由电容电压变换电路(23)和滤波电路(24)组成，差动电容器的三极板和电容电压变换电路(23)输入端相连，电容电压变换电路(23)的输出端与滤波电路(24)的输入端相连。

4.根据权利要求1所述的一种大阻尼比双参量输出拾振器，其特征在于：所述的磁路系统是由外磁路(4)和永磁体(5)组成，永磁体(5)和外磁路(4)下部的上端面连接，外磁路(4)的下部的下端面和外壳(6)相连，外磁路(4)和永磁体(5)的上端有一定磁缝隙。

5.根据权利要求1所述的一种大阻尼比双参量输出拾振器，其特征在于：所述的输入线圈(16)和反馈线圈(17)一端分别与伺服放大器(19)正输入端和灵敏度电阻(20)相连，另一端接地，灵敏度电阻(20)的另一端接伺服放大器(19)的输出端，伺服放大器(19)的负输入端连接输入电阻(21)和反馈电阻(22)，输入电阻(21)的另一端接地，反馈电阻(22)的另一端接伺服放大器(19)的输出端。

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