CN103575383B - 可同时测量加速度和速度的低频多输出无源伺服振动传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种可以同时测量加速度和速度的低频多输出无源伺服振动传感器，其特征在于：基座、上套和上盖依次连接组成中空外壳；基座上固设有永磁体，永磁体上固设有软铁，软铁周边固设有衔铁，软铁和衔铁之间的间隙中设有线圈架，线圈架以弹簧片与衔铁连接；线圈架上设有三个接线柱；线圈架上缠绕有主线圈、副线圈、标定线圈，主线圈、副线圈、标定线圈分别与三个接线柱连接；电路板上设有前电路端子和后电路端子，前电路端子和后电路端子之间并联有电容；第一接线柱与前电路端子连接，后电路端子与信号输出一连接，第二接线柱与信号输出二连接。本发明用单个传感器，不对信号进行数学处理，就可以实现同时测量加速度和速度信号。

Description

可同时测量加速度和速度的低频多输出无源伺服振动传感器

技术领域

本发明涉及一种测量仪器，尤其涉及一种振动测量传感器。

背景技术

振动测试是一种常见的测试，测量物理量有加速度、速度和位移。目前绝大部分的振动传感器是加速度计，测试方法也以加速度测量为主，加速度对中高频信号敏感，因此机械振动、冲击碰撞等领域的振动测试多为加速度测量，加速度测量也是技术最为成熟的振动测量方法。

随着科学技术的发展，低频振动问题越来越受到重视，以下领域都涉及到低频振动测量：

1.桥梁、楼房、大坝等土木水利工程结构的动力学实验、结构健康监测等。

2.地震领域，如地震观测和强震观测。

3.国防技术，如飞机、火箭等高端设备中大量使用振动传感器进行各部位的振动监测，姿态控制和惯性导航也会使用低频传感器。

4.地质和矿产勘探，如石油勘探大量使用包括低频地震检波器在内的各种地震检波器。

5.生物动力学研究，如研究振动对人体不同器官的影响时，需要使用振动传感器测量振动信号。

6.精密加工和制造技术。

由于速度和位移对低频信号更敏感，因此很多低频振动测试除了测量加速度外还会测量速度及位移，目前的低频振动测量多使用以下手段：

1.低频加速度测量直接利用低频加速度计完成，如力平衡式加速度计、压阻加速度计等；

2.利用加速度计，通过对加速度信号进行一次积分和两次积分测量速度和位移；

3.一些低频速度信号的测量使用低频地震检波器完成。

4.利用“无源伺服式往复摆多功能拾振器”完成低频振动信号的测量。

这些测试方法存在的不足有：

1.低频加速度计，如力平衡式加速度计、压阻加速度计等无法直接测量速度和位移。

2.通过对加速度信号进行一次和两次积分测量速度和位移会带来一些问题，尤其振动信号含有低频信息时进行两次积分会加大低频测量误差，日本东京测振株式会社曾对此做过对比试验并公布了对比结果，结果证实了两次积分会加大低频测量误差，一次积分带来的测量误差较小。

3.根据公开的技术资料，低频地震检波器的频率最低可到1Hz，而很多测试需要测量1Hz以下的振动信号，且1Hz的地震检波器体积大，重量大、弹性元件极易损坏，价格也非常昂贵，很难满足工程低频振动测量的需求。

4.“无源伺服式往复摆多功能拾振器”可完成低频加速度、速度和位移（通过速度的一次积分）的测量，此类传感器在低频振动测量中应用较多，其不足在于无法同时完成两个物理量的测量，例如在测量加速度时，无法测量速度，如果需要同时测量多个物理量则需要安装两支此类拾振器，这通常意味着增加了测试成本和测试的复杂性；

发明内容

本发明提供一种可同时测量加速度和速度的低频多输出无源伺服振动传感器，其目的是用单个传感器，不对信号进行数学处理，就可以实现同时测量加速度和速度信号，且传感器具有良好的低频特性，能够满足土木水利工程结构的振动测试。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种可以同时测量加速度和速度的低频多输出无源伺服振动传感器，其特征在于：基座、上套和上盖依次连接组成中空外壳；基座上固设有永磁体，永磁体上固设有软铁，软铁周边固设有衔铁，软铁和衔铁之间的间隙中设有线圈架，线圈架以弹簧片与衔铁连接；线圈架上设有第一接线柱、第二接线柱、第三接线柱；线圈架上缠绕有线圈匝数依次减少的主线圈、副线圈、标定线圈，主线圈、副线圈、标定线圈分别与第一接线柱、第二接线柱、第三接线柱连接；电路板上设有前电路端子和后电路端子，前电路端子和后电路端子之间并联有电容；第一接线柱与前电路端子连接，后电路端子与设在上盖上的信号输出一连接，第二接线柱与设在上盖上的信号输出二连接；信号输出一和信号输出二共同组成了输出接口。

上述技术方案的有益之处在于：

1.与低频地震检波器相比，扩展了低频测量范围：可测量0.1Hz的振动信号，较普通的低频地震检波器大大扩展了低频测量范围，且结构简单，使用方便，弹性元件不易损坏。

2.与低频加速度计相比增加了速度和位移测量功能，其中速度信号直接测量，位移则通过速度的一次积分，避免了两次积分带来较大测量误差。

3.与无源伺服式往复摆多功能拾振器相比，可同时测量加速度和速度，且加速度和速度为直接测量，不使用积分处理手段，位移测量使用一次积分，解决了单只拾振器同时测量多个物理量的问题，简化了测量手段，降低了测量成本。

4.通过在主线圈上并联一个大小合适的电容，构成无源伺服反馈回路，大大改善了传感器的低频特性，可以完成普通电磁式传感器无法完成的低频振动测量任务；在实现无源伺服反馈的同时，通过在线圈架上缠绕多组线圈，分别构成了速度摆速度计和速度摆加速度计，利用单个传感器实现了加速度和速度的同时测量。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明剖面示意图；

图2是本发明线圈架侧视图；

图3是本发明线圈架俯视图；

图4是本发明外观图；

图5是本发明电路图。

具体实施方式

如图1、图4所示，方形基座1、圆柱形上套9和圆形上盖11依次连接组成中空外壳；1基座上固设有永磁体2，永磁体2上固设有软铁4，软铁4周边固设有衔铁7，永磁体2、基座1、软铁4和衔铁7共同构成了闭合磁路，定位套3用于固定用永磁铁2，压圈8用于固定衔铁7，软铁4和衔铁7之间有缝隙，如图2、图3所示的线圈架5置于缝隙中，线圈架5通过弹簧片（图中未示）和衔铁7连接，线圈6绕在线圈架5上，构成了摆系统。线圈架5上设有第一接线柱14、第二接线柱15、第三接线柱16。如图5所示的测量电路包括前电路端子18，后电路端子19和并联的电容17，测量电路安装在电路板10上，电路板10由上盖11和上套9固定。线圈6包含三组线圈，第一组线圈称为主线圈，缠绕的线圈匝数最多；第二组线圈称为副线圈，缠绕的线圈匝数次多；第三组线称为标定线圈，缠绕的匝数最少。主线圈和第一接线柱14连接，第一接线柱14和测量电路的前电路端子18连接，测量电路的后电路端子19直接连接信号输出一12，成为传感器的速度输出；副线圈直接和第二接线柱15相连，第二接线柱15直接连接信号输出二13，成为传感器的加速度输出，从而实现了单个传感器同时测量加速度和速度。标定线圈和第三接线柱16连接，用于生产过程中的参数测量。

本发明的测量原理如下：通过在主线圈并联一个合适的电容，构成无源伺服反馈回路，在反馈力作用下，速度输出端是速度摆速度计特性，实现了速度测量；副线圈直接连接信号输出二13，构成速度摆加速度计，实现了加速度测量。

摆体的传递函数表达式为：

$H\left(s\right)=\frac{x}{X}=\frac{{\mathrm{ms}}^2(\mathrm{sCR}+1)}{{\mathrm{mCRs}}^3+(m+{G_1}^{2}C)s^2+\mathrm{kCRs}+k}---\left(1\right)$

速度测量的传递函数表达式为：

$H\left(s\right)=\frac{e_v}{\mathrm{sX}}=\frac{G_1{\mathrm{ms}}^2}{{\mathrm{mCRs}}^3+(m+{G_1}^{2}C)s^2+\mathrm{kCRs}+k}---\left(2\right)$

加速度测量的传递函数表达式为：

$H\left(s\right)=\frac{e_a}{s^{2}X}=\frac{G_2\mathrm{ms}(\mathrm{sCR}+1)}{{\mathrm{mCRs}}^3+(m+{G_1}^{2}C)s^2+\mathrm{kCRs}+k}---\left(3\right)$

在上述三个表达式（1）、式（2）、式（3）中各参数的意义如下：

x——摆体运动部分（即线圈6和线圈架5）相对于外壳的位移；

X——被测结构的绝对位移；

m——摆体运动部分的质量；

C——测量电路中的电容值；

R——主线圈内阻；

G₁——主线圈机电耦合系数；

G₂——副线圈机电耦合系数；

k——摆体中弹簧片刚度；

e_v——传感器速度输出电压；

e_a——传感器加速度输出电压；

s——拉普拉斯算子。

在本实施例中，永磁体使用铝镍钴永磁材料，通过合理设计磁路结构，磁缝隙处的磁场强度为0.3T-0.5T，摆体的自振频率 自振频率在4.5Hz左右，在此条件下，选择30μF左右的电容，可使传感器达到以下指标，传感器速度灵敏度为0.7V/m/s，加速度灵敏度为0.3V/m/s²，速度量程可达到0.6m/s，加速度量程达到2g（5Hz处），传感器可在通频带为0.1-100Hz的范围内实现加速度和速度的同时测量，通过改变缠绕线圈的参数、改变电容值的大小，可以方便的调整传感器的通频带、灵敏度等参数。

Claims (1)

1.一种可以同时测量加速度和速度的低频多输出无源伺服振动传感器，其特征在于：基座、上套和上盖依次连接组成中空外壳；基座上固设有永磁体，永磁体上固设有软铁，软铁周边固设有衔铁，软铁和衔铁之间的间隙中设有线圈架，线圈架以弹簧片与衔铁连接；线圈架上设有第一接线柱、第二接线柱、第三接线柱；线圈架上缠绕有线圈匝数依次减少的主线圈、副线圈、标定线圈，主线圈、副线圈、标定线圈分别与第一接线柱、第二接线柱、第三接线柱连接；电路板上设有前电路端子和后电路端子，前电路端子和后电路端子之间并联有电容；第一接线柱与前电路端子连接，后电路端子与设在上盖上的信号输出一连接，第二接线柱与设在上盖上的信号输出二连接；信号输出一和信号输出二共同组成了输出接口。