CN106402227A - 一种智能电涡流传感阻尼装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种智能电涡流传感阻尼装置，该装置包括电磁屏蔽罩、插设在电磁屏蔽罩中心的活塞杆、和活塞杆固定连接的永磁单元、固定在电磁屏蔽罩内部的铜导体、固定在铜导体底部的固定永磁体、以及固定在活塞杆底端与固定永磁体相对设置的移动永磁体，活塞杆的顶端设有与外部主体结构连接的柔性球铰支座，该装置包括固定在活塞杆上的多个螺线管、用于控制通电螺线管开关的继电器、用于检测装置振动位移的传感单元以及与传感单元连接用于控制继电器开关的控制电路。与现有技术相比，本发明秉承了电涡流阻尼器的刚度与阻尼分离、易于维护以及无磨损等优点，除此之外，还可以监测阻尼装置的轴向振动情况，根据监测情况实时反馈改变智能控制阻尼力。

Description

一种智能电涡流传感阻尼装置

技术领域

本发明涉及土木工程结构振动控制和结构监测的交叉领域，具体涉及一种智能电涡流传感阻尼装置。

背景技术

阻尼器可以抑制从微型仪表到巨型结构的振动。电涡流阻尼器是一种性能优越，极具发展前景的一种减振阻尼装置。电涡流的基本原理是当导体切割磁力线时，会在导体中产生电涡流，以致产生电阻热效应来消耗振动能量。电涡流又会产生与原磁场方向相反的新磁场，从而产生与导体运动方向相反的阻尼力，起到减振耗能的作用。相比已有的一些阻尼装置，它不依靠机械摩擦耗能，不存在密封和漏液问题,阻尼容易调节，构造简单，大大提高了其可靠性和耐久性。

发明内容

本发明的目的就是为了提供一种能够自动监测振幅并调控耗能的智能电涡流传感阻尼装置。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种智能电涡流传感阻尼装置，该装置包括电磁屏蔽罩、插设在电磁屏蔽罩中心的活塞杆、和活塞杆固定连接的永磁单元、固定在电磁屏蔽罩内部的铜导体、固定在铜导体底部的固定永磁体以及固定在活塞杆底端与固定永磁体间隔式相对设置的移动永磁体，所述活塞杆的顶端设有与外部主体结构连接的柔性球铰支座，通过外部结构的运动带动磁体的运动，同时将本装置产生的阻尼力提供给外部结构，所述装置包括固定在活塞杆上的多个螺线管、用于控制通电螺线管开关的继电器、用于检测装置振幅的传感单元以及与传感单元连接用于控制继电器开关的控制电路；

当装置振动位移过大时，所述传感单元将信号传递给控制电路，所述控制电路控制继电器打开，使得螺线管通电产生磁场，所述铜导体切割该磁场的磁感线，发热增加耗能。

本发明应用电涡流的基本原理，该原理的示意图如图1所示。当导体以一定的速度v在均匀磁场B中运动而产生电涡流时，忽略导体表面电荷运动与集结的影响，则流过导体的电流密度J可以表示为

J＝σ(v×B)

式中，σ表示导体的导电系数。导体电流在磁场中受到的电磁力为：

F＝∫_VJ×BdV

综合以上两式，由于图1所示的导体速度v与磁感应强度B的方向垂直，若导体板全部在磁场B内，通过矢量运算，则F的大小f可以推导得到：

f＝-σδSB²v

式中，δ与S分别表示导体的厚度与表面积；负号表明电磁力F与导体切割磁力线的速度v方向完全相反。因此，在理想情况下，电涡流阻尼力呈现理想的线性粘滞阻尼特性，且其大小与导体的导电率、体积及运动速度大小成正比，与磁场磁感应强度的平方成正比。

当振动输入时，带动阻尼装置内部的永磁体及电磁体运动，电涡流金属筒切割磁感线，于是在金属导体表面产生了涡电流，涡电流的方向符合右手法则。当涡电流产生后，磁场便会对载流金属导体产生力的作用，阻止金属导体与磁体的相对运动,即产生了阻尼力。阻尼力的方向符合左手法则。金属导体内产生的涡电流以热能的形式通过阻尼器耗散到周围的介质中。于是电涡流阻尼器不断地将振动的动能转化为金属单元中的涡电流，又将涡电流转化成热能，达到耗能减振的目的。

所述螺线管为2～8组，均匀分布在圆周，每组为3个螺线管竖向叠放，多个螺线管并联连接，通电后，这些螺线管产生与永磁体一样的磁场。

所述传感单元包括固定在电磁屏蔽罩内部的探头以及固定在活塞杆上并与所述探头相对设置的金属导体板，所述探头与所述控制电路连接。金属导体板和探头之间有一定距离，且金属导体板处于探头的磁场中。

所述探头为通以高频电流的扁平线圈。其原理示意图如图2所示，根据法拉第电磁感应定律，当传感器探头线圈通以正弦交变电流i₁时，线圈周围空间必然产生正弦交变磁场H₁，它使置于此磁场中的被测金属导体表面产生感应电流。与此同时，电涡流i₂又产生新的交变磁场H₂；H₂与H₁方向相反，并力图削弱H₁，从而导致探头线圈的等效电阻相应地发生变化。其变化程度取决于被测金属导体的电阻率ρ，磁导率μ，线圈与金属导体的距离x，以及线圈激励电流的频率f等参数。如果只改变上述参数中的一个，而其余参数保持不变，则阻抗Z就成为这个变化参数的单值函数，从而可确定参数x的大小。

所述控制电路包括依次连接的变换及检测电路和输出转换电路，所述变换及检测电路与所述探头连接，所述输出转换电路与继电器连接。扁平线圈通以高频电流所形成的高频磁场，当金属导体板处于磁场中时，其表面将因电磁感应而形成与磁通方向垂直的涡电流，这使得扁平线圈的电阻因此发生变化，该电阻变化通过变换及检测电路和输出转换电路传递至继电器，控制继电器的开关。

其中，继电器的工作原理如图3所示，电磁式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点(常开触点)吸合。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点(常闭触点)释放。这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。

所述活塞杆上设有用于测试阻尼驱动力的拉压力传感单元。通过驱动力监测，可以获得该智能阻尼装置的滞回曲线。

滞回特性也称为恢复力特性。在地震作用下单自由度体系运动方程的一般表达式为

式中f(u)即为恢复力。

在往复荷载作用下，当构件屈服进入弹塑性时，恢复力是位移的多值函数，其关系与加载(或变形)的历史有关。在往复力作用下，构件可以经历开裂、屈服、卸载、反向加载等过程，在反复加载－卸载－再加载的过程中，构件出现刚度退化和强度退化的现象。不同结构构件的恢复力f(u)不同，即表现为具有不同的恢复力特性，恢复力与位移的关系曲线，f(u)-u曲线称为滞回曲线。

振动输入后，活塞杆带动探头线圈运动，在金属筒体上表面产生感应电流；电涡流又产生新的交变磁场，与探头线圈产生的磁场方向相反，并力图削弱原磁场，从而导致探头线圈的等效电阻相应地发生变化。可测出活塞杆随振动输入的运动规律。位于活塞杆上的拉压力传感单元可测出活塞杆在振动输入时阻尼力的大小。根据记录的振动力及其对应的位移可画出该阻尼器的滞回曲线。

所述永磁单元包括交替堆叠的圆环状永磁铁和圆环状软铁，所述圆环状永磁铁和圆环状软铁套设在活塞杆上，并放置在固定架上，所述固定架固定在活塞杆上。

所述铜导体呈圆筒状，铜导体的外侧与所述电磁屏蔽罩的内壁固定。

所述固定永磁体和移动永磁体为轴向充磁的圆环状的永磁铁，且固定永磁体和移动永磁体的极性相反，通过相反磁极之间的排斥力为活塞杆提供一个反向的弹力，当活塞杆上下震动时有一缓冲作用力，防止活塞杆直接打到电磁屏蔽罩的底部，引起装置的损坏。

与传统的传感和阻尼器，本发明的有益效果体现在以下几方面：

(1)本发明装置在振幅过大时，能够自动开启额外的继电器磁场，增加铜导体的发热能耗，从而控制振动位移；

(2)本发明装置秉承了电涡流阻尼器的刚度与阻尼分离、易于维护以及无磨损等优点；

(3)根据振动输入时记录的数据可得到反映阻尼器结构特性的f(u)-u滞回曲线，通过阻尼器与传感器相结合，最终实现减振和监测的双重目的。

附图说明

图1为电涡流基本原理示意图；

图2为探头的工作原理示意图；

图3为继电器的结构示意图；

图4为本发明智能电涡流传感阻尼装置的结构示意图。

其中，1为柔性球铰支座，2为活塞杆，3为拉压力传感单元，4为探头，5为控制电路，6为金属导体板，7为继电器，71为电磁体，72为弹簧，73为衔铁，74为触点，8为螺线管，81为电源，9为软铁，10为永磁铁，11为固定架，12为永磁体固定端，13为移动永磁体，14为固定永磁体，15为铜导体，16为电磁屏蔽罩。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

一种智能电涡流传感阻尼装置，其结构如图4所示，该装置包括电磁屏蔽罩16、插设在电磁屏蔽罩16中心的活塞杆2、和活塞杆2固定连接的永磁单元(永磁体10和软铁9)、固定在电磁屏蔽罩16内部的铜导体15、固定在铜导体15底部的固定永磁体14、固定在活塞杆2的永磁体固定端12以及与固定永磁体14相对设置的移动永磁体13，活塞杆2的顶端设有与外部主体结构连接的柔性球铰支座1，通过外部结构的运动带动磁体的运动，同时将本装置产生的阻尼力提供给外部结构，装置包括固定在活塞杆2上的多个螺线管8、用于控制通电螺线管8开关的继电器7、用于检测装置振动位移的传感单元以及与传感单元连接用于控制继电器7开关的控制电路5；

当装置振动位移过大时，传感单元将信号传递给控制电路5，控制电路5控制继电器7打开，使得螺线管8通电产生磁场，铜导体15切割该磁场的磁感线，发热增加耗能。

螺线管8为2～8组，均匀分布在圆周，每组为3个螺线管竖向叠放，多个螺线管8并联连接，通电后，这些螺线管8产生与永磁体一样的磁场。

传感单元包括固定在电磁屏蔽罩16内部的探头4以及固定在活塞杆2上并与探头4相对设置的金属导体板6，探头4与控制电路5连接。

控制电路5包括依次连接的变换及检测电路和输出转换电路，变换及检测电路与探头4连接，输出转换电路与继电器7连接。扁平线圈通以高频电流所形成的高频磁场，当金属导体板6处于磁场中时，其表面将因电磁感应而形成与磁通方向垂直的涡电流，这使得扁平线圈的电阻因此发生变化，该电阻变化通过变换及检测电路和输出转换电路传递至继电器7，控制继电器7的开关。

其中，继电器7的结构如图3所示，电磁式继电器一般由电磁铁71、衔铁73、触点74、弹簧72等组成的，当感应位移达到一定阈值后，控制电路5通过的电流达到一定值，电磁铁71产生电磁效应，带动衔铁73的使两个触点74吸合，从而接通阻尼装置中的通电螺线管8电路，电源81给螺线管8供电，螺线管8通电后产生同永磁体一样的磁场，电涡流筒切割磁感线耗能；当位移变小，线圈中电流小于一定值后，电磁铁71的吸力也随之消失，衔铁73就会在弹簧72的反作用力返回原来的位置，使两个触点74释放，螺线管8不再通电，电涡流筒只有切割永磁体的磁感线耗能。

永磁单元包括交替堆叠的圆环状永磁铁10和圆环状软铁9，圆环状永磁铁10和圆环状软铁9套设在活塞杆2上，并放置在固定架11上，固定架11固定在活塞杆2上。

铜导体15呈圆筒状，铜导体15的外侧与电磁屏蔽罩16的内壁固定。

活塞杆2上设有用于测试阻尼力大小的拉压力传感单元3。通过拉压力传感单元，可以测得该阻尼器的滞回曲线。

位于活塞杆2上的拉压力传感单元3可测出活塞杆2在振动输入时阻尼力的大小。根据振动输入时记录的数据可得到反映阻尼器结构特性的f(u)-u滞回曲线，通过阻尼器与传感器相结合，最终实现减振和监控的双重目的。

固定永磁体14和移动永磁体13为轴向充磁的圆环状的永磁铁10，且固定永磁体14和移动永磁体13的极性相反，通过相反磁极之间的排斥力为活塞杆2提供一个反向的弹力，当活塞杆2上下震动时有一缓冲作用力，防止活塞杆2运动时接触到电磁屏蔽罩16的底部，引起装置的损坏。

Claims (9)

1.一种智能电涡流传感阻尼装置，该装置包括电磁屏蔽罩(16)、插设在电磁屏蔽罩(16)中心的活塞杆(2)、和活塞杆(2)固定连接的永磁单元、固定在电磁屏蔽罩(16)内部的铜导体(15)、固定在铜导体底部的固定永磁体(14)以及固定在活塞杆(2)底端与固定永磁体(14)间隔式相对设置的移动永磁体(13)，所述活塞杆(2)的顶端设有与外部主体结构连接的柔性球铰支座(1)，其特征在于，所述装置包括固定在活塞杆(2)上的多个螺线管(8)、用于控制通电螺线管(8)开关的继电器(7)、用于监测装置振幅的传感单元以及与传感单元连接用于控制继电器(7)开关的控制电路(5)；

当装置振动位移过大时，所述传感单元将信号传递给控制电路(5)，所述控制电路(5)控制继电器(7)打开，使得螺线管(8)通电产生磁场，所述铜导体(15)切割该磁场的磁感线，发热增加耗能。

2.根据权利要求1所述的一种智能电涡流传感阻尼装置，其特征在于，所述螺线管(8)的个数为2～8，多个螺线管(8)并联连接。

3.根据权利要求1所述的一种智能电涡流传感阻尼装置，其特征在于，所述传感单元包括固定在电磁屏蔽罩(16)内部的探头(4)以及固定在活塞杆(2)上并与所述探头(4)相对设置的金属导体板(6)，所述探头(4)与所述控制电路(5)连接。

4.根据权利要求3所述的一种智能电涡流传感阻尼装置，其特征在于，所述探头(4)为通以高频电流的扁平线圈。

5.根据权利要求3所述的一种智能电涡流传感阻尼装置，其特征在于，所述控制电路(5)包括依次连接的变换及检测电路和输出转换电路，所述变换及检测电路与所述探头(4)连接，所述输出转换电路与继电器(7)连接。

6.根据权利要求1所述的一种智能电涡流传感阻尼装置，其特征在于，所述活塞杆(2)上设有用于测试阻尼驱动力的拉压力传感单元(3)。

7.根据权利要求1所述的一种智能电涡流传感阻尼装置，其特征在于，所述永磁单元包括交替堆叠的圆环状永磁铁(10)和圆环状软铁(9)，所述圆环状永磁铁(10)和圆环状软铁(9)套设在活塞杆(2)上，并放置在固定架(11)上，所述固定架(11)固定在活塞杆(2)上。

8.根据权利要求1所述的一种智能电涡流传感阻尼装置，其特征在于，所述铜导体(15)呈圆筒状，铜导体(15)的外侧与所述电磁屏蔽罩(16)的内壁固定。

9.根据权利要求1所述的一种智能电涡流传感阻尼装置，其特征在于，所述固定永磁体(14)和移动永磁体(13)为轴向充磁的圆环状的永磁铁，且固定永磁体(14)和移动永磁体(13)的极性相反。