CN106840367A - 一种多轴悬浮式低频振动传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种多轴悬浮式低频振动传感器，由壳体、电磁线圈、立方体形铁磁体、霍尔位移传感器和微弹簧组成。传感器壳体顶部安装有电磁线圈、底部安装有微弹簧，二者共同作用对质量块进行悬浮支撑；利用轴向位移检测电路检测质量块纵向相对位移变化，同时采用霍尔位移传感器敏感质量块水平方向上相对位移变化，实现低频振动信号的多轴测量。采用电磁和铁磁混合结构取代传统低频振动传感器的机械结构，从而有效地降低了系统的机械固有频率，极大的扩展了低频段的测量下限，减小了传感器的体积和重量。该传感器在悬浮结构固定的情况下，系统刚度、阻尼随测量振动信号的量程可变，进一步扩展了该传感器在工程领域的应用范围。

Description

一种多轴悬浮式低频振动传感器
技术领域
本发明属于测试计量仪表领域，具体涉及一种多轴悬浮式低频振动传感器。低频振动传感器广泛应用于航空航天、地震预报及防震减灾、生物医学、核工程以及大型建筑设备等测量和控制领域。
背景技术
振动是外力作用于弹性体后产生周期性运动的一种自然现象，0.01Hz～20Hz之间的振动被称为低频超低频振动。目前常用的低频振动传感器有磁电式振动速度传感器、压电式加速度传感器和电涡流式测振传感器等。电涡流传感器可以不失真地提取低频振动信号，但由于采用相对式测量方法，实际上检测到的是被测振动对象和支撑臂附加振动的叠加信号，测量误差较大。压电式传感器电路体积大、测量时易受电路器件漂移影响，且以一维测量为主，造价昂贵。磁电式传感器直接测量低频振动的速度和位移，测量精度较高、抗干扰能力强。但它的测量范围受振动频率制约，即不能测量低于其固有频率以下的信号。目前国内外大都采用电子技术加入校正网络来扩展此类传感器的频率响应，但由于电路设计复杂以及传感器机械结构限制，能扩展的频率范围有限，且体积庞大、稳定性和可靠性也较差，未能在工业领域广泛应用。
目前国内外已有的低频振动传感器多以一维轴向测量为主，而且研制出的多轴低频振动传感器多为磁电式，例如：中国电子科技集团公司四十九所生产的CS-CD-006型机载振动传感器达到了国际水平，该产品的外形尺寸为Φ40*70mm，测量频率大于20Hz；中国地震局工程力学研究所研制的941B型拾振器，其尺寸达Φ70*80mm，重量达1.5kg，尺寸和重量都比较大，且测试频率受限在一定程度上限制了应用。
因此，设计一种能够同时敏感多方向振动、机械固有频率低、测量范围宽、尺寸小、重量轻的多轴低频振动传感器是十分必要的。本发明的新型多轴悬浮式低频振动传感器采用电磁和铁磁混合的悬浮结构来代替传统惯性式机械结构，这种结构最主要优点就是可以随测量振动信号的量程主动控制系统的支承刚度和阻尼，从而降低系统的机械固有频率。采用磁悬浮式的结构，能有效减小传感器的尺寸和重量，可以灵活应用在各种测量环境下。
发明内容
本发明要解决的技术问题为：克服现有技术的不足，提供了一种新型的可实现多方向振动参数测量，机械固有频率低、测量下限频率低，系统刚度、阻尼随测量振动信号量程可调、测量范围宽，体积小、重量轻的多轴悬浮式低频振动传感器。
本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：一种多轴悬浮式低频振动传感器，包括壳体、电磁线圈、立方体形铁磁体、微弹簧和霍尔位移传感器；电磁线圈的顶端固连在壳体顶部，微弹簧下端固定在壳体底部、微弹簧上端与立方体形铁磁体底部固连，两个霍尔位移传感器分别安装在壳体的两侧，立方体形铁磁体相当于该多轴悬浮式低频振动传感器形成的振动系统中的质量块。
进一步的，电磁线圈、立方体形铁磁体以及微弹簧同轴心，电磁线圈和立方体形铁磁体之间产生一定电磁吸力，在该电磁力与微弹簧产生的轴向拉力共同作用下，质量块保持稳定悬浮。
进一步的，当壳体受到外界振动的冲击时，立方体形铁磁体的悬浮位置发生变化，致使电磁线圈电感变化，利用轴向位移检测电路将电磁线圈电压进行滤波、解调，可获得其轴向位移变化。
进一步的，光电式位移传感器安装在与传感器轴向垂直且经过质量块质心的平面上，两个霍尔位移传感器的安装位置相互垂直，壳体受到外界冲击，利用霍尔位移传感器敏感质量块除轴向外其他两个水平方向(X轴和Y轴)的振动，实现多方向振动参数的测量。
本发明的原理：本发明采用一种新型的电磁和铁磁混合悬浮支承的结构取代传统的刚度较大且不可调节的机械结构，根据惯性式传感器测振原理和磁悬浮系统磁场动力学分析，当壳体受到外界振动冲击时，立方体形铁磁体的悬浮位置会产生变化，通过轴向位移检测电路可以检测出质量块纵向上的相对位移变化，同时通过霍尔位移传感器可以检测出质量块在水平方向上(X轴和Y轴)的相对位移变化，实现低频振动信号的多轴测量；并进一步解调出振动的频率、速度及加速度信号。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)、本发明是一种新型的多轴悬浮式低频振动传感器，测量下限频率低，测量范围宽，体积小，重量轻，可以实现多轴振动参数测量。
(2)、本发明采用电磁和铁磁混合悬浮支承的结构，根据测量振动信号量程，可以主动控制系统的支承刚度和阻尼，从而有效降低系统的机械固有频率，扩展了该传感器的应用范围。
(3)、本发明采用轴向位移检测电路敏感质量块纵向相对位移变化，从而使系统轴向位移检测精度提高、可靠性提高，系统轴向尺寸变小，造价降低。
(4)、本发明采用电磁线圈和微弹簧支承立方体形铁磁质量块，利用霍尔位移传感器敏感质量块水平方向相对位移，可以测量多个方向的振动，实现多轴振动参数测量。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的电磁线圈的结构示意图；
图3为本发明的立方体形铁磁体的结构示意图；
图4为本发明的微弹簧的结构示意图；
图5为本发明的铁磁体和电磁线圈之间的3维磁场分布图示意图。
图中附图标记含义为：1为壳体，2为电磁线圈，3为立方体形铁磁体，4为微弹簧，5为霍尔位移传感器。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施例进一步说明本发明。
本发明的一种多轴悬浮式低频振动传感器，包括壳体、电磁线圈、立方体形铁磁体、微弹簧和霍尔位移传感器。电磁线圈的顶端固连在壳体顶部，微弹簧下端固定在壳体底部、微弹簧上端与立方体形铁磁体底部固连，两个霍尔位移传感器分别安装在壳体的两侧。电磁线圈、立方体形铁磁体以及微弹簧同轴心，电磁线圈和立方体形铁磁体之间产生一定电磁吸力，立方体形铁磁体相当于系统中的质量块。根据被测振动信号范围，调整通入电磁线圈电流的大小和方向，将悬浮结构的等效支承刚度和等效阻尼调到合适大小，在电磁吸力和微弹簧轴向拉力的共同作用下，使质量块实现稳定悬浮和跟踪测量。
当壳体受到外界振动冲击时，立方体形铁磁体的悬浮位置会产生变化，通过轴向位移检测电路可以检测出质量块纵向上的相对位移变化，同时通过霍尔位移传感器可以检测出质量块在水平方向上的相对位移变化，实现低频振动信号的多轴测量。由于采用电磁和铁磁混合的悬浮结构且所选用微弹簧的弹性系数较小，所以该传感器的等效支撑刚度和阻尼可以调节至很小，从而降低了整个系统的机械固有频率，扩展了传感器的测量下限频率。采用轴向位移检测电路敏感质量块纵向相对位移变化，从而使系统轴向尺寸和重量减小，更加符合工业测量的要求。
具体实施例如图1所示，本发明的多轴悬浮式低频振动传感器由壳体1、电磁线圈2、立方体形铁磁体3、微弹簧4和霍尔位移传感器5组成。电磁线圈2的顶端固连在壳体1顶部，微弹簧4下端固定在壳体1底部、微弹簧4上端与立方体形铁磁体3底部固定连接，两个霍尔位移传感器5分别安装在壳体1的两侧。
如图2、图3、图4所示，本发明的电磁线圈2、立方体形铁磁体3以及微弹簧4同轴心，立方体形铁磁体3相当于系统中的质量块。
如图5所示，图5为本发明的电磁线圈和铁磁体之间的三维磁场分布图示意图。本发明的电磁线圈对立方体形铁磁体产生电磁吸力，从而使铁磁体克服自身重力保持平衡。振动测量时，根据被测振动信号范围，调整通入电磁线圈电流的大小和方向使电磁吸力大于重力，立方体形铁磁体3在电磁线圈2的磁场和微弹簧4的拉力作用下保持悬浮状态。
本发明的工作过程：电磁线圈、立方体形铁磁体以及微弹簧同轴心，电磁线圈和立方体形铁磁体之间产生一定电磁吸力，在该电磁力与微弹簧产生的轴向拉力共同作用下，质量块保持稳定悬浮。根据被测振动信号范围，调整通入电磁线圈电流的大小和方向，将悬浮结构的等效支承刚度和等效阻尼调到合适大小，在电磁吸力和微弹簧轴向拉力的共同作用下，使质量块实现稳定悬浮和跟踪测量。当壳体受到外界振动冲击时，立方体形铁磁体的悬浮位置会产生变化，通过轴向位移检测电路可以检测出质量块纵向上的相对位移变化，同时通过霍尔位移传感器可以检测出质量块在水平方向上的相对位移变化，实现低频振动信号的多轴测量。由于本发明采用电磁和铁磁混合悬浮支承的结构，根据测量振动信号量程，可以主动控制系统的支承刚度和阻尼，从而有效降低系统的机械固有频率，扩展了该传感器的应用范围，实现低频振动信号的测量。
本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术。

Claims (4)

1.一种多轴悬浮式低频振动传感器，其特征在于：包括壳体(1)、电磁线圈(2)、立方体形铁磁体(3)、微弹簧(4)和霍尔位移传感器(5)；电磁线圈(2)的顶端固连在壳体(1)顶部，微弹簧(4)下端固定在壳体(1)底部、微弹簧(4)上端与立方体形铁磁体(3)底部固连，两个霍尔位移传感器(5)分别安装在壳体(1)的两侧，立方体形铁磁体(3)相当于该多轴悬浮式低频振动传感器形成的振动系统中的质量块。
2.根据权利要求1所述的多轴悬浮式低频振动传感器，其特征在于：电磁线圈(2)、立方体形铁磁体(3)以及微弹簧(4)同轴心，电磁线圈(2)和立方体形铁磁体(3)之间产生一定电磁吸力，在该电磁吸力与微弹簧(4)产生的轴向拉力共同作用下，质量块保持稳定悬浮。
3.根据权利要求1所述的多轴悬浮式低频振动传感器，其特征在于：当壳体(1)敏感被测振动时，立方体形铁磁体(3)的悬浮位置发生变化，致使电磁线圈(2)电感变化，利用轴向位移检测电路将电磁线圈(2)电压进行滤波、解调，可检测其轴向位移变化。
4.根据权利要求1所述的多轴悬浮式低频振动传感器，其特征在于：霍尔位移传感器(5)安装在与传感器轴向垂直且经过质量块质心的平面上，两个霍尔位移传感器的安装位置相互垂直，壳体(1)敏感被测振动时，利用霍尔位移传感器(5)测量质量块除轴向外其他两个水平方向的振动，实现多方向振动参数的测量。
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