CN108168685A - 外部激励振动检测装置和检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种外部激励振动检测装置和检测方法，所述外部激励振动检测装置包括太阳能发电装置、振动检测装置、数据记录存储装置和振动预警装置，所述太阳能发电装置分别与振动检测装置和振动预警装置电性连接，所述振动检测装置与振动预警装置电性连接和数据记录存储装置相连接；所述外部激励振动检测方法包括：外界产生振源，振动检测装置启动，水平X方向振动，限度以下小锤恢复原位，限度以上第一报警装置开启；水平Y方向振动，限度以下不处理，限度以上电灯发光；竖直方向振动，限度以下不处理，限度以上第二报警装置报警。本发明提出的检测装置，材料廉价易得，生产和使用成本低，工作原理简单，能对多自由度振动检测和预警，结果方便观察。
Description
技术领域
本发明涉及振动检测技术领域，尤其涉及一种外部激励振动检测装置和检测方法。
背景技术
随着人们生活水平的逐步提高，人们对更高层次的生活的愿望也越来越强烈。然而，随着建筑、道路、铁路、轨道交通的施工建设过程中会产生较大的振动；火车、轨道交通在运行过程中也会引起地面的振动；工业厂房里的大型机械设备在运作过程中也会引起过大的振动。这些振动都会对周围居民的生活产生影响，持续产生的振动还会引起人们的不满。如何对这些外界荷载所引发的振动进行监测，并对过大的振动进行预警已成为人们所研究的课题之一。目前，已有的对振动的监测预警装置已经发展到了利用光纤技术等先进的技术，这些先进技术引用大大提高了对振动的监测精度。然而，利用先进技术进行监测和预警时的监测和预警装置的投入成本过大，施工技术复杂、无法对由交通荷载引起的振动进行恰当的监测和预警。基于此，本发明提出了一种外部激励振动检测装置和检测方法。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种外部激励振动检测装置和检测方法。
外部激励振动检测装置，包括太阳能发电装置、振动检测装置、数据记录存储装置和振动预警装置，所述太阳能发电装置分别与振动检测装置和振动预警装置电性连接，所述太阳能发电装置用于为振动检测装置和振动预警装置提供电源，所述振动检测装置包括水平振动检测装置和竖直振动检测装置，所述振动检测装置与振动预警装置电性连接，所述振动预警装置包括第一报警装置和第二报警装置，所述振动检测装置还与数据记录存储装置相连接，所述数据记录存储装置包括电压表、压力数据记录器和电流表，所述数据记录存储装置用于对振动检测过程中的电压、压力数据以及电流数据进行存储。
进一步的，所述水平振动检测装置用于检测水平方向的振动，所述水平振动检测装置包括壳体，所述壳体的上端固定安装有水平横杆，所述的水平横杆的中部前后两个侧壁上对应固定有两个轻质铁片，两个轻质铁片之间固定有横杆，所述的轻杆的上端套装在横杆上，所述轻杆下端安装有小锤，所述轻杆的左、右两侧，其中一侧设置有轻质铁片，另一侧安装有压力传感器；所述的轻质铁片通过第一弹簧固定在壳体的侧壁上，所述固定第一弹簧的壳体的侧壁上固定连接有电磁铁，所述壳体的侧壁上电磁铁的下面固定有第一报警装置，所述压力传感器与压力数据记录器电性连接，所述轻杆的前、后两侧分别设置有强光发射器和半导体光电二极管，所述半导体光电二极管电性连接有电流表和电灯，且电流表和电灯为串联连接。
进一步的，所述竖直振动检测装置用于检测垂直方向的振动，所述竖直振动检测装置包括与壳体外底部垂直安装有第二弹簧，所述第二弹簧上垂直安装有导体，所述导体电性连接有电压表和第二报警装置，且电压表和第二报警装置为并联连接，所述第二弹簧的两侧对称安装有与壳体固定连接的磁铁。
进一步的，所述太阳能发电装置由箱体、箱体外部安装的太阳能支架以及太阳能支架上安装的太阳能电池板组成，所述箱体内部固定安装有蓄电池，所述蓄电池的一侧安装有电压转换器和太阳能控制器，另一侧安装有进线口和出线口，所述蓄电池的外部连接有电路开关，所述电路开关用于控制振动检测装置和振动预警装置的电源开关的开合。
本发明还提出了外部激励振动的检测方法，包括以下步骤：太阳能电池板将太阳能转化为电能，然后将电能储存在蓄电池里，通过太阳能控制器来给蓄电池进行充放电，通过电压转换器，将电压转化为合适的数值为振动检测装置和振动预警装置提供电能，同时各装置开关；当外界产生振源时，振动检测装置启动，若为水平X方向振动则小锤随振动的大小进行摆动，小锤敲击轻质铁片，同时也敲击压力传感器，压力传感器将接收到的数据传送到压力数据记录器进行记录，当小锤的敲击力在限度以下时，轻质铁片在第一弹簧的作用下恢复原位，当小锤的敲击力在限度以上时，轻质铁片被电磁铁吸引，触发第一报警装置的开关，第一报警装置开启，对外界荷载的水平X方向振动进行预警；若为水平Y方向振动则小锤随振动的大小进行摆动，在小锤摆动的过程中会遮挡强光发射器发射的光线，半导体光电二极管检测到的光线有变化，则产生的电流随之变化，电流表将变化显示出，且电流的变化引起电灯发光，对外界荷载的水平Y方向振动进行预警；若为竖直方向振动则导体在第二弹簧的作用下发生振动，在振动过程中切割由两侧磁铁产生的磁感线，电压表检测到由导体切割磁感线的运动而产生的电压的变化，当电压表上显示的电压变化在限度以下时不做处理，当电压表上显示的电压变化在限度以上时触发第二报警装置报警，对外界荷载的竖直方向振动进行预警。
与现有技术相比，本发明提出的外部激励振动检测装置和检测方法具有如下有益效果：本发明提出的外部激励振动检测装置所需的主要材料廉价、易得，生产和使用成本低，工作原理简单，易于操作，检测方法准确，能长期、有效的检测出外界荷载引起的地面振动，并对超过限度的振动进行预警，该装置可以对水平X方向的振动、水平Y方向的振动以及竖直方向的振动分别进行检测和预警，而且对振动的检测结果直观显示，能及时反馈振动的相关信息，方便工作人员及时对待保护的建筑提供合理的保护。
附图说明
图1为本发明提出的外部激励振动检测装置的结构剖面示意图；
图2为本发明提出的外部激励振动检测装置的结构侧面示意图；
图3为本发明提出的外部激励振动检测装置中水平横杆7的剖面结构示意图；
图4为本发明提出的外部激励振动检测装置的太阳能发电装置示意图；
图5为本发明提出的外部激励振动检测装置的第一报警装置示意图；
图6为本发明提出的外部激励振动检测装置的箱体示意图；
图7为本发明提出的外部激励振动检测方法的流程图。
其中，1—轻杆 2—小锤 3—电磁铁 4—轻质铁片 5—压力传感器 6—第一弹簧7—水平横杆 71—轻质铁片 72—横杆 8—半导体光电二极管 9—强光发射器 10—壳体11—第二弹簧 12—导体 13—电灯 14—磁铁 15—电压表 16—压力数据记录器 17—电流表 18—第一报警装置 19—第二报警装置 20—太阳能电池板 21—箱体 22—太阳能支架 23—蓄电池 24—电压转换器 25—太阳能控制器 26—电路开关 27—进线口 28—出线口。
具体实施方式
实施例，参照图1-6，下面结合具体实施例对本发明作进一步解说。
本发明提出的外部激励振动检测装置，包括太阳能发电装置、振动检测装置、数据记录存储装置和振动预警装置，所述太阳能发电装置分别与振动检测装置和振动预警装置电性连接，所述太阳能发电装置用于为振动检测装置和振动预警装置提供电源，所述振动检测装置包括水平振动检测装置和竖直振动检测装置，所述振动检测装置与振动预警装置电性连接，所述振动预警装置包括第一报警装置18和第二报警装置19，所述振动检测装置还与数据记录存储装置相连接，所述数据记录存储装置包括电压表15、压力数据记录器16和电流表17，所述数据记录存储装置用于对振动检测过程中的电压、压力数据以及电流数据进行存储；
如图3、图5所示，所述太阳能发电装置由箱体21、箱体21外部安装的太阳能支架22以及太阳能支架22上安装的太阳能电池板20组成，所述箱体21内部固定安装有蓄电池23，所述蓄电池23的一侧安装有电压转换器24和太阳能控制器25，另一侧安装有进线口27和出线口28，所述蓄电池23的外部连接有电路开关26，所述电路开关26用于控制振动检测装置和振动预警装置的电源开关的开合；
如图1所示，所述水平振动检测装置用于检测水平方向的振动，所述水平振动检测装置用于检测水平方向的振动，所述水平振动检测装置包括壳体10，所述壳体10的上端固定安装有水平横杆7，所述的水平横杆7的中部前后两个侧壁上对应固定有两个轻质铁片71，两个轻质铁片71之间固定有横杆72，所述的轻杆1的上端套装在横杆72上，所述轻杆1下端安装有小锤2，所述轻杆1的左、右两侧，其中一侧设置有轻质铁片4，另一侧安装有压力传感器5；所述的轻质铁片4通过两个第一弹簧6固定在壳体1的侧壁上，所述固定第一弹簧6的壳体10的侧壁上两个第一弹簧6之间固定连接有电磁铁3，所述壳体10的侧壁上电磁铁3的下面固定有第一报警装置18，所述压力传感器5与压力数据记录器16电性连接，如图2所示，所述轻杆1的前、后两侧分别设置有强光发射器9和半导体光电二极管8，所述半导体光电二极管8电性连接有电流表17和电灯13，且电流表17和电灯13为串联连接；
如图1所示，所述竖直振动检测装置用于检测垂直方向的振动，所述竖直振动检测装置包括与壳体10外底部垂直安装有第二弹簧11，所述第二弹簧11上垂直安装有导体12，所述导体12电性连接有电压表15和第二报警装置19，且电压表15和第二报警装置19为并联连接，所述第二弹簧11的两侧对称安装有与壳体10固定连接的磁铁14；
外部激励振动的检测方法，包括以下步骤：太阳能电池板20将太阳能转化为电能，然后将电能储存在蓄电池23里，通过太阳能控制器25来给蓄电池23进行充放电，通过DC-DC电压转换器24，将电压转化为合适的数值为振动检测装置和振动预警装置提供电能，同时各装置开关；当外界产生振源时，振动检测装置启动，若为水平X方向振动则小锤2随振动的大小进行摆动，小锤2敲击轻质铁片4，同时也敲击压力传感器5，压力传感器5将接收到的数据传送到压力数据记录器16进行记录，当小锤2的敲击力在限度以下时，轻质铁片4在第一弹簧6的作用下恢复原位，当小锤2的敲击力在限度以上时，轻质铁片4被电磁铁3吸引，触发第一报警装置18的开关，第一报警装置18开启，对外界荷载的水平X方向振动进行预警；若为水平Y方向振动则小锤2随振动的大小进行摆动，在小锤2摆动的过程中会遮挡强光发射器9发射的光线，半导体光电二极管8检测到的光线有变化，则产生的电流随之变化，电流表17将变化显示出，且电流的变化引起电灯13发光，对外界荷载的水平Y方向振动进行预警；若为竖直方向振动则导体12在第二弹簧11的作用下发生振动，在振动过程中切割由两侧磁铁14产生的磁感线，电压表15检测到由导体12切割磁感线的运动而产生的电压的变化，当电压表15上显示的电压变化在限度以下时不做处理，当电压表15上显示的电压变化在限度以上时触发第二报警装置19报警，对外界荷载的竖直方向振动进行预警。
本发明中，水平X方向振动时，小锤敲击引发的报警力与外界振源产生的力的关系如下：振动引起小锤2的摆动小于5°，故先将小锤2的振动视为单摆，则可以求得单摆振动的频率为：l为杆长，g为当地的重力加速度；设外界水平的振动激励作用力为：F＝F0sinwt，F0为外界水平的振动激励作用力，w为外界水平的振动激励作用的频率、取3Hz；t为时间，代入单自由度的系统动微分方程：
其中m为小锤的质量；c为系统的阻尼，一般可忽略；k为系统的刚度：
解得最大的振幅为：
与系统的阻尼系数有关：δ＝c/m，
则根据最大的振幅求得小锤2上升的最大高度为：
其中，l为轻杆的长度，
则由动能定理算出小锤2在最低部的运动的速度为:
如将轻质铁片4和压力传感器5分别放置在据小锤2的水平距离为xmm处，则在此点小锤2上升的高度为：
则在此点的速度为：
根据动量定理可求得此时轻质铁片4的受力：
F＝mv1/t
t一般取10-3s，
结合以上的推导公式，则可以推出报警时的小锤2敲击引发的报警力与外界振源产生的力之间的关系为:
故由以上推导可知，当小锤2的敲击力小于F时，不会产生预警，当小锤2的敲击力大于F时，会产生预警。
本发明中，水平Y方向振动时，报警值的计算如下：
假设小锤2的截面是长a mm，宽为b mm的矩形，由于摆动而使小锤2阻碍的光照面积减小使电流变大引起第一报警装置发光。
假设轻质铁片4放在据小锤2的x mm处，则小锤2的上升高度为：
故当有振动产生时，由小锤2摆动引起阻挡的面积减小为s时会产生预警，s的大小为：
故由以上推导可知，当小锤2阻挡光线的面积小于s时，不会产生预警，当小锤2阻挡光线的面积大于s时，会产生预警。
本发明中，竖直方向振动时，报警值的计算如下：
设外界的竖向振动激励作用力为：F＝F1sinw't，F1为竖向振动激励作用力，w竖向振动激励频率，取3Hz，代入单自由度的系统动微分方程:
其中m为导体12的质量，c为第二弹簧11的阻尼一般可以忽略，k为第二弹簧11的刚度，其大小与第二弹簧11的材料、内外径和匝数等因数有关，
解得最大的振幅为：
其中
利用动能定理求得导体的最大速度为：
则所产生的最大电压为
U＝BLVmax
故报警的电流为
Ω为电路的电阻。
当导体12切割磁感线所产生的电流小于I时，不发生预警，当导体切割磁力线所产生的电流大于I时，发生预警。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.外部激励振动检测装置，其特征在于，包括太阳能发电装置、振动检测装置、数据记录存储装置和振动预警装置，所述太阳能发电装置分别与振动检测装置和振动预警装置电性连接，所述太阳能发电装置用于为振动检测装置和振动预警装置提供电源，所述振动检测装置包括水平振动检测装置和竖直振动检测装置，所述振动检测装置与振动预警装置电性连接，所述振动预警装置包括第一报警装置(18)和第二报警装置(19)，所述振动检测装置还与数据记录存储装置相连接，所述数据记录存储装置包括电压表(15)、压力数据记录器(16)和电流表(17)，所述数据记录存储装置用于对振动检测过程中的电压、压力数据以及电流数据进行存储。
2.根据权利要求1所述的外部激励振动检测装置，其特征在于，所述水平振动检测装置用于检测水平方向的振动，所述水平振动检测装置包括壳体(10)，所述壳体(10)的上端固定安装有水平横杆(7)，所述的水平横杆(7)的中部前后两个侧壁上对应固定有两个轻质铁片(71)，两个轻质铁片(71)之间固定有横杆(72)，所述的轻杆(1)的上端套装在横杆(72)上，所述轻杆(1)下端安装有小锤(2)，所述轻杆(1)的左、右两侧，其中一侧设置有轻质铁片(4)，另一侧安装有压力传感器(5)；所述的轻质铁片(4)通过第一弹簧(6)固定在壳体(1)的侧壁上，所述固定第一弹簧(6)的壳体(10)的侧壁上固定连接有电磁铁(3)，所述壳体(10)的侧壁上电磁铁(3)的下面固定有第一报警装置(18)，所述压力传感器(5)与压力数据记录器(16)电性连接，所述轻杆(1)的前、后两侧分别设置有强光发射器(9)和半导体光电二极管(8)，所述半导体光电二极管(8)电性连接有电流表(17)和电灯(13)，且电流表(17)和电灯(13)为串联连接。
3.根据权利要求1所述的外部激励振动检测装置，其特征在于，所述竖直振动检测装置用于检测垂直方向的振动，所述竖直振动检测装置包括与壳体(10)外底部垂直安装有第二弹簧(11)，所述第二弹簧(11)上垂直安装有导体(12)，所述导体(12)电性连接有电压表(15)和第二报警装置(19)，且电压表(15)和第二报警装置(19)为并联连接，所述第二弹簧(11)的两侧对称安装有与壳体(10)固定连接的磁铁(14)。
4.根据权利要求1所述的外部激励振动检测装置，其特征在于，所述太阳能发电装置由箱体(21)、箱体(21)外部安装的太阳能支架(22)以及太阳能支架(22)上安装的太阳能电池板(20)组成，所述箱体(21)内部固定安装有蓄电池(23)，所述蓄电池(23)的一侧安装有电压转换器(24)和太阳能控制器(25)，另一侧安装有进线口(27)和出线口(28)，所述蓄电池(23)的外部连接有电路开关(26)，所述电路开关(26)用于控制振动检测装置和振动预警装置的电源开关的开合。
5.权利要求1-4任意一项所述所述的外部激励振动检测装置的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：太阳能电池板(20)将太阳能转化为电能，然后将电能储存在蓄电池(23)里，通过太阳能控制器(25)来给蓄电池(23)进行充放电，通过电压转换器(24)，将电压转化为合适的数值为振动检测装置和振动预警装置提供电能；当外界产生振源时，振动检测装置启动，若为水平X方向振动则小锤(2)随振动的大小进行摆动，小锤(2)敲击轻质铁片(4)，同时也敲击压力传感器(5)，压力传感器(5)将接收到的数据传送到压力数据记录器(16)进行记录，当小锤(2)的敲击力在限度以下时，轻质铁片(4)在第一弹簧(6)的作用下恢复原位，当小锤(2)的敲击力在限度以上时，轻质铁片(4)被电磁铁(3)吸引，触发第一报警装置(18)的开关，第一报警装置(18)开启，对外界荷载的水平X方向振动进行预警；若为水平Y方向振动则小锤(2)随振动的大小进行摆动，在小锤(2)摆动的过程中会遮挡强光发射器(9)发射的光线，半导体光电二极管(8)检测到的光线有变化，则产生的电流随之变化，电流表(17)将变化显示出，且电流的变化引起电灯(13)发光，对外界荷载的水平Y方向振动进行预警；若为竖直方向振动则导体(12)在第二弹簧(11)的作用下发生振动，在振动过程中切割由两侧磁铁(14)产生的磁感线，电压表(15)检测到由导体(12)切割磁感线的运动而产生的电压的变化，当电压表(15)上显示的电压变化在限度以下时不做处理，当电压表(15)上显示的电压变化在限度以上时触发第二报警装置(19)报警，对外界荷载的竖直方向振动进行预警。
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