CN108180987B - 振动传感器的校准装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了振动传感器的校准装置，校准装置包括用于安装被校传感器的安装块和为安装块提供阶跃力的传递块，安装块在前，传递块在后，传递块具有能够与安装块接触的传递端；传递块安装于高压舱中，传递块的传递端外露于高压舱，传递块承受高压舱内的气压，传递块的具有与拉绳连接的连接端，拉绳与施力模块连接，施力模块在传递块之后，气压对传递块产生的推力与拉绳的拉力相反，高压舱具有阻止传递块脱离的前挡块和后挡块。本发明当拉绳断裂时，采用高压腔体中的气压对传递块提供正阶跃加速度激励信号，气压可控可知，因此与常见的脉冲激励信号相比，该正阶跃加速度激励信号的波形可控性及重复性好。

Description

振动传感器的校准装置

技术领域

本发明涉及振动传感器的测量领域，特别是一种用于校准振动传感器灵敏度的校准装置。

技术背景

振动传感器是用于检测冲击力或加速度的传感器。振动传感器的冲击灵敏度的校准方法中，通常以气炮为动力源，由压缩气体驱动弹体运动，撞击安装有被校传感器的砧体，被校传感器承受机械冲击脉冲作用，测量被校传感器的输出及运动速度变化，计算出被校传感器的冲击灵敏度。

中国专利201010531623.3号，披露了一种气炮激励碰撞装置，由碰撞系统和回收系统组成，碰撞系统和回收系统同轴设置，压缩气体驱动主动弹撞击安装有被校准加速度传感器的砧体，砧体瞬时脱离支撑面，自由飞行一段距离后被回收系统回收。这种气炮激励碰撞装置产生的激励信号是脉冲加速度信号，该装置的缺点在于：产生的脉冲加速度峰值保持时间短，较难准确测量加速度幅值。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种振动传感器在动态校准时，正阶跃加速度的峰值保持时间长，能够准确测量加速度幅值的振动传感器的校准装置。

振动传感器的校准装置，包括用于安装被校传感器的安装块和为安装块提供阶跃力的传递块，安装块在前，传递块在后，传递块具有能够与安装块接触的传递端；传递块安装于高压舱中，传递块的传递端外露于高压舱，传递块承受高压舱内的气压，传递块的具有与拉绳连接的连接端，拉绳与施力模块连接，施力模块在传递块之后，气压对传递块产生的推力与拉绳的拉力相反，高压舱具有阻止传递块脱离的前挡块和后挡块；拉绳断裂时，传递块在气压作用下对安装块施加正阶跃力，传递块被前挡块阻挡后、对安装块施加负阶跃力。拉绳为钢丝绳。

安装块位于导轨模块内，安装块与导轨模块之间无摩擦。此处指的无摩擦是说摩擦力可以忽略不计，而不是绝对的摩擦力为0。

提供一种能够实现安装块与导轨模块无摩擦的导轨模块具体结构：导轨模块由导轨和安装座组成，导轨具有与安装块配合的孔，安装块与导轨之间有间隙，该间隙内填充支撑润滑膜。

进一步，导轨为气浮导轨，气浮导轨包括下气浮支撑部件和上气浮支撑部件，下气浮支撑部件和上气浮支撑部件共同围成与安装块配合的孔，支撑润滑膜为气膜。

进一步，下气浮支撑部件和上气浮支撑部件分别具有通气孔、进气孔和气接头，气接头安装于进气孔，气接头与低压气源连通；从通气孔溢出的气体形成上述气膜。

进一步，上气浮支撑部件与下气浮支撑部件通过螺栓进行连接固定。

提供一种高压腔体的具体结构如下：高压舱具有筒体和法兰盖，筒体和法兰盖围成高压腔体；筒体和法兰盖上设有容纳传递块的容腔，容腔从轴向贯穿筒体和法兰盖；后挡块与法兰盖固定，前挡块与筒体固定，前挡块具有允许传递端外露的通孔。当拉绳从后方对传递块施力时，后挡块抵住传递块，阻止传递块脱离高压舱。

进一步，传递块具有承受气压的推力受力面，被后挡块抵紧的拉力受力面和被前挡块抵紧的止挡面，传递块的连接端外露于高压舱，拉力受力面位于连接端之前，连接端设有供拉绳穿过的小孔。

进一步，传递块具有本体，本体上具有三个台阶，最前面的第一台阶的台阶面为止挡面，最后的第二台阶的台阶面为拉力受力面，中间的台阶面为推力受力面，推力受力面暴露于高压腔体。

进一步，在筒体上有进气孔、监测孔和泄压孔，进气孔通过减压阀与高压气源连接，监测孔通过螺纹连接安装有压力传感器，用于实时监测腔体内的压力变化，泄压孔通过螺纹连接安装有安全阀，当腔内压力超过设计值，则安全阀开启。

进一步，筒体与法兰盖之间采用金属平垫进行密封，并由螺栓进行连接固定。

提供一种施力模块的具体结构如下：施力模块具有拉杆，电动推杆和推杆安装座，拉杆与电动推杆连接，拉杆上具有拉绳安装部。

进一步，拉杆和电动推杆组件之间有直线轴承组件和拉力传感器，直线轴承组件为一对，拉力传感器在两个直线轴承组件之间，直线轴承组件由直线轴承和轴承座组成。

进一步，拉绳安装部包括连接块、压紧块和紧固螺栓。连接块与拉杆通过螺纹进行连接固定，压紧块与连接块之间是平面接触，拉绳从压紧块和连接块之间穿过，并通过拧动紧固螺栓可改变连接块和压紧块之间的压紧力。

进一步，拉杆的前端与拉绳安装部通过螺纹进行连接，拉杆的后端穿过直线轴承与拉力传感器连接，拉杆与拉力传感器由螺纹副固定。

进一步，拉力传感器与电动推杆由连接杆连接，连接杆穿过直线轴承与电动推杆连接，连接杆分别通过螺纹副与拉力传感器、电动推杆固定。

安装块之前固定安装缓冲限位模块，当传递块激励安装块向前运动后，安装块接触到缓冲限位模块后停止运动。提供一种能够吸收安装块的动能的缓冲限位模块的具体结构如下：

缓冲限位模块固定于安装块之前，缓冲限位模块具有缓冲支座、缓冲器和限位杆，缓冲器固定于缓冲支座，缓冲器上安装限位杆，限位杆为直接接触安装块的部件。通过限位杆长度的设置，从而实现对安装块运动距离的控制。

进一步，缓冲器有多个，多个缓冲器沿高度方向对称分布。

进一步，限位杆一端与缓冲器固定、另一端上固定有缓冲垫。限位杆一端与缓冲器通过螺纹连接，限位杆另一端与缓冲垫通过胶水连接，缓冲垫通常采用毛毡或橡胶等质地较软的材料，用于避免限位过程产生刚性碰撞。

进一步，缓冲支座上开有允许激光干涉仪的光路通过的测量孔，激光干涉仪的激光对准安装块。激光干涉仪测量获得安装块的运动速度。

进一步，校准装置具有基座，高压舱、导轨模块、施力模块和缓冲限位模块分别通过各自的安装板与基座固定连接；高压舱、导轨模块、施力模块和缓冲限位模块相互对中。

进一步，基座上设有定位凹槽，各个安装板分别与定位凹槽匹配，并通过螺栓固定于基座上；高压舱的筒体与高压舱的安装板固定，导轨模块的安装座与导轨模块安装板固定；缓冲限位模块的安装板和施力模块的安装板上分别设有各自T型槽，缓冲支座与缓冲限位模块的安装板通过T型螺母进行连接固定，施力模块的轴承座与施力模块的安装板通过T型螺母进行连接固定；T型螺母分别位于各自的T型槽内。

本发明在使用时，首先将被校传感器安装在安装块上，再将安装块安装在气浮导轨上，然后通过控制电动推杆带动钢丝压紧部件运动到推杆右极限位置，然后钢丝线穿过传递块一端的小孔，再将钢丝线穿过连接块和压紧块中间的间隙，拉紧钢丝线并拧紧紧固螺栓，然后设置气压大小P，并保持高压腔体内的气压稳定。

传递块在气压的作用下运动到传递块左极限位置，然后控制电动推杆带动钢丝线向右拉伸，传递块受到钢丝线的作用力向右运动到传递块右极限位置，此时移动安装块使其端面与传递块端面紧密接触，然后控制电动推杆继续向右运动，钢丝线受到的拉力迅速增大，直到所受拉力大于钢丝线的抗拉强度极限，钢丝线突然发生断裂。

负阶跃加速度产生过程：当钢丝线突然断裂，传递块受到正阶跃作用力，推动安装块和被校传感器共同向前运动，进而产生正阶跃加速度，然后在气腔压力的作用下共同做匀加速运动，当传递块的左端轴肩受到前挡块的阻挡作用，此时安装块受到负阶跃作用力，进而产生负阶跃加速度，最后在惯性作用下继续向前匀速运动。

当安装块的左侧端面与限位部件的缓冲垫发生碰撞限位，安装块的动能通过缓冲器吸收，最终安装块和被校传感器在极限位置停下，传感器校准过程结束。

本发明的优点如下：

1、当拉绳断裂时，采用高压腔体中的气压对传递块提供正阶跃加速度激励信号，气压可控可知，因此与常见的脉冲激励信号相比，该正阶跃加速度激励信号的波形可控性及重复性好。

2、采用双质量块冲击分离的加速度激励方式，负阶跃加速度的下降沿时间达到微秒级，因此分析的频率范围可达到十万赫兹。

附图说明

图1实际阶跃信号时域曲线。

图2实际阶跃信号频域曲线。

图3双质量块示意图。

图4激励装置总体示意图。

图5高压舱结构剖视图。

图6导轨模块结构示意图。

图7施力模块结构俯视图。

图8缓冲限位模块结构示意图。

图9阶跃加速度波形示意图。

具体实施方式

在实际系统中，理想阶跃信号是不存在的，阶跃信号的上升沿或下降沿一定存在过渡时间τ，可认为是带有斜坡的阶跃信号，实际阶跃信号曲线如图1所示。当过渡时间τ趋近于0时，实际阶跃信号则变为理想阶跃信号。实际阶跃信号x^*(t)可表示为

对于实际单位阶跃响应信号x^*(t)，其频谱函数为

如图2所示为τ＝0.03s时的幅频特性曲线。从图2可以看出，实际阶跃信号在某些频率点的幅值为零，令

可得，ωτ＝2kπ(k＝1，2，3...)，即

因此过渡时间τ所对应可以分析的最高频率为

由上式可以得到结论：过渡时间τ越小，则阶跃信号的非零带宽越宽。

拟采用两个两质量块冲击分离来产生阶跃加速度，如图3所示，分别为安装质量块和传递质量块，简称为安装块和传递块。

安装块和传递块刚开始相互紧贴，传递块右侧轴肩端面在正阶跃力的作用下共同运动，产生正阶跃加速度，即获得一定大小的阶跃加速度幅值；然后匀加速运动一段时间后，传递块左侧轴肩端面突然受到阻挡，安装块受到负阶跃力作用，产生负阶跃加速度，并与传递块迅速分离，在惯性的作用下继续匀速向前运动。

如图4所示，振动传感器的校准装置包括高压舱2、导轨模块3、施力模块4、缓冲限位模块5、钢丝线6以及固定以上各功能模块的基座1。

如图5所示，在一个实施例中，高压舱是用于保证腔内高气压，给传递块提供驱动气压，包括筒体21、前挡块23、法兰盖29、后挡块26。筒体21与法兰盖29之间采用金属平垫28进行密封，并通过螺栓25进行连接固定。传递块22安装在筒体21和法兰盖29组成的活塞腔内，并可以在活塞腔内沿轴线运动。前挡块23与筒体21采用过盈配合进行连接固定，后挡块26与法兰盖29采用螺栓27连接固定。另外，压力传感器210与筒体21通过螺纹连接固定，安全阀24与筒体21通过螺纹连接固定。

如图6所示，在一个实施例中，导轨模块包括上气浮支撑部件31和下气浮支撑部件34，并且上下气浮支撑部件通过螺栓33连接固定。安装块32在上气浮支撑部件31和下气浮支撑部件34之间，如图3所示，安装块32的右侧端面与传递块22左侧球面相切，安装块32能在传递块22的推动下沿气浮导轨进行前后直线运动，

如图7所示，在一个实施例中，施力模块包括安装板41、钢丝压紧部件、左/右直线轴承47/416、左/右轴承座46/49、推杆安装座414、拉杆45、连接杆410、电动推杆412和拉力传感器48。安装板41与基座的定位凹槽相配合，并通过螺栓进行连接固定，安装板41上有T型槽，左右轴承座46/49与安装板41通过T型螺母415进行连接固定，左/右直线轴承47/416的圆法兰面与左/右轴承座46/49定位，并通过螺栓进行连接固定；

所述钢丝压紧部件包括连接块42、压紧块44和紧固螺栓43。连接块42与拉杆45通过螺纹进行连接固定，压紧块44与连接块42之间是平面接触，钢丝线6的一端从压紧块44和连接块42之间穿过，并通过拧动紧固螺栓43可改变连接块42和压紧块44之间的压紧力，从而改变钢丝线6的压紧程度，钢丝线6的另一端与传递块22右端的小孔连接。

拉杆45与左直线轴承47配合，且拉杆45的一端与连接块42通过螺纹进行连接，另一端通过螺纹与拉力传感器48进行连接。连接杆410与右直线轴承416配合，连接杆410的一端通过螺纹与拉力传感器48连接，另一端凸板通过销钉411与电动推杆412的头部凹槽连接，即拉力传感器48左右两端分别通过螺纹与拉杆45和连接杆410进行连接，用于实时监测传递块所受拉力变化。电动推杆412的尾部凹槽通过销钉413与推杆安装座414的凸板连接，推杆安装座414通过螺栓与基座连接固定。

如图8所示，在一个实施例中，缓冲限位部件包括安装板51、缓冲支座53、缓冲器54和限位部件。安装板51与基座的定位凹槽相配合，并通过螺栓进行连接固定，安装板51上有T型槽，缓冲支座53与安装板51通过T型螺母52进行连接固定，缓冲支座53的中部开孔，便于激光干涉仪的光路通过，用于测量安装块32的运动速度。油压式缓冲器54与缓冲支座53通过螺纹连接固定，用于吸收消耗安装块的动能。

所述限位部件包括限位杆55和缓冲垫56。限位杆55一端与油压式缓冲器54通过螺纹连接，限位杆55另一端与缓冲垫56通过胶水粘接，缓冲垫56通常采用毛毡或橡胶等质地较软的材料，用于避免限位过程产生刚性碰撞。另外，沿安装块51的T型槽移动，调节缓冲支座的位置，可以改变安装块32的限位距离。

本发明在使用时，首先将被校传感器7安装在安装块32上，再将安装块32安装在上气浮支撑部件31和下气浮支撑部件34之间。在实验之前先进行复位操作，即控制电动推杆412带动钢丝压紧部件运动到推杆的右极限位置，然后钢丝线6穿过传递块22一端的小孔，再将钢丝线6穿过连接块42和压紧块44中间的间隙，拉紧钢丝线6并拧紧紧固螺栓43，然后根据实验要求设置气压大小，并保持高压腔体内的气压稳定。

传递块22在气压作用下运动到传递块左极限位置，然后进行加载操作，控制电动推杆412带动钢丝线6向右拉动，传递块22受到钢丝线6的作用力向右运动到传递块22右极限位置，此时推动安装块32使其右侧端面与传递块22左侧球面紧密接触，然后控制电动推杆412继续向右运动，钢丝线6受到的拉力迅速增大，直到所受拉力大于钢丝线6的抗拉强度极限，钢丝线6突然发生断裂。如果需要停止加载过程，可以进行卸载操作，控制电动推杆412向左运动，钢丝线6逐渐松弛下来，传递块22在气压的作用下重新运动到传递块22的左极限位置。

负阶跃加速度产生过程：当钢丝线6突然断裂，传递块22右侧轴肩端面受到气压的正阶跃作用力，推动安装块32和被校传感器4共同向前运动，进而产生正阶跃加速度(OA段)，然后在气腔压力的作用下共同做匀加速运动(AB段)，如图9所示。

当安装块32的左侧端面与限位部件的缓冲垫56发生碰撞限位，安装块32的动能通过油压式缓冲器54吸收，最终安装块32和被校传感器7在极限位置停下，传感器校准过程结束。本说明书实施例所述的内容仅仅是对本发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (10)

1.振动传感器的校准装置，其特征在于：校准装置包括用于安装被校传感器的安装块和为安装块提供阶跃力的传递块，安装块在前，传递块在后，传递块具有能够与安装块接触的传递端；传递块安装于高压舱中，传递块的传递端外露于高压舱，传递块承受高压舱内的气压，传递块具有与拉绳连接的连接端，拉绳与施力模块连接，施力模块在传递块之后，气压对传递块产生的推力与拉绳的拉力相反，高压舱具有阻止传递块脱离的前挡块和后挡块；拉绳断裂时，传递块在气压作用下对安装块施加正阶跃力，传递块被前挡块阻挡后、对安装块施加负阶跃力；施力模块具有拉杆，电动推杆和推杆安装座，拉杆与电动推杆连接，拉杆上具有拉绳安装部；拉杆和电动推杆组件之间有直线轴承组件和拉力传感器，直线轴承组件为一对，拉力传感器在两个直线轴承组件之间，直线轴承组件由直线轴承和轴承座组成。

2.如权利要求1所述的振动传感器的校准装置，其特征在于：拉绳安装部包括连接块、压紧块和紧固螺栓，拉杆的前端与拉绳安装部通过螺纹进行连接，拉杆的后端穿过直线轴承与拉力传感器连接，拉杆与拉力传感器由螺纹副固定，拉力传感器与电动推杆由连接杆连接，连接杆穿过直线轴承与电动推杆连接，连接杆分别通过螺纹副与拉力传感器、电动推杆固定。

3.如权利要求1或2所述的振动传感器的校准装置，其特征在于：导轨模块由导轨和安装座组成，导轨具有与安装块配合的孔，安装块与导轨之间有间隙，该间隙内填充支撑润滑膜。

4.如权利要求3所述的振动传感器的校准装置，其特征在于：导轨为气浮导轨，气浮导轨包括下气浮支撑部件和上气浮支撑部件，下气浮支撑部件和上气浮支撑部件共同围成与安装块配合的孔，支撑润滑膜为气膜，下气浮支撑部件和上气浮支撑部件分别具有通气孔、进气孔和气接头，气接头安装于进气孔，气接头与低压气源连通；从通气孔溢出的气体形成上述气膜；上气浮支撑部件与下气浮支撑部件通过螺栓进行连接固定。

5.如权利要求1所述的振动传感器的校准装置，其特征在于：高压舱具有筒体和法兰盖，筒体和法兰盖围成高压腔体；筒体和法兰盖上设有容纳传递块的容腔，容腔从轴向贯穿筒体和法兰盖；后挡块与法兰盖固定，前挡块与筒体固定，前挡块具有允许传递端外露的通孔。

6.如权利要求5所述的振动传感器的校准装置，其特征在于：传递块具有承受气压的推力受力面，被后挡块抵紧的拉力受力面和被前挡块抵紧的止挡面，传递块的连接端外露于高压舱，拉力受力面位于连接端之前，连接端设有供拉绳穿过的小孔。

7.如权利要求1所述的振动传感器的校准装置，其特征在于：缓冲限位模块固定于安装块之前，缓冲限位模块具有缓冲支座、缓冲器和限位杆，缓冲器固定于缓冲支座，缓冲器上安装限位杆，限位杆为直接接触安装块的部件。

8.如权利要求7所述的振动传感器的校准装置，其特征在于：缓冲器有多个，多个缓冲器沿高度方向对称分布；限位杆一端与缓冲器固定、另一端上固定有缓冲垫。

9.如权利要求8所述的振动传感器的校准装置，其特征在于：缓冲支座上开有允许激光干涉仪的光路通过的测量孔，激光干涉仪的激光对准安装块。

10.如权利要求1所述的振动传感器的校准装置，其特征在于：校准装置具有基座，高压舱、导轨模块、施力模块和缓冲限位模块分别通过各自的安装板与基座固定连接；高压舱、导轨模块、施力模块和缓冲限位模块相互对中。

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