CN108873061B - 一种动圈式检波器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种动圈式检波器及其制作方法，该动圈式检波器包括：外壳、机芯和弹簧元件；在机芯底部安装自振频率范围与待检信号振动频率范围一致的弹簧元件，形成共振，加强地震波引起振动信号的强度，从而加大机芯采集振动信号的强度，扩大检波器的探测范围；另外，机芯和弹簧元件封装于外壳的内部，且弹簧元件一端连接机芯的底部，另一端连接外壳的底部，增强检波器机芯与外壳的耦合，从而也加大机芯采集振动信号的强度，进一步扩大检波器的探测范围。

Description

一种动圈式检波器及其制作方法

技术领域

本发明涉及检波器工程应用领域，特别是涉及一种动圈式检波器及其制作方法。

背景技术

动圈式检波器是用于工程测量的专用传感器，是一种将地面振动信号转变为电信号的传感器，或者说是将机械能转化为电能的能量转换装置。在实际工程应用中通过将检波器埋于地下，将地震波引起的振动信号转换成电信号并通过电缆将电信号送入采集装置，观察振动曲线，来检测外在振动。因此采集地震波引起的振动信号大小直接决定着转换出来的电信号的强弱，从而影响着检波器探测的范围。目前市面上的动圈式检波器机芯都是直接封装于外壳中，导致机芯和外壳耦合不紧密；又因机芯和外壳耦合不紧密，使得地震振动时，外壳振动强度大于机芯振动强度，从而导致机芯采集的振动信号弱，探测范围窄。

发明内容

本发明的目的是提供一种动圈式检波器及其制作方法，在充分了解检波器的工作原理模型后，在检波器机芯底部添加自振频率与待检信号振动频率相等的弹簧元件，不仅实现增强检波器机芯与外壳的耦合，加强地震波引起振动信号的强度，而且还加大机芯采集振动信号的强度，扩大检波器的探测范围。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种动圈式检波器制作方法，所述制作方法包括步骤：

获取待检信号的振动频率范围；

制备自振频率范围与所述振动频率范围一致的弹簧元件；

将所述弹簧元件安装在动圈式检波器的机芯与动圈式检波器的外壳之间。

可选的，所述制备自振频率范围与所述振动频率范围一致的弹簧元件，具体包括：

确定所述弹簧元件的自振频率与所述弹簧元件的结构参数之间的关系式；

根据所述关系式和所述自振频率范围，计算得到所述弹簧元件的结构参数；

制备符合所述结构参数的弹簧元件。

可选的，所述结构参数包括：弹簧金属材料参数、金属材料的半径、金属材料的长度、弹簧的半径、检波器的质量和弹簧的质量。

可选的，所述根据所述关系式和所述自振频率范围，计算得到所述弹簧元件的结构参数，具体包括：

根据

计算得到所述弹簧元件的结构参数；

其中，ω₁为自振频率，N为弹簧金属材料参数，r为金属材料的半径，L为金属材料的长度，R为弹簧的半径，M为检波器的质量，m为弹簧的质量。

可选的，所述制备符合所述结构参数的弹簧元件，具体包括步骤：

第一步：选料；选择与动圈式检波器匹配的材料线径，材料为合金弹簧钢的弹簧材料；

第二步：绕簧；采用冷卷工艺，选择一定长度的弹簧材料进行绕簧，制作动圈式检波器相匹配、结构为螺旋压缩的弹簧元件；其中弹簧材料的长度是根据所述关系式确定；

第三步：热处理；将冷变形后的弹簧元件在低于再结晶温度下加热；

第四步：磨端面；对热处理后的弹簧元件的截面进行端面的打磨；

第五步：倒角；使用弹簧倒角刀，去除弹簧元件上面的毛刺；

第六步：喷丸；

第七步：探伤；通过无损探伤仪检测弹簧元件内部结构，确保弹簧元件内部无受损；

第八步：立定；将弹簧元件压缩到工作极限高度或并紧高度数次，用于稳定弹簧元件几何尺寸；

第九步：校验；根据所需要的弹簧元件的特性，检测弹簧元件的谐振频率是否在误差允许范围内；若是，则执行步骤第十步，若否，则再次依次执行第二步至第九步；

第十步：涂装；对校验完成的弹簧元件进行防腐措施涂装后，则完成与动圈式检波器相匹配的弹簧元件。

本发明还提供了一种动圈式检波器，所述动圈式检波器包括：机芯、外壳以及所述动圈式检波器制作方法中的弹簧元件；

所述弹簧元件与所述机芯封装于所述外壳的内部，所述弹簧元件一端连接所述机芯的底部，所述弹簧元件另一端连接所述外壳的底部。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提供的一种动圈式检波器及其制作方法，该动圈式检波器包括：外壳、机芯和弹簧元件；在机芯底部安装自振频率范围与待检信号振动频率范围一致的弹簧元件，形成共振，加强地震波引起振动信号的强度，从而加大机芯采集振动信号的强度，扩大检波器的探测范围；另外，机芯和弹簧元件封装于外壳的内部，且弹簧元件一端连接机芯的底部，另一端连接外壳的底部，增强了检波器机芯与外壳的耦合，从而也加大了机芯采集振动信号的强度，进一步扩大了检波器的探测范围。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例动圈式检波器制作方法流程图；

图2为本发明实施例弹簧元件轴向受力图；

图3为本发明实施例动圈式检波器结构示意图；

图4为本发明实施例无弹簧元件动圈式检波器振动特性曲线仿真图；

图5为本发明实施例有弹簧元件动圈式检波器振动特性曲线仿真图；

图6为本发明实施例无弹簧元件的动圈式检波器振动曲线实测图；

图7为本发明实施例有弹簧元件的动圈式检波器振动曲线实测图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明实施例动圈式检波器制作方法流程图，如图1所示，该制作方法包括：

步骤101：获取待检信号的振动频率范围；

步骤102：制备自振频率范围与振动频率范围一致的弹簧元件；

步骤103：将弹簧元件安装在动圈式检波器的机芯与动圈式检波器的外壳之间。

其中，步骤102具体包括：

第一步：确定弹簧元件的自振频率范围与弹簧元件的结构参数之间的关系式，具体为：

对弹簧元件施加一个激励，弹簧元件就会在激励下来回振动，通过对弹簧元件的单独某一环作受力分析，通过动能、势能等的转化，得出弹簧元件的自振频率与弹簧元件的结构参数之间的关系式。

图2为本发明实施例弹簧元件轴向受力图，如图2所示，F为弹簧元件振动过程中受到的轴向力，R为弹簧元件的半径，r为金属材料的半径，则弹簧元件的每个横截面受到的截面力矩为FR，处在扭转中的金属丝会产生抗扭转力矩，达到平衡时有：

式(1)中，N为金属丝的材料参数，

为单位长度金属丝的扭转角，若金属丝的长度为l，则它的扭转角φ为：

又因R远大于r，忽略弹簧弹簧元件曲率的影响，故弹簧元件的形变势能U为：

设动圈式检波器的质量为M，当弹簧元件振动时，动圈式检波器离开平衡位置的位移为x，则此位移正好等于弹簧元件因扭转而产生的轴向位移，利用卡氏定理得：

设检波器M在x处的动能为E₁，则

由于弹簧也在做简谐振动，因此弹簧自身也有动能。弹簧上任一点A的位移x_A与物体的位移x的关系为：

式中，s为固定端到A点的金属丝长度，故A点的速率为：

取A点处长为ds的金属丝单元，它的动能为

根据能量守恒定律，弹簧振动的系统能量守恒方程为：U+E₁+E₂＝常数(11)，即：

公式(9)两边对t微分，得到谐振方程：

所以弹簧元件的自振频率与弹簧元件的结构参数之间的关系式为：

式(13)中，ω₁为自振频率，N为弹簧金属材料参数，r为金属材料的半径，L为金属材料的长度，R为弹簧的半径，M为检波器的质量，m为弹簧的质量。

第二步：根据关系式和自振频率范围，计算得到弹簧元件的结构参数，具体包括：

根据公式(13)

计算得到所述弹簧元件的结构参数；其中，弹簧元件的结构参数包括：弹簧金属材料参数、金属材料的半径、金属材料的长度、弹簧的半径、检波器的质量和弹簧的质量。

第三步：制备符合结构参数的弹簧元件，具体为，根据动圈式检波器需要实际检测的振动频率，可以定制出与之匹配的弹簧元件，使得动圈式检波器的谐振频率与待检测的振动信号的频率一致，使得检波器与之共振，达到增强检波器的灵敏度，提高检波器探测的范围的效果。

目前，弹簧元件的种类较多，形状各异，而且特性也有比较大的区别，因此其制造方法也有所不同。因为本发明实施例中要求的弹簧元件为螺旋压缩弹簧，并且截面尺寸较小，通常采用冷成形工艺，即在常温下对弹簧材料进行加工。采用冷成形工艺，制作螺旋压缩弹簧的的步骤为：卷制，去应力退火，两端面磨削，立定或强压处理，校验，表面防腐处理，包装。

下面结合本发明实施例要求制备的弹簧元件，来详细介绍弹簧元件的制作工艺：

①选料；选择与动圈式检波器匹配的材料线径，材料为合金弹簧钢的弹簧材料；其中，针对不同的动圈式检波器匹配，选择不同的材料线径；本发明实施例选择材料线径为0.15-0.25mm，优选地，选线径0.2mm，材料为合金弹簧钢的弹簧材料；弹簧材料选用比较常见的合金弹簧钢，可以满足弹簧元件的压缩极限和疲劳极限，并且其具有良好的韧性；

②绕簧：由于材料的线径较小，故采用冷卷工艺，选择一定长度的材料进行绕簧，制作动圈式检波器相匹配、结构为螺旋压缩的弹簧元件。其中，针对不同的动圈式检波器匹配，制作不同直径的弹簧元件；本发明实施例制作的是直径为14mm(允许合理误差存在)、结构为螺旋压缩的弹簧元件；另外动圈式检波器的质量和弹簧元件质量已知，那么长度可以根据弹簧元件的自振频率公式里的相关参数来确定；

③热处理：冷变形后的弹簧元件在低于再结晶温度下加热，以去除弹簧的内应力作用，可以减少弹簧的变形；

④磨端面：对热处理后的弹簧元件截面进行端面的打磨；

⑤倒角：使用弹簧倒角刀，去除弹簧元件上面的毛刺；

⑥喷丸：喷丸是一种表面强化工艺，提高弹簧的机械强度以及耐磨性、抗疲劳和耐腐蚀性等；

⑦探伤：通过无损探伤仪检测弹簧内部结构，确保弹簧元件在上述操作中没有内部受损；

⑧立定：弹簧元件压缩到工作极限高度或并紧高度数次，一般是3～5次，用来稳定弹簧几何尺寸；

⑨校验：根据所需要的弹簧元件的特性，检测弹簧元件的谐振频率是否在误差允许范围内；若是，则执行步骤⑩，若否，则依次执行②～⑧；

⑩涂装：对校验完成的弹簧元件进行防腐措施涂装后，则完成与动圈式检波器相匹配的弹簧元件。

图3为本发明实施例动圈式检波器结构示意图；所述动圈式检波器包括：机芯301、外壳303以及动圈式检波器制作方法中的弹簧元件302；弹簧元件302与机芯301封装于外壳303的内部，弹簧元件302一端连接机芯301的底部，弹簧元件302另一端连接外壳303的底部。

图4为本发明实施例无弹簧元件动圈式检波器振动特性曲线仿真图，图5为本发明实施例有弹簧元件动圈式检波器振动特性曲线仿真图，如图4、5所示，对两个相同的动圈式检波器进行建模，一只动圈式检波器添加弹簧元件，另一只动圈式检波器不添加弹簧元件，同时给两只动圈式检波器一个相同的激励信号，激励信号与弹簧元件的谐振频率相同，运用MATLAB对检波器在激励下振动的特性进行仿真，得到检波器在冲击响应下的振动特性图。从图4和图5中能够看出，在同一时刻，安装弹簧元件的动圈式检波器与未安装弹簧元件的动圈式检波器获取到的振动曲线有比较大的区别，未安装有弹簧元件的动圈式检波器与振动信号无法形成谐振，动圈式检波器检测到的振动信号幅值会快速的衰减，而振动信号与弹簧元件产生谐振的那只动圈式检波器检测到的振动信号的的幅值会增大，然后缓慢的衰减，延长了有效振动的时间，从而可以有效的提高检波器探测的距离。

图6为本发明实施例无弹簧元件的动圈式检波器振动曲线实测图，图7为本发明实施例有弹簧元件的动圈式检波器振动曲线实测图，如图6、7所示，可以看出，在给出相同激励的情况下，添加有弹簧元件的动圈式检波器比未添加弹簧元件的动圈式检波器的振动幅值高，且衰减的速度要慢。这就使得在实际检测过程中，不仅可以检测到更微弱的振动信号，同时让振动信号维持在可检测的范围的时间增长，从而有效的提高检波器检测外界某一特定频率振动的探测范围。

通过本发明实施例提供的一种动圈式检波器及其制作方法，该动圈式检波器包括：机芯301、弹簧元件302和外壳303；机芯301和弹簧元件302封装于外壳303的内部，且弹簧元件302一端连接机芯301的底部，另一端连接外壳303的底部，增强了检波器机芯与外壳的耦合，加大了机芯采集振动信号的强度，扩大了检波器的探测范围。另外，在机芯底部安装的弹簧元件的自振频率与待检信号振动频率相等，进而形成共振，从而加强地震波引起振动信号的强度，进一步加大了机芯采集振动信号的强度，扩大了检波器的探测范围。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (3)

1.一种动圈式检波器制作方法，其特征在于，所述制作方法包括步骤：

获取待检信号的振动频率范围；

制备自振频率范围与所述振动频率范围一致的弹簧元件；具体包括：确定所述弹簧元件的自振频率与所述弹簧元件的结构参数之间的关系式；根据所述关系式和所述自振频率范围，计算得到所述弹簧元件的结构参数；制备符合所述结构参数的弹簧元件；所述结构参数包括：弹簧金属材料参数、金属材料的半径、金属材料的长度、弹簧的半径、检波器的质量和弹簧的质量；其中，根据

计算得到所述弹簧元件的结构参数；ω₁为自振频率，N为弹簧金属材料刚性模数，r为金属材料的半径，L为金属材料的长度，R为弹簧的半径，M为检波器的质量，m为弹簧的质量；

将所述弹簧元件安装在动圈式检波器的机芯与动圈式检波器的外壳之间。

2.根据权利要求1所述的动圈式检波器制作方法，其特征在于，所述制备符合所述结构参数的弹簧元件，具体包括步骤：

第一步：选料；选择与动圈式检波器匹配的材料线径，材料为合金弹簧钢的弹簧材料；

第二步：绕簧；采用冷卷工艺，选择一定长度的弹簧材料进行绕簧，制作动圈式检波器相匹配、结构为螺旋压缩的弹簧元件；其中弹簧材料的长度是根据所述关系式确定；

第三步：热处理；将冷变形后的弹簧元件在低于再结晶温度下加热；

第四步：磨端面；对热处理后的弹簧元件的截面进行端面的打磨；

第五步：倒角；使用弹簧倒角刀，去除弹簧元件上面的毛刺；

第六步：喷丸；

第七步：探伤；通过无损探伤仪检测弹簧元件内部结构，确保弹簧元件内部无受损；

第八步：立定；将弹簧元件压缩到工作极限高度或并紧高度数次，用于稳定弹簧元件几何尺寸；

第九步：校验；根据所需要的弹簧元件的特性，检测弹簧元件的谐振频率是否在误差允许范围内；若是，则执行步骤第十步，若否，则再次依次执行第二步至第九步；

第十步：涂装；对校验完成的弹簧元件进行防腐措施涂装后，则完成与动圈式检波器相匹配的弹簧元件。

3.一种动圈式检波器，其特征在于，所述动圈式检波器包括：机芯、外壳以及如权利要求1-2中任一项中所述的弹簧元件；

所述弹簧元件与所述机芯封装于所述外壳的内部，所述弹簧元件一端连接所述机芯的底部，所述弹簧元件另一端连接所述外壳的底部。

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