CN117289333A - 利用地震检波器的加速度传感器及位移积分器 - Google Patents

Abstract

本发明要解决的课题是提供一种使用地震检波器的加速度传感器，对长周期（低频域）成分的振动测量也具有很高的灵敏度和精确度。解决方案：加速度传感器具有地震检波器1和负阻电路2。在负阻电路2中，运算放大器20包括反相输入端31、非反相输入端32、输出端33、将输出端33的输出返回反相输入端31的第1反馈电路22和将输出端33的输出返回非反相输入端32的第2反馈电路24。第1反馈电路22中有第1电阻器(R1)，第2反馈电路24中有第二电阻器(R2)25。地震检波器1的线圈11的输出被输入到运算放大器20的反相输入端31上。负电阻(Rd+ΔRt)21被连接至运算放大器的非反相输入端32上。

Description

利用地震检波器的加速度传感器及位移积分器

技术领域

本发明涉及一种基于地震检波器的加速度传感器，以及基于其上的位移积分器。

背景技术

在现有的地震仪中，有一种通过地震振动引起的摆锤摆动而在纸上记录地震振动的装置。非专利文献1公开了一种地震仪，它能将摆锤的运动输出为电信号。非专利文献1中还提到，通过增加摆锤的阻尼常数h并将加速度传感器的输出进行积分，摆锤式地震仪还可以测量速度。这类摆锤式地震仪需要较长的摆锤才能精确测量长周期（低频区）成分，这会导致了设备的大型化。

另一方面，还有使用电容的地震检波器和微电子机械系统（MEMS）这两种加速度传感器可以测量地震振动。与摆锤式地震仪相比，它们体积更小、成本更低。

地震检波器由弹簧支撑的线圈和固定在容器上的永久磁铁组成。

当地震振动导致磁铁对线圈产生相对振动时，线圈中产生感应电压，并作为信号输出。例如，专利1-3中披露了地震检波器的相关技术。

具体来说，专利文献1中公开了与地震检波器的结构和制造方法有关的技术。

专利文献2中公开了一种将线圈的输出信号输入到运算放大器的地震检波器。其目的是提供一种小型、轻量、以及灵敏度高的电动型加速度传感器。

专利文献3中公开了提高地震检波器响应参数的测量精度、改进地震检波器的校准，以及提高响应输出数据精度的技术。

另一方面，使用微机电系统电容的加速度传感器的工作原理是，通过微机电系统电容元件测量相当于摆锤的绝缘部件的位移引起的电容变化，以输出加速度。如专利文献4和5所述。

具体而言，专利文献4中公开了一种基于MEMS电容的加速度传感器。该技术可在不加快伺服信号速度的情况下，有效降低伺服信号生成时由量子化误差带来的传感器输出噪声。

专利文献5中公开了另一种利用MEMS电容的加速度传感器。该技术可以降低传感器功耗的同时，实现高精度测量。

在非专利文献1的技术中，通过在速度传感器上增加了一个负电阻和一个次级谐振电路，可以将周期从一秒延长到大约五秒。

在非专利文献2的技术中，通过将输入信号以电荷的形式存储在运算放大器的非反相输入端和反馈回路中的电容器上，从而实现积分功能。

现有技术文件

专利文献

专利文献1：专利公布号2005-522667

专利文献2：专利公布号06-027135

参考文献3：专利公布号2011-221038

参考文献4：专利公布号2020-159941

专利文献5：专利公布号：2020-046191

非专利文献

非专利文献1：森谷武夫、冈田宏、凌甦群、今义豪、中野修：Evaluation for theOver-Damping and Integration Method by a Negative Shunt Resistance to Prolongthe Natural Period of Pendulum of the Seismometer, 北海道大学地球物理研究报告，61,107-113,1998.3

非专利文献2：铃木雅臣，回路之素101，CQ出版，160p，2012。

发明内容

发明要解决的课题

近年来，以高灵敏度和高精度测量包括长周期（低频范围）成分的地震和非地震振动的加速度、速度和位移的需求很大。

使用摆锤式地震仪精确测量地震的长周期（低频区）成分时，必须加长摆锤，从而导致设备大型化的问题。

传统的加速度传感器可以测量0.3Hz到30Hz左右的振动，但由于需要两个线圈，一个用于振动测量，另一个用于控制，所以设备组成非常复杂。不过，有两个线圈的好处是可以进行温度补偿。

而地震检波器只有一个测量线圈，能够以小型、低成本的方式测量地震振动。

本发明的目的是提供一种基于地震检波器的加速度传感器。它可以测量长周期（低频域）成分，并具有高灵敏度和高精度。

通过数值积分可以把加速度响应转换为位移。但精度低，而且会出现严重的漂移问题。本发明基于已有的积分电路，通过增加直流阻断电路，从而实现高精度的位移输出。

解决课题的手段

为了实现所述目的，本发明提供了一种加速度传感器。该加速度传感器由带一个线圈的地震检波器和一个负阻电路组成。在负阻电路中有运算放大器、负阻、第1电阻（R1）和第2电阻（R2）。运算放大器包括反相输入端子、非反相输入端子、输出端子、将输出端子的输出返回到反相输入端子的第1反馈电路，以及一个将输出端子的输出返回到非反相输入端子的第2反馈电路。第1电阻器(R1)位于第1反馈电路中，第2电阻器(R2)位于第2反馈电路中。地震检波器中线圈的输出作为运算放大器反相输入端的输入。负电阻连接至运算放大器的非反相输入端。

本发明基于已有的积分电路，通过增加直流阻断电路，从而实现高精度的位移输出。

发明的效果

本发明提供了一种使用地震检波器的加速度传感器。它可以测量长周期（低频域）成分，并且即使在小振幅条件下仍然具有高灵敏度和高精度。

利用本发明的积分器对本发明的加速度传感器得到的加速度响应进行积分，在不同输入频率下都可得到与高精度激光位移传感器基本一致的结果。显示了其高精度和可靠性。

附图说明

图1：(a)加速传感器中地震检波器1组成的截面图，(b)加速传感器中负电阻电路2的电路图。

图2：图中显示了改变加速度传感器中地震检波器1的输出信号的阻尼常数ζ时，摆锤（相对于正确值的输出倍率）的运动情况。

图3：相对于测量对象的位移，本发明加速度传感器输出信号的相位延迟。

图4：本发明加速度传感器的负阻电路2的原理图。

图5：本发明加速度传感器在小型振动台上的验证实验结果。(a)小型振动台；（b）-（g）小型振动台验证实验(左图,中图：加速度应答，右图：功率谱图)，本发明加速度传感器(SK-2G)与现有伺服型加速度传感器的(STP-100S)的不同输入频率振动的比较。如图所示，在较大振幅下两类传感器具有相同的精度。图中Time[sec]表示：时间[秒]；Frequency[Hz]表示：频率[Hz]。

图6：本发明加速度传感器在长周期小振幅条件下的验证实验结果。(a)实验条件；(b)最大加速度值0.002gal(左图为加速度应答，右图为功率谱)；(c)最大加速度值0.02gal(左图为加速度应答，右图为功率谱)。本发明加速度传感器(SK-4.5,SK-2G)与现有伺服型加速度传感器的(STP-100S)的小振幅长周期条件下的比较。如功率谱图（a）-（c）所示，STP-100S在小振幅下噪声较大，不能很好的识别长周期成分。本发明加速度传感器则显示出更高精度。图中Time[sec]表示：时间[秒]；Frequency[Hz]表示：频率[Hz]。

图7：本发明积分器的电路图。通过将输入信号以电荷的形式存储在运算放大器的非反相输入端和反馈回路中的电容器上，从而实现积分功能的电路。

图8：本发明积分器的电压增益的频率特性。经过1.0Hz时电压增益为0dB的点，其斜率为20dB/dec（0.1Hz时的振幅是其10倍，10Hz时的振幅是其1/10），具有均匀衰减的特性。

图9：本发明积分器在小型振动台上的验证实验结果。不同频率下积分电路与高精度激光位移传感器(KeyenceIL-300)的比较（利用图5a的小型振动台）左图，中图：位移；右图：基于位移响应的功率谱。（a）-（f）显示了利用本发明的积分电路对本发明的加速度传感器得到的加速度响应进行积分，在不同输入频率下都可得到与高精度激光位移传感器(KeyenceIL-300)基本一致的结果。图中Time[sec]表示：时间[秒]；Frequency[Hz]表示：频率[Hz]。

符号说明

1地震检波器

2负阻电路

8磁轭

9磁轭

10容器

11线圈

13弹簧

14弹簧

15永久磁铁

16永久磁铁

17输出接线

18极片

20运算放大器

21负电阻

22反馈电路

23电阻器R1

24反馈电路

25电阻器R2

31反相输入端子

32非反相输入端子

33输出端子

具体实施方式

通过附图说明本发明的一个实施例。图1(a)显示了地震检波器1的整体结构。图1(b)显示了使用地震检波器1的加速度传感器中，负阻电路2的配置。

本加速度传感器的实施例中，包括地震检波器1和负阻电路2（NIC:NegativeImpedanceConverter,负阻抗转换器电路）。由负阻电路2处理地震检波器1的线圈18的输出，并由负阻电路2输出加速度信号。这样就能以高灵敏度和高精度测量到包括低频域成分的施加到地震检波器1上的振动加速度。

首先对地震检波器1进行说明。如图1(a)所示，地震检波器1由圆柱形容器10和位于容器10上下两端的一对磁轭8和9所组成。永磁体15和16分别安装在磁轭8和9的内侧。这对永久磁铁15和永久磁铁16的N极相向着布置。在永久磁铁15和16之间的空间中，通过弹簧13和14安装着极片18。极片18周围的空间里布置着线圈11。线圈11还通过弹簧13和14支撑在永磁体15和永磁体16上。换句话说，线圈11悬挂在分别横切由永久磁铁15和16形成的磁通上。

当振动施加到具有这种结构的地震检波器1上时，永久磁铁15和16与容器10一起振动。但线圈11和极片18不会振动。这是因为它们被弹簧13和14悬挂着，而且线圈11与永久磁铁15和16的相对位置会随着振动频率的变化而变化。这就在线圈11中产生了对应于振动频率的感应电压。线圈11中的感应电压由输出线17引出容器10以外，并输入到负阻电路2。

如图1（b）所示，负阻电路2是一个NIC（负阻抗转换器）电路，其中包括运算放大器20。运算放大器20的非反相输入端(+)32连接到负电阻(Rd+ΔRt)21的一端，负电阻(Rd+ΔRt)21的另一端接地。负电阻(Rd+ΔRt)21的电阻值是电阻值Rd与电阻值ΔRt之和。电阻值ΔRt随线圈电阻值Rc的温度变化而变化。负电阻(Rd+ΔRt)21是一个正常电阻，整个负电阻电路2显示出负电阻特性，即随着加在两端的电压增加，流过的电流减小。

地震检波器1中线圈11的一端的输出信号通过接线17输入到反相输入端(-)31上。线圈11的另一端接地。运算放大器20的输出端33的输出信号通过带有电阻器(R1)23的第1反馈电路22输入到反相输入端31。此外，运算放大器20的输出端33的输出信号通过带有电阻器(R2)25的反馈电路24输入到非反相输入端32。

从输出端33输出的信号为施加到地震检波器1上的振动加速度。

这种配置的负阻电路2可以产生以下作用和效果

可以切割。

(a)因为在地震检波器1的输出信号中加入了负电阻(Rd+ΔRt)21，因此测量范围扩大，还可以测量低频域响应。

(b)通过增加一个电路（负电阻(Rd+ΔRt)21）抵消由温度引起的线圈电阻Rc的变化，从而提高了电路的稳定性。

(c)负阻电路2不使用控制线圈，因此电路配置简单。

(d)通过另外布置的积分电路对输出端33的输出信号进行积分，可以输出速度和位移。

一般而言，有三种可能的方法通过地震检波器测量长周期（低频范围）成分：1）反向滤波；2）正反馈；3）负反馈。1）反向滤波器的缺点包括粉红噪声会被放大，以及低频范围内的热稳定性差。2)通过正反馈稳定滤波电路的难度高；3)负反馈可通过使用运算放大器并添加带通滤波器和高增益滤波器来稳定频率响应整形，但其缺点是当阻尼增加时，热稳定性会降低。

本发明基于所述负阻电路2的构成，在实现所述(a)至(d)项作用和效果的同时，不会造成所述1)至3)项的弊端。

本发明实施例的地震检波器1的负阻电路（NIC电路）2可以高灵敏度和高精度地测量长周期(低频范围）的振动。这是通过在运算放大器20的非反相输入端32上添加负阻(Rd+ΔRt)21，并且配置了拓宽低频范围内响应的负反馈电路22、24来实现的。

由于地震检波器1中只有一个感应线圈11，因此需要作温度补偿。线圈11的电阻会随着温度的升高而增大。负电阻必须始终小于线圈电阻，否则电路就会发散。因此，在负电阻21中插入了一个电阻值随温度升高而增大的电阻（温度补偿电阻）。这样就消除了电路发散现象。

<基于地震检波器的加速度传感器的详细说明>

这里对使用地震检波器1的加速度传感器的细节做进一步说明。如果对地震检波器（电磁式速度传感器）1的线圈11的输出信号乘以较大的阻尼，作为频率特性的频率带宽就会在自然周期附近变宽，摆锤（弹簧13和极片18）的运动就会表现为速度。通过线圈11和磁铁15、16进行微分，从而输出加速度（图2）。

图2显示了阻尼常数ζ变化时摆锤的运动。其中横轴为ω/ωn，纵轴为相对于正确值的输出倍率。

ωn为无阻尼时的自然圆周频率。阻尼常数ζ是阻尼系数C与临界阻尼系数Ccr=2√km的比值。

对于典型的地震检波器，可以通过短接地震检波器的输出端（线圈11的两端）来增加阻尼常数ζ。但由于还存在线圈电阻Rc，通过这种方法增加阻尼常数ζ是有限。

图3显示了输出信号相对于振动测量对象位移的相位延迟。

由于线圈11中存在线圈电阻Rc，无法进一步降低电阻。但如图4所示，可以通过连接负电阻(Rd+ΔRt)21来降低线圈电阻。负电阻(Rd+ΔRt)21越大，可测量到越长周期的成分。

然而，负电阻(Rd+ΔRt)21的电阻值应设计为即使温度发生变化也小于线圈电阻Rc。因为线圈11的电阻Rc和负电阻-(Rd+ΔRt)21在反转时会使电路发散。

本技术通过增加一个负阻电路（负阻21）来抵消线圈电阻Rc因温度而产生的变化，从而稳定电路。

还可以通过在运算放大器20的输出端33上添加一个积分电路（图中未显示）来输出速度和位移。

负电阻虽然是一种众所周知的技术，但本发明的创新之处在于通过增加一个负电阻21来抵消因温度引起的线圈电阻Rc的变化，从而达到稳定负电阻电路2的目的。

图5为小型振动台的验证实验结果。本发明加速度传感器(SK-2G)与现有高精度伺服型加速度传感器的(STP-100S)在较大振幅下两类传感器具有相同的精度。

图6为小振幅长周期条件下的验证实验结果。现有伺服型加速度传感器STP-100S在小振幅下噪声较大，不能很好的识别长周期成分。本发明加速度传感器(SK-4.5,SK-2G)则显示出更高精度。

图7为积分电路。通过将输入信号以电荷的形式存储在OP放大器的非反相输入端和反馈回路中的电容器上，从而实现积分功能。

图8为电压增益的频率特性。经过1.0Hz时电压增益为0dB的点，其斜率为20dB/dec（0.1Hz时的振幅是其10倍，10Hz时的振幅是其1/10），具有均匀衰减的特性。

图9为不同频率下积分电路与高精度激光位移传感器(KeyenceIL-300)的比较。如图所示，利用本发明的积分电路对本发明的加速度传感器得到的加速度响应进行积分，在不同输入频率下都可得到与高精度激光位移传感器(KeyenceIL-300)基本一致的结果。

由于地震检波器1只有一个探测线圈11，需要进行温度补偿。而通过一个负电阻21来解决温度补偿的问题是本发明的创新之处。

工业实用性：本发明可用于地震仪或者土木建筑领域的加速度传感器。

Claims (4)

1.一种加速度传感器，包含带有一个线圈的地震检波器和负阻电路，其特征在于：

所述负阻电路中具有：运算放大器、负电阻、第1电阻器（R1）、和第2电阻器（R2），

所述运算放大器中包括：反相输入端子、非反相输入端子、输出端子、将输出端子的输出返回反相输入端子的第1反馈电路、以及将输出端子的输出返回非反相输入端子的第2反馈电路，

所述第1电阻器(R1)位于第1反馈电路中，第2电阻器(R2)位于第2反馈电路中，

所述地震检波器的所述线圈的输出，被输入到所述运算放大器的反相输入端，

所述负电阻连接到所述运算放大器的所述非反相输入端。

2.根据权利要求1所述的加速度传感器，其特征在于：

所述检波器中包括：容器、分别位于容器上下两端的一对磁轭、安装在每个磁轭内的一对永久磁铁、通过弹簧和线圈布置在所述一对永久磁铁之间的空间内的极片、所述线圈，

所述线圈配置于容器中极片外侧的空间内，由所述弹簧支撑。

3.根据权利要求1所述的加速度传感器，其特征在于：

所述负电阻的阻值即使在温度发生变化的情况下，也小于线圈的阻值。

4.根据权利要求1所述的加速度传感器，其特征在于：

所述负电阻的未连接到所述运算放大器的一端、以及所述地震检波器的所述线圈的未连接到所述运算放大器的一端均接地，利用电路积分把加速度响应转换为与位移。