CN200962055Y - 力平衡振动传感器 - Google Patents

Abstract

力平衡振动传感器，它涉及用于测量低频振动信号及大地脉动信号的传感器，它解决了现有的测力传感器在测量低频振动信号及大地脉动时精确度低的问题。它的中间极板(2)的边缘悬于上极板(1)和下极板(3)之间，线圈(7)缠绕在线圈附座(8)上并固定在中间极板(2)的下表面，线圈(7)置于所述下部件(12)的永磁体(6)所形成的环形磁隙(4－1)中，印制板(9)上的电路将中间极板(2)与上极板(1)和下极板(3)的相对位移转化为电压信号，此电压信号经过放大后由反馈电路以电流的形式输出给线圈(7)的两端。它的频率响应范围为DC～120Hz、动态范围大于120DB，可以广泛地应用于地震、建筑等领域。

Description

力平衡振动传感器

技术领域

本实用新型涉及用于测量低频振动信号及大地脉动信号的传感器。

背景技术

传统的振动电容传感器，它利用谐振片振荡改变电容量的原理实现对被振动物体检测，适合于检测各种物体振动，自动化控制之用，使用效果好，方便、可靠，抗声波电磁场干扰能力强，但是其在测量低频振动信号及大地脉动信号时精确度低，无法获得所需要的低频振动信号及大地脉动信号，例如公开号为2149661的振动传感器。

实用新型内容

为了解决现有的测力传感器在测量低频振动信号及大地脉动时精确度低的问题，从而研制了一种力平衡振动传感器，它由外壳、印制板、上部件和下部件构成，上部件、下部件和印制板位于外壳与下部件的下表面所形成的封闭空腔内，上部件和下部件通过紧固件固定；所述上部件包括上极板、中间极板、上质量块、线圈和线圈附座，上极板固定在上质量块的下表面，中间极板悬于上极板的正下方且留有间隙，线圈缠绕在线圈附座的外表面上，并且线圈附座固定在中间极板的下表面上；所述下部件包括永磁体、下极板和下质量块，下极板固定在下质量块的上表面，永磁体固定在下质量块上；所述上部件的线圈置于所述下部件的永磁体所形成的环形磁隙中，中间极板的边缘悬于所述下极板的正上方且留有间隙，上极板、中间极板和下极板分别与印制板的信号处理端相连，印制板上的电路将中间极板与上极板和下极板的相对位移转化为电压信号，此电压信号经过放大后由反馈电路以电流的形式输出给线圈的两端。

本实用新型的敏感元件是附加在可动质量上的可变电容器，所述可动质量即中间极板，其下面连着一个施加平衡力的线圈，线圈正好落在一个环形磁隙中，磁隙的磁场由新型强材料钕铁硼永磁体提供。当被测物体运动时，电容器的动片和定片之间产生相对位移，该相对位移经电路变为电压信号，被放大后经由反馈电路以电流的形式送给可动质量上的线圈，通过线圈与环形磁隙磁场的相互作用产生一个与被测加速度施加给可动质量的大小相等、方向相反的安培力，这就是力平衡的来历。加速度计的输出电压与反馈电流成比例，自然就与被测加速度成比例了。

本实用新型的特点是：采用圆柱形铝合金外壳坚固耐用、体积小、零漂小、分辨率高、频率响应范围为DC～120HZ、动态范围大于120DB，可以广泛地应用于地震、建筑、军事、交通、机械、航海等领域的振动测量。

附图说明

图1是本实用新型的剖面示意图，图2是所述上部件11的仰视图，图3是所述下部件12的俯视图，图4是所述印制板9的电路结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：参见图1至图3，本具体实施方式的传感器由外壳10、印制板9、上部件11和下部件12构成，上部件11、下部件12和印制板9位于外壳10与下部件12的下表面所形成的封闭空腔内，上部件11和下部件12通过紧固件固定；所述上部件11包括上极板1、中间极板2、上质量块5、线圈7和线圈附座8，上极板1固定在上质量块5的下表面，中间极板2悬于上极板1的正下方且留有间隙，线圈7缠绕在线圈附座8的外表面上，并且线圈附座8固定在中间极板2的下表面上；所述下部件12包括永磁体6、下极板3和下质量块4，下极板3固定在下质量块4的上表面，永磁体6固定在下质量块4上；所述上部件11的线圈7置于所述下部件12的永磁体6所形成的环形磁隙4-1中，中间极板2的边缘悬于所述下极板3的正上方且留有间隙，上极板1、中间极板2和下极板3分别与印制板9的信号处理端相连，印制板9上的电路将中间极板2与上极板1和下极板3的相对位移转化为电压信号，此电压信号经过放大后由反馈电路以电流的形式输出给线圈7的两端。所述永磁体6为中空结构体，且所述永磁体6的内部填充有阻尼液。所述外壳10采用铝合金制成，整个传感器成圆柱形。所述永磁体6采用新型强材料钕铁硼材料。如图2所示，所述上部件11均匀开有四个轴向通孔18，如图3所示，所述下部件12均匀开有四个轴向螺纹盲孔19，螺钉等紧固件(如图1所示螺钉16、17)穿过通孔18插入盲孔19中使上部件11和下部件12固定在一起。

具体实施方式二：参见图1至图3，本具体实施方式与具体实施方式一的不同点是：所述下质量块4为圆柱体，所述下质量块4的中部开有一圆形盲孔，所述永磁体6固定于所述盲孔的中心，且所述永磁体6的外壁与所述盲孔的壁之间留有环形间隙，此环形间隙构成所述环形磁隙4-1。其他组成与具体实施方式一相同。本具体实施方式采用内嵌式结构实现环形磁隙，方法简单，缩小了传感器的体积。

具体实施方式三：参见图1至图3，本具体实施方式与具体实施方式一的不同点是：所述线圈附座8为圆筒形结构体，且所述线圈附座8的外表面沿圆周方向开有槽，所述线圈7缠绕成环形嵌在线圈附座8的外表面的槽内，并且所述线圈7位于所述环形磁隙4-1内。本具体实施方式的线圈附座8下部中空，当所述线圈7位于所述环形磁隙4-1内时，永磁体6正好位于其中空部位，从而使线圈7充分地置于环形磁隙4-1内，且使传感器结构紧缩。其他组成与具体实施方式一相同。

具体实施方式四：参见图1至图3，本具体实施方式与具体实施方式三的不同点是：所述上极板1、所述下极板3分别为非导电体制成的横截面是开口圆环形的结构体，且所述上极板1的下表面上靠近开口圆环形中心一侧的边缘处粘接有开口圆环形的第一薄导电片1-1，所述下极板3的上表面上靠近开口圆环形中心一侧的边缘处粘接有开口圆环形的第三薄导电片3-1；所述中间极板2为非导电体制成的横截面圆周由圆弧线和直线构成的圆柱体，且所述中间极板2的上、下表面的圆弧线侧边沿处分别粘接有一个开口圆环形的第二薄导电片2-1，两个第二薄导电片2-1位于第一薄导电片1-1和第三薄导电片3-1之间。其他组成与具体实施方式三相同。本具体实施方式镶嵌电极的方式结构简单，而且节省了材料、节约了成本、缩小了传感器体积。

具体实施方式五：参见图1至图3，本具体实施方式与具体实施方式四的不同点是：所述上部件11还包括固定架14和簧片13，所述上极板1固定在所述上质量块5的下表面的一侧，固定架14的上表面固定在所述上质量块5的下表面的另一侧，所述中间极板2的直线侧通过两个簧片13固定在固定架14的下表面从而使所述中间极板2的两个第二薄导电片2-1悬于所述上极板1的第一薄导电片1-1的下表面和所述下极板3的第三薄导电片3-1的上表面之间。其他组成与具体实施方式四相同。两个簧片13分别通过四个紧固件15固定在中间极板2的直线侧和固定架14上。本具体实施方式的可动质量，即中间极板2上通过两个对称的簧片与固定架14相连，中间极板与簧片构成了一个典型的弹簧-振子系统。

具体实施方式六：参见图1至图3，本具体实施方式与具体实施方式五的不同点是：所述印制板9上的电路由正弦波振荡器9-1、第一放大电路9-2、第二放大电路9-3、第一运算放大器Q1、第二运算放大器Q2、第一结型场效应管T1、第二结型场效应管T2、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第六电阻R6、第七电阻R7、第一电容C1、第二电容C2、滤波电路9-4、第一直流电源+VA和第二直流电源-VB组成，所述第一薄导电片1-1的引出电极连接第一电阻R1的一端和第一放大电路9-2的输出端，第一放大电路9-2的输入端连接正弦波振荡器9-1的输出端，第一电阻R1的另一端连接第二电阻R2的一端和第一运算放大器Q1的反相输入端，第一运算放大器Q1的同相输入端接地，第二电阻R2的另一端连接所述第三薄导电片3-1的引出电极、第一运算放大器Q1的输出端和第一电容C1的一端，第一电容C1的另一端连接第三电阻R3的一端和第一结型场效应管T1的栅极，第三电阻R3的另一端连接第一结型场效应管T1的漏极并接地，第一结型场效应管T1的源极连接滤波电路9-4的输入端和第二电容C2的一端，所述两个第二薄导电片2-1的引出电极并接在一起并且连接第二结型场效应管T2的栅极，第二结型场效应管T2的源极连接第一直流电源+VA输出端，第二结型场效应管T2的漏极通过第四电阻R4连接第二直流电源-VB的输出端，第二结型场效应管T2的漏极连接第二电容的另一端，滤波电路9-4的输出端连接第二运算放大器Q2的同相输入端，第二运算放大器Q2的反相输入端连接第六电阻R6的一端和第七电阻R7的一端，第六电阻R6的另一端接地，第七电阻R7的另一端和第二运算放大器Q2的输出端分别连接所述线圈7的两端，第七电阻R7的另一端通过第二放大电路9-3的输出作为传感器信号。本具体实施方式采用交流偏置技术，在提高分辨率的同时，把零漂降至最小。其他组成与具体实施方式五相同。所述第一放大电路9-2和第二放大电路9-3均采用运算放大器构成的比例放大电路，如图4所示，第一放大电路9-2为反相比例放大电路，第二放大电路9-3为同相比例放大电路；正弦波振荡器9-1可以为RC正弦波振荡器，所述RC正弦波振荡器可以采用RC串并联网络振荡器。所述滤波电路9-4用于除去高频噪声。如图4所示，在正弦波振荡器9-1中还增加了一个二极管、一个结型场效应管等，它们起保护作用，用来限制正弦波振荡器的振荡幅值。

Claims (10)

1、力平衡振动传感器，其特征在于所述传感器由外壳(10)、印制板(9)、上部件(11)和下部件(12)构成，上部件(11)、下部件(12)和印制板(9)位于外壳(10)与下部件(12)的下表面所形成的封闭空腔内，上部件(11)和下部件(12)通过紧固件固定；所述上部件(11)包括上极板(1)、中间极板(2)、上质量块(5)、线圈(7)和线圈附座(8)，上极板(1)固定在上质量块(5)的下表面，中间极板(2)悬于上极板(1)的正下方且留有间隙，线圈(7)缠绕在线圈附座(8)的外表面上，并且线圈附座(8)固定在中间极板(2)的下表面上；所述下部件(12)包括永磁体(6)、下极板(3)和下质量块(4)，下极板(3)固定在下质量块(4)的上表面，永磁体(6)固定在下质量块(4)上；所述上部件(11)的线圈(7)置于所述下部件(12)的永磁体(6)所形成的环形磁隙(4-1)中，中间极板(2)的边缘悬于所述下极板(3)的正上方且留有间隙，上极板(1)、中间极板(2)和下极板(3)分别与印制板(9)的信号处理端相连，印制板(9)上的电路将中间极板(2)与上极板(1)和下极板(3)的相对位移转化为电压信号，此电压信号经过放大后由反馈电路以电流的形式输出给线圈7的两端。

2、根据权利要求1所述的力平衡振动传感器，其特征在于所述永磁体(6)为中空结构体，且所述永磁体(6)的内部填充有阻尼液。

3、根据权利要求1所述的力平衡振动传感器，其特征在于所述下质量块(4)为圆柱体，所述下质量块(4)的中部开有一圆形盲孔，所述永磁体(6)固定于所述盲孔的中心，且所述永磁体(6)的外壁与所述盲孔的壁之间留有环形间隙，此环形间隙构成所述环形磁隙(4-1)。

4、根据权利要求1所述的力平衡振动传感器，其特征在于所述线圈附座(8)为圆筒形结构体，且所述线圈附座(8)的外表面沿圆周方向开有槽，所述线圈(7)缠绕成环形嵌在线圈附座(8)的外表面的槽内，并且所述线圈(7)位于所述环形磁隙(4-1)内。

5、根据权利要求1、2、3或4所述的力平衡振动传感器，其特征在于所述上极板(1)、所述下极板(3)分别为非导电体制成的横截面是开口圆环形的结构体，且所述上极板(1)的下表面上靠近开口圆环形中心一侧的边缘处粘接有开口圆环形的第一薄导电片(1-1)，所述下极板(3)的上表面上靠近开口圆环形中心一侧的边缘处粘接有开口圆环形的第三薄导电片(3-1)；所述中间极板(2)为非导电体制成的横截面圆周由圆弧线和直线构成的圆柱体，且所述中间极板(2)的上、下表面的圆弧线侧边沿处分别粘接有一个开口圆环形的第二薄导电片(2-1)，两个第二薄导电片(2-1)位于第一薄导电片(1-1)和第三薄导电片(3-1)之间。

6、根据权利要求5所述的力平衡振动传感器，其特征在于所述上部件(11)还包括固定架(14)和簧片(13)，所述上极板(1)固定在所述上质量块(5)的下表面的一侧，固定架(14)的上表面固定在所述上质量块(5)的下表面的另一侧，所述中间极板(2)的直线侧通过两个簧片(13)固定在固定架(14)的下表面从而使所述中间极板(2)的两个第二薄导电片(2-1)悬于所述上极板(1)的第一薄导电片(1-1)的下表面和所述下极板(3)的第三薄导电片(3-1)的上表面之间。

7、根据权利要求1或6所述的力平衡振动传感器，其特征在于所述印制板(9)上的电路由正弦波振荡器(9-1)、第一放大电路(9-2)、第二放大电路(9-3)、第一运算放大器(Q1)、第二运算放大器(Q2)、第一结型场效应管(T1)、第二结型场效应管(T2)、第一电阻(R1)、第二电阻(R2)、第三电阻(R3)、第四电阻(R4)、第六电阻(R6)、第七电阻(R7)、第一电容(C1)、第二电容(C2)、滤波电路(9-4)、第一直流电源(+VA)和第二直流电源(-VB)组成，所述第一薄导电片(1-1)的引出电极连接第一电阻(R1)的一端和第一放大电路(9-2)的输出端，第一放大电路(9-2)的输入端连接正弦波振荡器(9-1)的输出端，第一电阻(R1)的另一端连接第二电阻(R2)的一端和第一运算放大器(Q1)的反相输入端，第一运算放大器(Q1)的同相输入端接地，第二电阻(R2)的另一端连接所述第三薄导电片(3-1)的引出电极、第一运算放大器(Q1)的输出端和第一电容(C1)的一端，第一电容(C1)的另一端连接第三电阻(R3)的一端和第一结型场效应管(T1)的栅极，第三电阻(R3)的另一端连接第一结型场效应管(T1)的漏极并接地，第一结型场效应管(T1)的源极连接滤波电路(9-4)的输入端和第二电容(C2)的一端，所述两个第二薄导电片(2-1)的引出电极并接在一起并且连接第二结型场效应管(T2)的栅极，第二结型场效应管(T2)的源极连接第一直流电源(+VA)的输出端，第二结型场效应管(T2)的漏极通过第四电阻(R4)连接第二直流电源(-VB)的输出端，第二结型场效应管(T2)的漏极连接第二电容的另一端，滤波电路(9-4)的输出端连接第二运算放大器(Q2)的同相输入端，第二运算放大器(Q2)的反相输入端连接第六电阻(R6)的一端和第七电阻(R7)的一端，第六电阻(R6)的另一端接地，第七电阻(R7)的另一端和第二运算放大器(Q2)的输出端分别连接所述线圈(7)的两端，第七电阻(R7)的另一端通过第二放大电路(9-3)的输出作为传感器信号。

8、根据权利要求7所述的力平衡振动传感器，其特征在于所述第一放大电路(9-2)和第二放大电路(9-3)均采用运算放大器构成的比例放大电路。

9、根据权利要求7所述的力平衡振动传感器，其特征在于所述正弦波振荡器(9-1)采用RC正弦波振荡器。

10、根据权利要求9所述的力平衡振动传感器，其特征在于所述正弦波振荡器(9-1)采用RC串并联网络振荡器。

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