專利名稱：可同時(shí)測量加速度和速度的低頻多輸出無源伺服振動(dòng)傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種測量儀器，尤其涉及一種振動(dòng)測量傳感器。
背景技術(shù)：
振動(dòng)測試是一種常見的測試，測量物理量有加速度、速度和位移。目前絕大部分的振動(dòng)傳感器是加速度計(jì)，測試方法也以加速度測量為主，加速度對中高頻信號敏感，因此機(jī)械振動(dòng)、沖擊碰撞等領(lǐng)域的振動(dòng)測試多為加速度測量，加速度測量也是技術(shù)最為成熟的振動(dòng)測量方法。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，低頻振動(dòng)問題越來越受到重視，以下領(lǐng)域都涉及到低頻振動(dòng)測量I.橋梁、樓房、大壩等土木水利工程結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測等。2.地震領(lǐng)域，如地震觀測和強(qiáng)震觀測。3.國防技術(shù)，如飛機(jī)、火箭等高端設(shè)備中大量使用振動(dòng)傳感器進(jìn)行各部位的振動(dòng)監(jiān)測，姿態(tài)控制和慣性導(dǎo)航也會使用低頻傳感器。4.地質(zhì)和礦產(chǎn)勘探，如石油勘探大量使用包括低頻地震檢波器在內(nèi)的各種地震檢波器。5.生物動(dòng)力學(xué)研究，如研究振動(dòng)對人體不同器官的影響時(shí)，需要使用振動(dòng)傳感器測量振動(dòng)信號。6.精密加工和制造技術(shù)。由于速度和位移對低頻信號更敏感，因此很多低頻振動(dòng)測試除了測量加速度外還會測量速度及位移，目前的低頻振動(dòng)測量多使用以下手段I.低頻加速度測量直接利用低頻加速度計(jì)完成，如力平衡式加速度計(jì)、壓阻加速度計(jì)等；2.利用加速度計(jì)，通過對加速度信號進(jìn)行一次積分和兩次積分測量速度和位移；3. 一些低頻速度信號的測量使用低頻地震檢波器完成。4.利用“無源伺服式往復(fù)擺多功能拾振器”完成低頻振動(dòng)信號的測量。這些測試方法存在的不足有I.低頻加速度計(jì)，如力平衡式加速度計(jì)、壓阻加速度計(jì)等無法直接測量速度和位移。2.通過對加速度信號進(jìn)行一次和兩次積分測量速度和位移會帶來一些問題，尤其振動(dòng)信號含有低頻信息時(shí)進(jìn)行兩次積分會加大低頻測量誤差，日本東京測振株式會社曾對此做過對比試驗(yàn)并公布了對比結(jié)果，結(jié)果證實(shí)了兩次積分會加大低頻測量誤差，一次積分帶來的測量誤差較小。3.根據(jù)公開的技術(shù)資料，低頻地震檢波器的頻率最低可到1Hz，而很多測試需要測量IHz以下的振動(dòng)信號，且IHz的地震檢波器體積大，重量大、彈性元件極易損壞，價(jià)格也非常昂貴，很難滿足工程低頻振動(dòng)測量的需求。4. “無源伺服式往復(fù)擺多功能拾振器”可完成低頻加速度、速度和位移(通過速度的一次積分)的測量，此類傳感器在低頻振動(dòng)測量中應(yīng)用較多，其不足在于無法同時(shí)完成兩個(gè)物理量的測量，例如在測量加速度時(shí)，無法測量速度，如果需要同時(shí)測量多個(gè)物理量則需要安裝兩支此類拾振器，這通常意味著增加了測試成本和測試的復(fù)雜性；

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型提供一種可同時(shí)測量加速度和速度的低頻多輸出無源伺服振動(dòng)傳感器，其目的是用單個(gè)傳感器，不對信號進(jìn)行數(shù)學(xué)處理，就可以實(shí)現(xiàn)同時(shí)測量加速度和速度信號，且傳感器具有良好的低頻特性，能夠滿足土木水利工程結(jié)構(gòu)的振動(dòng)測試。本實(shí)用新型解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是 一種可以同時(shí)測量加速度和速度的低頻多輸出無源伺服振動(dòng)傳感器，其特征在于基座、上套和上蓋依次連接組成中空外殼；基座上固設(shè)有永磁體，永磁體上固設(shè)有軟鐵，軟鐵周邊固設(shè)有銜鐵，軟鐵和銜鐵之間的間隙中設(shè)有線圈架，線圈架以彈簧片與銜鐵連接；線圈架上設(shè)有第一接線柱、第二接線柱、第三接線柱；線圈架上纏繞有線圈匝數(shù)依次減少的主線圈、副線圈、標(biāo)定線圈，主線圈、副線圈、標(biāo)定線圈分別與第一接線柱、第二接線柱、第三接線柱連接；電路板上設(shè)有前電路端子和后電路端子，前電路端子和后電路端子之間并聯(lián)有電容；第一接線柱與前電路端子連接，后電路端子與設(shè)在上蓋上的信號輸出一連接，第二接線柱與設(shè)在上蓋上的信號輸出二連接；信號輸出一和信號輸出二共同組成了輸出接□。上述技術(shù)方案的有益之處在于I.與低頻地震檢波器相比，擴(kuò)展了低頻測量范圍可測量O. IHz的振動(dòng)信號，較普通的低頻地震檢波器大大擴(kuò)展了低頻測量范圍，且結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，彈性元件不易損壞。2.與低頻加速度計(jì)相比增加了速度和位移測量功能，其中速度信號直接測量，位移則通過速度的一次積分，避免了兩次積分帶來較大測量誤差。3.與無源伺服式往復(fù)擺多功能拾振器相比，可同時(shí)測量加速度和速度，且加速度和速度為直接測量，不使用積分處理手段，位移測量使用一次積分，解決了單只拾振器同時(shí)測量多個(gè)物理量的問題，簡化了測量手段，降低了測量成本。4.通過在主線圈上并聯(lián)一個(gè)大小合適的電容，構(gòu)成無源伺服反饋回路，大大改善了傳感器的低頻特性，可以完成普通電磁式傳感器無法完成的低頻振動(dòng)測量任務(wù)；在實(shí)現(xiàn)無源伺服反饋的同時(shí)，通過在線圈架上纏繞多組線圈，分別構(gòu)成了速度擺速度計(jì)和速度擺加速度計(jì)，利用單個(gè)傳感器實(shí)現(xiàn)了加速度和速度的同時(shí)測量。
以下結(jié)合附圖
和實(shí)施例對本實(shí)用新型進(jìn)一步說明。圖I是本實(shí)用新型剖面示意圖；圖2是本實(shí)用新型線圈架側(cè)視圖；圖3是本實(shí)用新型線圈架俯視圖；[0032]圖4是本實(shí)用新型外觀圖；圖5是本實(shí)用新型電路圖。
具體實(shí)施方式
如圖I、圖4所示，方形基座I、圓柱形上套9和圓形上蓋11依次連接組成中空外殼；1基座上固設(shè)有永磁體2，永磁體2上固設(shè)有軟鐵4，軟鐵4周邊固設(shè)有銜鐵7，永磁體
2、基座I、軟鐵4和銜鐵7共同·構(gòu)成了閉合磁路，定位套3用于固定用永磁鐵2，壓圈8用于固定銜鐵7，軟鐵4和銜鐵7之間有縫隙，如圖2、圖3所示的線圈架5置于縫隙中，線圈架5通過彈簧片(圖中未示)和銜鐵7連接，線圈6繞在線圈架5上，構(gòu)成了擺系統(tǒng)。線圈架5上設(shè)有第一接線柱14、第二接線柱15、第三接線柱16。如圖5所示的測量電路包括前電路端子18，后電路端子19和并聯(lián)的電容17，測量電路安裝在電路板10上，電路板10由上蓋11和上套9固定。線圈6包含三組線圈，第一組線圈稱為主線圈，纏繞的線圈匝數(shù)最多；第二組線圈稱為副線圈，纏繞的線圈匝數(shù)次多；第三組線稱為標(biāo)定線圈，纏繞的匝數(shù)最少。主線圈和第一接線柱14連接，第一接線柱14和測量電路的前電路端子18連接，測量電路的后電路端子19直接連接信號輸出一 12，成為傳感器的速度輸出；副線圈直接和第二接線柱15相連，第二接線柱15直接連接信號輸出二 13，成為傳感器的加速度輸出，從而實(shí)現(xiàn)了單個(gè)傳感器同時(shí)測量加速度和速度。標(biāo)定線圈和第三接線柱16連接，用于生產(chǎn)過程中的參數(shù)測量。本實(shí)用新型的測量原理如下通過在主線圈并聯(lián)一個(gè)合適的電容，構(gòu)成無源伺服反饋回路，在反饋力作用下，速度輸出端是速度擺速度計(jì)特性，實(shí)現(xiàn)了速度測量；副線圈直接連接信號輸出二 13，構(gòu)成速度擺加速度計(jì)，實(shí)現(xiàn)了加速度測量。擺體的傳遞函數(shù)表達(dá)式為
77, , Xms^(sCR + l)
JJ (、■) 二 —=.丨
X niCRs' +f/ / + G12C ).v2 + kCRs +k(y速度測量的傳遞函數(shù)表達(dá)式為
H(__GlTns_
— mCR^ + (m +G]2C)s2 + kCRs +k加速度測量的傳遞函數(shù)表達(dá)式為
…^G,ms(sCR +1)
_fj (S) =--- =---
mCRs7' + (m + G12C)^2 + kCIk + k(。、在上述三個(gè)表達(dá)式(I)、式(2)、式(3)中各參數(shù)的意義如下X—擺體運(yùn)動(dòng)部分(即線圈6和線圈架5)相對于外殼的位移；X——被測結(jié)構(gòu)的絕對位移；m-擺體運(yùn)動(dòng)部分的質(zhì)量；[0046]C——測量電路中的電容值；R——主線圈內(nèi)阻；G1——主線圈機(jī)電耦合系數(shù)；G2——副線圈機(jī)電耦合系數(shù)；k——擺體中彈簧片剛度；ev-傳感器速度輸出電壓； ea——傳感器加速度輸出電壓；s——拉普拉斯算子。在本實(shí)施例中，永磁體使用鋁鎳鈷永磁材料，通過合理設(shè)計(jì)磁路結(jié)構(gòu)，磁縫隙處的磁場強(qiáng)度為O. 3T-0. 5T，擺體的自振頻率
權(quán)利要求1.一種可以同時(shí)測量加速度和速度的低頻多輸出無源伺服振動(dòng)傳感器，其特征在于基座、上套和上蓋依次連接組成中空外殼；基座上固設(shè)有永磁體，永磁體上固設(shè)有軟鐵，軟鐵周邊固設(shè)有銜鐵，軟鐵和銜鐵之間的間隙中設(shè)有線圈架，線圈架以彈簧片與銜鐵連接；線圈架上設(shè)有第一接線柱、第二接線柱、第三接線柱；線圈架上纏繞有線圈匝數(shù)依次減少的主線圈、副線圈、標(biāo)定線圈，主線圈、副線圈、標(biāo)定線圈分別與第一接線柱、第二接線柱、第三接線柱連接；電路板上設(shè)有前電路端子和后電路端子，前電路端子和后電路端子之間并聯(lián)有電容；第一接線柱與前電路端子連接，后電路端子與設(shè)在上蓋上的信號輸出一連接，第二接線柱與設(shè)在上蓋上的信號輸出二連接；信號輸出一和信號輸出二共同組成了輸出接口。
專利摘要本實(shí)用新型提供一種可以同時(shí)測量加速度和速度的低頻多輸出無源伺服振動(dòng)傳感器，其特征在于基座、上套和上蓋依次連接組成中空外殼；基座上固設(shè)有永磁體，永磁體上固設(shè)有軟鐵，軟鐵周邊固設(shè)有銜鐵，軟鐵和銜鐵之間的間隙中設(shè)有線圈架，線圈架以彈簧片與銜鐵連接；線圈架上設(shè)有三個(gè)接線柱；線圈架上纏繞有主線圈、副線圈、標(biāo)定線圈，主線圈、副線圈、標(biāo)定線圈分別與三個(gè)接線柱連接；電路板上設(shè)有前電路端子和后電路端子，前電路端子和后電路端子之間并聯(lián)有電容；第一接線柱與前電路端子連接，后電路端子與信號輸出一連接，第二接線柱與信號輸出二連接。本實(shí)用新型用單個(gè)傳感器，不對信號進(jìn)行數(shù)學(xué)處理，就可以實(shí)現(xiàn)同時(shí)測量加速度和速度信號。
文檔編號G01H11/00GK202720048SQ20122035921
公開日2013年2月6日 申請日期2012年7月24日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月24日
發(fā)明者匙慶磊, 楊學(xué)山 申請人:嘉興市振恒電子技術(shù)有限責(zé)任公司