專利名稱：可同時測量加速度和速度的低頻多輸出無源伺服振動傳感器的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種測量儀器，尤其涉及一種振動測量傳感器。
背景技術：
振動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傳感器是加速度計，測試方法也以加速度測量為主，加速度對中高頻信號敏感，因此機械振動、沖擊碰撞等領域的振動測試多為加速度測量，加速度測量也是技術最為成熟的振動測量方法。隨著科學技術的發展，低頻振動問題越來越受到重視，以下領域都涉及到低頻振動測量I.橋梁、樓房、大壩等土木水利工程結構的動力學實驗、結構健康監測等。2.地震領域，如地震觀測和強震觀測。3.國防技術，如飛機、火箭等高端設備中大量使用振動傳感器進行各部位的振動監測，姿態控制和慣性導航也會使用低頻傳感器。4.地質和礦產勘探，如石油勘探大量使用包括低頻地震檢波器在內的各種地震檢波器。5.生物動力學研究，如研究振動對人體不同器官的影響時，需要使用振動傳感器測量振動信號。6.精密加工和制造技術。由于速度和位移對低頻信號更敏感，因此很多低頻振動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完成，如力平衡式加速度計、壓阻加速度計等；2.利用加速度計，通過對加速度信號進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“無源伺服式往復擺多功能拾振器”完成低頻振動信號的測量。這些測試方法存在的不足有I.低頻加速度計，如力平衡式加速度計、壓阻加速度計等無法直接測量速度和位移。2.通過對加速度信號進行一次和兩次積分測量速度和位移會帶來一些問題，尤其振動信號含有低頻信息時進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并公布了對比結果，結果證實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.根據公開的技術資料，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，價格也非常昂貴，很難滿足工程低頻振動測量的需求。4. “無源伺服式往復擺多功能拾振器”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測量中應用較多，其不足在于無法同時完成兩個物理量的測量，例如在測量加速度時，無法測量速度，如果需要同時測量多個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雜性；
實用新型內容本實用新型提供一種可同時測量加速度和速度的低頻多輸出無源伺服振動傳感器，其目的是用單個傳感器，不對信號進行數學處理，就可以實現同時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構的振動測試。本實用新型解決其技術問題所采用的技術方案是 一種可以同時測量加速度和速度的低頻多輸出無源伺服振動傳感器，其特征在于基座、上套和上蓋依次連接組成中空外殼；基座上固設有永磁體，永磁體上固設有軟鐵，軟鐵周邊固設有銜鐵，軟鐵和銜鐵之間的間隙中設有線圈架，線圈架以彈簧片與銜鐵連接；線圈架上設有第一接線柱、第二接線柱、第三接線柱；線圈架上纏繞有線圈匝數依次減少的主線圈、副線圈、標定線圈，主線圈、副線圈、標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有電容；第一接線柱與前電路端子連接，后電路端子與設在上蓋上的信號輸出一連接，第二接線柱與設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□。上述技術方案的有益之處在于I.與低頻地震檢波器相比，擴展了低頻測量范圍可測量O. IHz的振動信號，較普通的低頻地震檢波器大大擴展了低頻測量范圍，且結構簡單，使用方便，彈性元件不易損壞。2.與低頻加速度計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.與無源伺服式往復擺多功能拾振器相比，可同時測量加速度和速度，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測量多個物理量的問題，簡化了測量手段，降低了測量成本。4.通過在主線圈上并聯一個大小合適的電容，構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測量任務；在實現無源伺服反饋的同時，通過在線圈架上纏繞多組線圈，分別構成了速度擺速度計和速度擺加速度計，利用單個傳感器實現了加速度和速度的同時測量。
以下結合附圖
和實施例對本實用新型進一步說明。圖I是本實用新型剖面示意圖；圖2是本實用新型線圈架側視圖；圖3是本實用新型線圈架俯視圖；[0032]圖4是本實用新型外觀圖；圖5是本實用新型電路圖。
具體實施方式
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基座上固設有永磁體2，永磁體2上固設有軟鐵4，軟鐵4周邊固設有銜鐵7，永磁體
2、基座I、軟鐵4和銜鐵7共同·構成了閉合磁路，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，構成了擺系統。線圈架5上設有第一接線柱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，纏繞的線圈匝數最多；第二組線圈稱為副線圈，纏繞的線圈匝數次多；第三組線稱為標定線圈，纏繞的匝數最少。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，從而實現了單個傳感器同時測量加速度和速度。標定線圈和第三接線柱16連接，用于生產過程中的參數測量。本實用新型的測量原理如下通過在主線圈并聯一個合適的電容，構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特性，實現了速度測量；副線圈直接連接信號輸出二 13，構成速度擺加速度計，實現了加速度測量。擺體的傳遞函數表達式為
77, , Xms^(sCR + l)
JJ (、■) 二 —=.丨
X niCRs' +f/ / + G12C ).v2 + kCRs +k(y速度測量的傳遞函數表達式為
H(__GlTns_
— mCR^ + (m +G]2C)s2 + kCRs +k加速度測量的傳遞函數表達式為
…^G,ms(sCR +1)
_fj (S) =--- =---
mCRs7' + (m + G12C)^2 + kCIk + k(。、在上述三個表達式(I)、式(2)、式(3)中各參數的意義如下X—擺體運動部分(即線圈6和線圈架5)相對于外殼的位移；X——被測結構的絕對位移；m-擺體運動部分的質量；[0046]C——測量電路中的電容值；R——主線圈內阻；G1——主線圈機電耦合系數；G2——副線圈機電耦合系數；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。在本實施例中，永磁體使用鋁鎳鈷永磁材料，通過合理設計磁路結構，磁縫隙處的磁場強度為O. 3T-0. 5T，擺體的自振頻率
權利要求1.一種可以同時測量加速度和速度的低頻多輸出無源伺服振動傳感器，其特征在于基座、上套和上蓋依次連接組成中空外殼；基座上固設有永磁體，永磁體上固設有軟鐵，軟鐵周邊固設有銜鐵，軟鐵和銜鐵之間的間隙中設有線圈架，線圈架以彈簧片與銜鐵連接；線圈架上設有第一接線柱、第二接線柱、第三接線柱；線圈架上纏繞有線圈匝數依次減少的主線圈、副線圈、標定線圈，主線圈、副線圈、標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有電容；第一接線柱與前電路端子連接，后電路端子與設在上蓋上的信號輸出一連接，第二接線柱與設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。
專利摘要本實用新型提供一種可以同時測量加速度和速度的低頻多輸出無源伺服振動傳感器，其特征在于基座、上套和上蓋依次連接組成中空外殼；基座上固設有永磁體，永磁體上固設有軟鐵，軟鐵周邊固設有銜鐵，軟鐵和銜鐵之間的間隙中設有線圈架，線圈架以彈簧片與銜鐵連接；線圈架上設有三個接線柱；線圈架上纏繞有主線圈、副線圈、標定線圈，主線圈、副線圈、標定線圈分別與三個接線柱連接；電路板上設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。本實用新型用單個傳感器，不對信號進行數學處理，就可以實現同時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 優先權日2012年7月24日
發明者匙慶磊, 楊學山 申請人:嘉興市振恒電子技術有限責任公司