專利名稱：地震式低頻振動測量裝置的制作方法
技術領域：
本發明屬于振動測量儀器、傳感器、地震儀器領域。
目前國內外在低頻振動測量領域廣泛使用的傳感器有二類，一類是壓電式加速計或伺服式加速度計，適用于測量振動頻率在傳感器結構固有頻率以下。用加速度計測量低頻振動，由于靈敏閾限制(最低為10-6g)且受積分電路漂移影響，對1Hz以下的振動，測量精度較差;另一類是地震式速度傳感器，適用于測量頻率在其結構固有頻率以上的振動，用在工程中測量低頻振動，必須降低其結構的固有頻率。為此，或者要采用剛度很小的彈簧懸掛，或者采用特殊的支承懸掛系統(如CD-7型)。這類傳感器體積大、振動幅值測量范圍受結構限制、可靠性差而且易受非靈敏方向交叉振動的干擾，難以適應工業現場惡劣環境。對速度傳感器采用“線性化”電路適當擴展了使用頻帶，如德國申克公司的VS-169型，將原有頻率為8Hz的傳感器擴展工作頻帶低端到1Hz。將固有頻率為(8～10)Hz以上的地震式傳感器擴展使用頻率至1Hz以下者尚未見報導。
本發明的目的是研制一種體積小，測量頻率范圍廣，特別適用于測量低頻振動、靈敏度高的低頻振動測量裝置。
本發明的內容是在傳感器輸出振動信號后，對該電信號進行后處理，以擴展低頻端頻帶，即在一種固有頻率較高的地震式速度傳感器中增加動態特性校正網絡電路，結合數字遞歸濾波的方法來擴展傳感器測量頻率低頻端的范圍，同時增加了對傳感器元件參數進行檢測的電路及相應的軟件和微機化的測量單元，以對傳感器元件參數進行檢測，測得各元件參數的變化后，在遞歸數字濾波器的系數中加以修正，以確保儀器輸出數據的精確性。所說的動態特性校正網絡電路由二階低通、全通、和二階帶通環節所組成。由三個環節的輸出加權求和以實現校正網絡的零點和原傳感器的極點完全對消，二階低通和二階帶通具有完全相同的極點，這對極點是按照輸出特性的要求而設計的。
所說的微機化測量單元為一計算機及其相應的軟件。
本發明的低頻振動測量裝置也可以不用動態特性校正網絡電路來擴展其固有頻率低頻端的范圍，而只用數字遞歸濾波的方法來實現擴展固有頻率低頻端的范圍。
由于采用了動態特性校正網絡電路，使測量裝置的輸出特性中所呈現的固有頻率為原地震振動傳感器結構固有頻率測量的1/50左右，因而實現了超低頻振動的精確測量。對傳感器元件參數的檢測電路及其相應軟件和微機化測量單元中的遞歸濾波程序進一步保證了測量的精確性，并可使整個測量裝置的輸出特性所呈現的固有頻率有進一步的降低。
說明附圖如下圖1為本發明采用動態校正網絡電路后的傳感器響應特性曲線。
圖2為本發明測量裝置工作原理框圖。
圖3為本發明測量裝置實施例電路原理圖。
結合
本發明的工作原理及實施例如下本發明首先用一個積分和動態特性校正網絡電路對普通傳感器的輸出特性作低頻段的擴展-一般可擴展至原低頻端使用頻率的1/50。地震式動圈速度傳感器的輸出先經過一個積分和放大回路以將輸出改為振動位移并提高低頻振動信號的信噪比。然后將信號通過一個專門設計的動態特性校正網絡電路。校正網絡電路有三個通道組成低通、全通和帶通。這三個通道的傳遞函數的分母都是二階環節，其分母的形式根據所要求的固有頻率和阻率率設計。將三個通道的輸出加權相加。通過改變加法放大器的輸入電阻就可以改變相加的權系數。權系數是根據由原速度傳感器的機電結構參數所確定的傳遞函數而調整的。原速度傳感器的傳遞函數是一個高通型環節，分母是二階系統。權系數的調整使校正網絡的零點和原速度傳感器的極點完全相同，因而通過校正網絡后輸出特性僅反映校正網絡的極點配置(分母)。這一校正網絡的特點還在于調節低通通道的權系數即能單獨調整校正網絡零點的固有頻率，而調節帶通通道的權系數即能調整其阻尼率，因而可以方便地消去原傳感器輸出特性中的極點。圖1是校正前后的傳感器頻率響應特性曲線。曲線A是校正前的，曲線B是校正后的。
動態特性校正網絡電路對原傳感器的結構參數變化是敏感的。磁電式傳感器因環境溫度變化和器件時效而導致磁路磁感應強度的變化和簧片彈簧系數的變化、線圈電阻的變化都可導致傳感器靈敏度、固有頻率和阻尼率的變化。本發明設計了對傳感器元件各參數的檢測電路。在傳感器上串接一個測量電阻，可在測試現場事先檢測傳感器各元件參數的變化情況。然后，通過修正微機化單元中的遞歸型數字濾波器的參數來校正，其具體過程如下首先微機化測量單元可產生予先給定的各個頻率的激振信號。在給定的激振信號下傳感器將起逆向效應，產生一定的振動。在傳感器中串接一個已知阻值的測量電阻，測量該電阻兩端的壓降就可知道流經過回路的激振電流。由此可以算出該傳感器的固有頻率、阻尼率、電阻和電感、靈敏度等。將所測參數和原動態特性校正網絡電路設計參數相比就可知道其偏離原設計校正的程度。微機化的測量單元中設計了一個遞歸型的數字濾波器。根據參數測量的結果可以自動修正遞歸數字濾波器的系數。微機化測量單元屏幕上所顯示的波形和其所處理的數據都是自動經過遞歸數字濾波器校正過的。
本發明的另一種實現是將積分后的信號不通過動態特性校正網絡電路直接進入微機化測量單元。這樣由帶通、低通、全通三個通道組成的模擬校正電路改由數字遞歸濾波器來實現。儀器仍可保留傳感器各元件參數的檢測功能。根據檢測的傳感器各元件參數，自動調整遞歸濾波器的系數。在這種實現中因為進入微機化測量儀的信號較弱，信噪比差些，所以A/D轉換器的位數要高一些，以保證測量精度。
本儀器的工作原理框圖如圖2所示，圖中1-地震式振動速度傳感器;2-切換開關，當處于A端時為測量狀態，處于B端時為傳感器各元件參數檢測狀態;3-積分、放大環節;4-二階低通;5-全通;6-二階帶通;7-加權求和;8-A/D轉換器;9-計算單元，本單元進行數字遞歸濾波、時域波形輸出、幅域分析、頻譜分析以及進一步的信號分析工作，并可按預定程序輸出激振信號進行傳感器各元件參數檢測;10-D/A轉換器;11-低通濾波;12-標準電阻。
圖中虛線表示不用模擬電路校正而直接用數字遞歸濾波器校正的一種方案。
實現本發明最好方式的電路如附圖3。
當系統處于測量狀態時，由地震式速度傳感器T1獲得的振動信號經過由運算放大器IC1和電阻R1、電容C1組成的積分器成為振動位移信號。積分電容C1上的旁路電阻R2是為抑制直流或甚低頻的漂移而設。振動位移信號經過由運放IC2和R3、R4組成的放大器放大后，經由電容C2A和C2B與R5組成的隔直電路進入校正網絡。校正網絡系由三部分組成(1)以運放IC3和R6、R7、R8、R9、C3、C4組成的低通環節，其傳遞函數為H1(S);(2)經RRO的全通環節;(3)以運放IC4和R10、R11、R12、R13、R14和C5、C6組成的帶通環節，其傳遞函數為H2(S)。這三路信號經由運放IC5和電阻RR1、RR0、RR2與R15組成的加權求和環節而形成校正網絡，二極管D1和D2是鉗位保護用的，經過校正后的信號經過以運放IC6和R16、R17、R18、C7組成的輸出級(端點D)輸出。此輸出信號可直接供顯示儀表或記錄裝置，也可和圖2中的A/D轉換器8相聯結以作進一步的分析之用。傳感器的靈敏度可以經圖3中的R4、R15或(與)R18各反饋電阻調節以適應在不同場合對靈敏度和測量范圍的各種要求。傳遞函數H1(S)和H2(S)分別由式(1)和式(2)計算H1(S)=(1+R9R8)×1R8×R7×C3×C4S2+(1R6×C3+1R7×C3-R9R8×1R7×C4)S+1R6×R7×C3×C4(1)]]>
式中S是拉普拉斯變換的符號。
參數的設計是ω20＝ 1/(R6×R7×C3×C4) (3)及ω20＝ (R10+R11)/(R10×R11×R12×C5×C6) (4)2ζ0ω0＝ 1/(R6×C3) + 1/(R7×C3) - (R9)/(R8) × 1/(R7×C4) (5)及2ζ0ω0＝ 1/(R12×C5) + 1/(R10×C6) + 1/(R12×C6) - (R14)/(R13) × 1/(R11×C6) (6)式中的ω0經校正后傳感器的固有角頻率，ζ0為其相對阻尼率。
加權環節中RR0、RR1、RR2的選擇是使滿足以下的關系式(式(7))R15［ (H1(S))/(RR1) + 1/(RR0) + (H2(S))/(RR2) ］ = K (S2+2ζ1ω1S +ω1)/(S2+2ζ0ω0S +ω0) (7)式中ω1為校正前地震式速度傳感器的固有角頻率，ζ1為其相對阻尼率。
本發明電路的另一種實現方式是由圖3中的端點C引出振動速度信號，將該信號送至圖2中的8-A/D轉換器，由計算單元9中實現遞歸數字濾波校正。
如果略去由IC1組成的積分器，那么校正后的輸出將是振動速度信號。傳感系統的固有角頻率仍將由ω1校正至ω0，即輸出外特性呈固有頻率很低的地震式速度傳感器狀，這仍為本發明的一種實現。
當系統處于檢測傳感器各元件參數的狀態時，圖3中開關S1處于傳感器T1和B端聯結位置，RM就是圖2中的12。此時圖3中的F為激振信號輸入端，E端為取測量信號端，接至圖2中的A/D轉換器入口8。激振信號的幅值和頻率變化、信號的處理和參數計算都由圖2中的計算單元9按預置的軟件控制下進行，計算單元(圖2中9)具有屏幕顯示，可以按需要選擇顯示內容，可以外接打印、繪圖、顯示設備，可以外接鍵盤進行操作和修改軟件，其功能等于個人計算機，也可以直接用個人計算機替代。
本發明由于采用了一種動態特性校正網絡電路使校正后的傳感器輸出特性完全類似于一個固有頻率很低(例如0.2Hz～0.5Hz甚至低至0.05Hz)的傳感器以精確測量低頻的振動。因為傳感器機械結構的固有頻率仍較高(例如10Hz)，故保持其體積小、可靠性高、允許測量低頻大振幅的特點。校正網絡對傳感器參數的變化是敏感的，因此在本發明中發展了一種在線參數識別的技術。微機化的測量儀器能自動識別傳感器參數的變化，而根據實際的參數自動修正軟件校正中的系數。經過校正后的輸出排除了環境和時效老化對傳感器的影響。
本發明的特點是可以精確地顯示超低頻振動的振幅。根據測量需要，裝置可以做成高靈敏度的(例如8～16毫伏/微米)或者是大量程低靈敏度的(例如0.5毫伏/微米)。實際限制量程和靈敏度的是電路的供電電源。例如在±12伏電源供電下對于靈敏度為8毫伏/微米的傳感器，最大測量振幅約為±1.25毫米，若靈敏度降為0.5毫米/微米，則可測低頻振幅為±20毫米。
本發明可以在寬廣的頻帶范圍內測量振動。校正網絡雖然將適用的低端頻率擴展了，但在高端頻率仍保持原地震式速度傳感器的特性。由于對低頻振動一般更重視其振幅，故傳感器采用振動位移輸出，但測量系統可方便地切換為振動速度或加速度輸出。
由于本發明能精確測量低頻振動幅值和波形并具有數據處理、分析能力，故本發明可用來測量大型水輪機組、建筑、橋梁、精密機床、塔吊等的振動，可用來測量地震和地質勘探，用于評價環境振動，利用自然激振(地表脈動和風力激振)可以直接獲得橋梁和高層建筑的固有頻率。在鐵道部門可以測量車輛行進時橋梁的動態變形，評價路基和軌道質量。對大型水輪發電機組可用于工況監測和故障診斷，可用于現場動平衡。對精密設備可對其環境和基礎振動作出評價并可用于誤差分析。本儀器既是一個振動測量儀器，也是一個振動分析儀器，可以直接用于頻譜分析、傳遞函數分析、模態分析、現場動平衡和故障診斷等。
權利要求
1.一種低頻振動測量裝置，由傳感器、信號處理系統、信號顯示系統所組成，其特征在于在固有頻率較高的地震式速度傳感器的信號輸出端增加動態特性校正網絡電路，結合數字遞歸濾波的方法來擴展傳感器固有頻率低頻端的范圍，同時增加了對傳感器元件參數進行檢測的電路及相應的軟件和微機化的測量單元以對傳感器元件參數進行檢測，所說的動態特性校正網絡電路由二階低通、全通、和二階帶通環節所組成，由三個環節的輸出加權求和以實現校正網絡的零點和原傳感器的極點完全對消，二階低通和二階帶通具有完全相同的極點，這對極點是按照輸出特性的要求而設計的。
2.按權利要求1所說的測量裝置，其特征在于對傳感器元件參數進行檢測的電路是在傳感器上串接一個測量電阻，由測量單元產生一串給定的激振信號，通過測量在電阻上的壓降以求得激振電流，由此計算出該傳感器的固有頻率、阻尼率、電阻、電感、靈敏度等參數，用以校正遞歸濾波器的系數以保證測量精度。
3.一種低頻振動測量裝置，由傳感器、信號處理系統、信號顯示系統所組成，其特征在于在固有頻率較高的地震式振動速度傳感器的信號輸出端增加數字濾波，用數字遞歸濾波的方法來擴展傳感器的低頻端范圍。
全文摘要
本發明屬于振動測量儀器、傳感器，地震儀器領域。本發明將一個通用的地震式速度傳感器通過一個特殊設計的動態特性校正網絡，使其輸出特性的固有頻率降為原傳感器結構固有頻率的1/50左右，因而可實現低頻振動測量。微機化的儀器不但具有各種數據處理、顯示和分析功能，而且能對傳感器實行參數辨識。通過專門的軟件再對傳感器的輸出進行必要的校正以獲得精確的測量結果。本發明用于機械、建筑、地震、地質勘探等的振動監測、頻譜分析和故障診斷等。
文檔編號G01H1/16GK1065139SQ9210277
公開日1992年10月7日 申請日期1992年4月23日 優先權日1992年4月23日
發明者嚴普強, 楊立志, 周漢安 申請人:清華大學