CN1049731C - 绝对式振幅传感器装置 - Google Patents

Abstract

本发明创造涉及绝对式振幅传感器装置，应用于物探、地震、建筑、公路、桥梁及运输工具上的振动测量技术领域。背景技术中有关振动体的位移或者振幅测量需要将位移传感器固定在振动体附近的静止参考点上，但在实际应用中往往很难实现。本发明的技术方案在于将电涡流位移传感器或者电容位移传感器与振动子组合，并通过设计使得传感器的输出信号与被测振动体的振幅值成正比，实现无须静止参考点，直接将传感器固定在振动体上，即可测出振幅值，使振动体振幅的测量变得既简单、实用又方便、准确。

Description

绝对式振幅传感器装置

本发明创造涉及一种绝对式振幅传感器装置；应用于物探、地震、建筑、公路、桥梁、运输工具及大型设备上的振动监测技术领域；可用以监测任意方向的振动振幅。

在地震监测和对正在行驶中的车辆、船舶及飞行器的振动监测时，从原理上讲是不可能获得固定点的，另如地基，建筑桩基及本身带有振动源的大型设备，如汽轮机、蒸气轮机、发电机等由于其自振力使地基也随之振动，故难以从附近地面寻找到固定参考点，这样测出的振动信号显然不准确，或是夹杂有参考点上的振动干扰。例如普通的电涡流振幅传感器和变压器式传感器均属于相对式测量传感器。前者，美国本特利(Bently)公司将另外一套测速度仪表安置在参考点上，用以测参考点本身的振动，然后将两组信号反相叠加。用以抵消干扰，但实践上既复杂又相当困难(摘自Bently公司89年产品介绍)。后者，必须将初级或者次级线圈固定在被测振动体附近的不动体上，而探头和被测振动体表面的间距是很小的，这样近距的不动体是没有的，实际上是将探头设置在振动较小的物体上作参考点，这样的测出值显然不够准确。

此外，名称为“悬浮式涡流地震检波器”的87105424号中国专利，虽然具有振动系统固有频率可调和横向效应被减弱的优点；但是在该装置中，涡流磁场的幅度是主磁铁和涡流套筒之间相对运动速度的函数；线圈中的感应电动势又是涡流磁场对线圈变化速度的函数，其间发生了“两级效应”，即在固定检波器线圈中所产生的电信号正比于外壳运动的加速度。另如名称为“地震式低频振动测量装置”的92102774·5号中国专利，采用的是一种通用的地震式速度传感器，在求振幅时还需利用重积分或积分电路或利用计算机补偿，但都难以得出准确的振幅数据。

本发明的目的是在克服上述背景技术缺陷的基础上提供一种测量准确的绝对振幅惯性式传感器，无需静止基座作为参考系，可直接安装在被测振动体上进行测量。

本发明的另一目的是提供一种适于测量频响范围宽广的振动信号为0～3000HZ的绝对式振幅传感器。

本发明的再一目的在于提供一种可测量任意方向振动幅值的小型化集成传感器。

本发明的技术方案(如图1所示)是将非接触式位移传感4与振动子5相结合，振动子由惯性质量块、弹簧、阻尼器机壳组成。惯性质量块借助于弹簧K与阻尼器r悬浮于传感器装置机壳1中，并通过设计使得传感器的输出信号与被测振动体3的振幅值成正比。惯性质量块的个数为N个，当N等于1时为单振子，当N等于2～20时为多振子。

所述的非接触式位移传感器有电涡流式位移传感器和电容式位移传感器两种形式。对于电涡流式的：它由探头前端部线圈8、电涡流靶6、惯性质量块M、前置器7、弹簧K、阻尼器r和机壳1组成。所述的前置器7是指将所测得的振幅、位移等参数转换为电压或电流输出的谐振电路、电桥电路或线圈品质因数测试电路，其中的谐振电路可以选择调频、调幅或调频调幅式的。对于电容式的：它由平板电容传感器与振动子组成，其中的一个极板与惯性质量块借助弹簧与阻尼器的作用悬浮于机壳中，另一极板与机壳固定。

本发明传感器装置的惯性质量块上都装有可调配重块，可使传感器的固有频率产生变化，以适应不同的测振要求。惯性质量块均设有锁紧机构，其作用是在传感器处于非工作状态下锁紧惯性质量块，以便于移动或运输，防止因剧烈振动而损坏传感器内部的敏感元件。为了对靶距进行静态标定，传感器装置均设有静标定插口，用以插入固定千分表或测微仪。此外，机壳顶部和底部均设有内、外螺纹连接装置，以便于将传感器装置固定于被测振动体上，顶部或底部做成平面，以便于粘接或埋入被测振动体中。为了尽可能地减小传感器的体积与重量，所采用的前置器制成专用集成电路芯片，且设有屏蔽装置，以降低外界干扰并提高灵敏度。

本发明传感器装置由于惯性质量块悬浮的方式不同，所用的弹簧形式有下列三种：

—悬臂拉吊式绝对振幅传感器中的长方形弹簧片和圆锥形或枣核形拉簧。

—圆柱弹簧式绝对振幅传感器中的成对的圆柱形压簧，以及

—圆形簧片式绝对振幅传感器中的成对的圆形簧片。

本发明传感器装置所采用的阻尼器为阻尼杯。还可将弹簧和阻尼器合而为一，做成带有阻尼作用的圆锥形或枣核形弹簧。

本发明装置的电涡流式传感器的探头线圈中加有铁芯，以提高传感器的灵敏度。

由于本发明的技术方案是将传感器装置直接粘接或用机械固定在被测振动体上，振动子在惯性作用下，机壳随振动体而振动，而惯性质量块趋近于不动，因此机壳与惯性质量块之间的相对位移可借助非接触式位移传感器探测出来。此相对位移即是被测振动体的振幅。该测量方法为振动体振幅绝对式测量法，克服了现有技术的相对式测量法中由于参考点的振动干扰极大地影响被测振动体振幅测量的准确性。

本发明的技术方案通过给传感器装置以不同形状的弹簧，同时赋予惯性质量块以不同的重量，由此能改变该传感器装置的自振频率，以达到适合于测量很宽频率范围的振动信号。

本发明的传感器装置可用于测量振动体任意方向的振幅，其方法是将惯性质量块振动轴线与所要测的方向取平行，在固定传感器后，适当调节配重和/或调节旋钮，使惯性质量块在机壳中悬浮起来，并处于最佳初始位置，如此测得的振幅即为所要测方向的振幅。

本发明与背景技术相比具有以下的有益效果：

—与电动式(也称感应式，磁电式或动电式)传感器相比，不同点在于后者的输出信号大小与被测振动体的振动速度成正比，当测试非简谐振动时，尤其当测试冲击等瞬态振动时，难以测出准确的振幅值，既使利用电路积分，或者计算机补偿，均不能得出令人满意的振幅随时间的变化曲线。而利用本发明的传感器装置可直接测出振动体准确的振幅形态。

—与压电晶体传感器相比，后者的输出信号正比于所施加的力，换言之与被测振动体的加速度成正比。当测量冲击等瞬态振动时，传感器本身的再生振荡难以在不损失所需低频振荡中滤掉。在求振幅时，既使利用重积分电路或计算机补偿均得不出准确的振幅数据。

—与变压器式或差动变压器式位移传感器相比，后者除如前所述的缺点外，还不适宜于高频动态测量，且其灵敏度受激励频率影响较大，尤其在测量冲击等瞬态激励信号时很不利，而本发明则很好地解决了上述难题。

此外，本发明的绝对式振幅传感器装置使相对测量变为绝对测量，并在结构上将探头与前置器做成一体，且前置器采用专用的集成电路芯片，使得测量时抗干扰性强，信号损失小，灵敏度高，体积小具有安装方便等优点。

以下对照附图详细描述本发明的最佳实施方式：

图1为绝对式振幅传感器装置示意图

图2为单振子动圈普通式电涡流振幅传感器原理示意图

图3为单振子动圈差动式电涡流传感器原理示意图

图4为单振子动靶普通式电涡流传感器原理示意图

图5为单振子动靶差动式电涡流传感器原理示意图

图6为多振子动圈普通式电涡流传感器原理示意图

图7为多振子动圈差动式电涡流传感器原理示意图

图8为多振子动靶普通式电涡流传感器原理示意图

图9为多振子动靶差动式电涡流传感器原理示意图

图10为悬臂拉吊单振子动圈式电涡流传感器装置结构示意图

图11为悬臂拉吊单振子动靶差动式电涡流传感器装置结构示意图

图12为双圆柱压簧单振子动靶式电涡流传感器装置结构示意图

图13为双簧片单振子动圈式电涡流传感器装置结构示意图

电涡流式振幅传感器包括有图2至图9的八种基本结构，由于惯性质量块悬浮的方式不同，又各分为三种，因此总共有24种结构方式，以下仅就其中的典型实施例对照附图做详细地描述。

图2所示为N等于1的单振子动圈普通式结构，将一探头线圈8和前置器7组合为一体与一定重量的物体加或不加无配重构成一惯性质量块M，该质量块借助弹簧K，阻尼器r悬浮于机壳1中，电涡流靶6与机壳1固定，振动体3的振幅与靶距(探头线圈与电涡流靶间的距离)d的变化量成正比，即与传感器输出电压成正比。

图3所示为N等于1的单振子动圈差动式结构，将两个探头线圈8和前置器7组合为一体，与一定重量的物体加或不加配重构成一惯性质量块M，该质量块借助弹簧K和阻尼器r悬浮于机壳1中，两个电涡流靶与机壳固定，被测振动体3的振幅与两个靶距变化量绝对值的和成正比。

图4所示为N等于1的单振子动靶普通式结构，将一电涡流靶6与一定重量的物体加或不加配重构成一惯性质量块M，该质量块借助弹簧K和阻尼器R悬浮于机壳中，探头线圈8和前置器7组合为一体与机壳1固定，振动体的振幅与靶距的变化量成正比。

图5所示为N等于1的单振子动靶差动式结构，两个电涡流靶6与一定重量的物体加或不加配重构成一惯性质量块M，该质量块借助弹簧K，阻尼器R悬浮于机壳1中，两个线圈8和前置器7组合为一体与机壳1固定，被测振动体3的振幅与两个靶距变化量绝对值的和成正比。

图6所示为N等于2～20的多振子动圈普通式结构，将N个探头线圈8分别和其前置器组合为一体，各自与一个一定重量的物体加或不加配重构成N个惯性质量块M1、M2……Mn，这些质量块借助不同参数的弹簧K1、K2……Kn，阻尼器r1、r2……rn同悬于一个机壳1中，N个电涡流靶与机壳1固定，振动体的振幅与各靶距变化量成正比，适于测量频率范围宽广的振动信号。

图7所示为N等于2～20的多振子动圈差动式结构，将2N个探头线圈中的每两个及其前置器组合为一体，其中每两个为一组，每组与一个重量的物体加或不加配重构成一惯性质量块，总共形成N个质量块，借助于弹簧K1、k2……kn，阻尼器r1、r2……rn悬浮于机壳1中，各线圈8所对应的2N个电涡流靶中的每两个为一组与机壳1固定，振动体的振幅与同一惯性质量块上的两靶距变化量绝对值之和成正比。

图8所示为N等于2～20的多振子动靶普通式结构，由N个电涡流靶各自与一定重量的物体加或不加配重构成一惯性质量块，总共形成N个质量块，借助弹簧K1，K2……KN，阻尼器r1，r2……rN悬浮于机壳中，各靶所对应的探头线圈8及其前置器7组合为一体与机壳1固定，振动体的振幅与各惯性质量块靶距的变化量成正比。

图9所示为N等于2～20多振子动靶差动式结构，将2N个电涡流靶中的每两个组成一组，每组与一个一定重量的物体加或不加配重构成一惯性质量块，借助弹簧K1，k2……Kn和阻尼器r1，r2……rn悬浮于同一机壳中，各靶所对应的2N个探头线圈和其前置器组合为一体，其中每两个线圈及其前置器为一组与机壳固定，振动体的振幅与各惯性质量块上的两靶距的变化量绝对值之和成正比。

图10所示为悬臂拉吊单振子动圈普通式结构，一探头线圈及其前置器组合为一体与一定重量的物体加或不加配重构成一惯性质量块M借助带有阻尼的锥形或枣核形拉簧10悬浮于机壳1中，该拉簧起抑制谐振作用，十字簧片13由成对的长方形簧片组成，并交叉固定在机壳与惯性质量块之间，并可视具体测振要求设置多个十字簧，可调配重9能使振动子的固有频率产生变化，以适应不同的测振要求，拉簧锁紧装置15用作锁紧调节拉簧的螺杆12，使靶距初始值不变，滑块11用以连接锥形拉簧10和螺杆12，并通过调节旋钮17调节拉簧参数；质量块锁紧装置14用以在传感器非工作状态下锁紧惯性质量块，俾便于运输。静标定座16用以插入并固定千分表或测微仪，对靶距进行静标定，连接螺孔18设置在传感器的底部，便于将传感器固定在被测振动体上。电涡流靶与机壳固定。

图11所示为悬臂拉吊单振子动靶差动式结构，将两个电涡流靶6与一定重量物体加上可调配重9构成一惯性质量块M，该质量块借助带有阻尼的锥形或枣核形拉簧10，“十字”簧由成对的长方形弹簧片组成，交叉固定在机壳与惯性质量块之间，在惯性质量块与机壳之间安装有拉簧锁紧机构，两个探头线圈8及其前置器7组合为一体与机壳1固定，振动体3的振幅与两个靶距变化量绝对值之和成正比。

图12所示为双圆柱压簧单振子动靶普通式结构，将一个电涡流靶6与一定重量物体加或不加配重构成一惯性质量块M，在其上下两端借助两个圆柱形压簧19悬浮于机壳中，电涡流靶6对应的探头线圈8及其前置器7组合为一体，与机壳固定，振动体的振幅与靶距的变化量成正比。

图13所示为双簧片单振子动圈普通式结构，将一探头线圈8及其前置器7组合为一体与一定重量的物体加或不加配重构成一惯性质量块M，悬浮在两个圆形簧片20之间，阻尼器r可根据需要加或不加。电涡流靶与机壳1固定，振动体3的振幅与靶距的变化量成正比。

本发明的另一种实施方式是将上述各种结构形式的惯性电涡流振幅传感器的探头线圈和电涡流靶以电容的两个电极板取代之，同时将电涡流式的前置器以电容式传感器的测量电路取代之。电容的变化量可采用极板间距变化型或面积变化型的两种，上述的测量电路包括调幅电路，调频电路和脉冲宽度调制电路。

综上所述，本发明的技术方案使得被测振动体振幅的监测变得抗干扰性强，灵敏度高，频率范围宽广和无需静止参考点，其实用性、新颖性和创造性是无庸质疑的。

Claims (15)

1.绝对式振幅传感器装置，其特征在于它包括电涡流位移传感器与振动子；所述振动子由惯性质量块、弹簧、阻尼器和机壳组成；所述电涡流传感器包括电涡流靶、探头线圈和与该探头线圈相连的前置器，所述前置器和与之相连的探头线圈装设在所述惯性质量块上，与该惯性质量块形成一整体；所述传感器测出的物理量为被测振动体相对于惯性系的绝对振幅值。

2.绝对式振幅传感器装置，其特征在于它包括电涡流位移传感器与振动子：所述振动子由惯性质量块、弹簧、阻尼器和机壳组成；所述电涡流传感器包括电涡流靶、探头线圈和与该探头线圈相连的前置器，所述前置器和与之相连的探头线圈装设在所述机壳上，与该机壳形成一整体；所述传感器测出的物理量为被测振动体相对于惯性系的绝对振幅值。

3.按照权利要求1或2的绝对式振幅传感器装置，其特征在于：所述电涡流位移传感器，具有N个探头线圈及其前置器，N个电涡流靶，N是1至20的整数；所述惯性质量块为N个，N是1至20的整数，N个惯性质量块上均装配有可调配重块；在质量块与机壳之间安装有质量块锁紧机构；所述机壳上设有用于静标定的测微仪插口；机壳上还设有与被测振动体相连接的螺纹装置和粘接平面；传感器的输出信号与被测振动体的振幅值成正比。

4.按照权利要求3的绝对式振幅传感器装置，其特征在于：所述振动子的结构为悬臂拉吊动圈普通式，由N个探头线圈分别与其前置器组合为一体，分别与一定重量的物体加配重构成N个惯性质量块，各惯性质量块的一端由成对的交叉成“十字”的长方形弹簧片固定在机壳上形成一支点，使惯性质量块成为一悬臂，所述配重设置在该悬臂的远端，该惯性质量块的重力作用线与所述支点之间的悬臂悬吊于一可带有预应力的圆柱形或锥形或枣核形拉簧的一端，所述拉簧的另一端吊装在机壳上，所述惯性质量块的悬浮端装设着所述探头线圈；在所述拉簧与机壳之间安装有拉簧锁紧机构；N个电涡流靶固定在机壳上。

5.按照权利要求3的绝对式振幅传感器装置，其特征在于：所述振动子的结构为悬臂拉吊动圈差动式，由2N个差动式探头线圈中的每两个和其前置器组合为一体，其中每组个为一组，每组与一定重量的物体加配重构成一惯性质量块，各惯性质量块的一端由成对的交叉成“十字”的长方形弹簧片固定在机壳上形成一支点，使惯性质量块成为一悬臂，该惯性质量块的重力作用线与所述支点之间的悬臂悬吊于一可带有预应力的圆柱形或锥形或枣核形拉簧的一端，所述拉簧的另一端吊装在机壳上，所述惯性质量块的悬浮端装设着所述探头线圈；在所述拉簧与机壳之间安装有拉簧锁紧机构；2N个电涡流靶中的每两个为一组固定在机壳上。

6.按照权利要求3的绝对式振幅传感器装置，其特征在于：所述振动子结构为悬臂拉吊动靶普通式，由N个电涡流靶各自与一定重量的物体加配重构成一惯性质量块，各惯性质量块的一端由成对的交叉成“十字”的长方形弹簧片固定在机壳上形成一支点，使惯性质量块成为一悬臂，该惯性质量块的重力作用线与所述支点之间的悬臂悬吊于一可带有预应力的圆柱形或锥形或枣核形拉簧的一端，所述拉簧的另一端吊装在机壳上，所述惯性质量块的悬浮端装设着所述电涡流靶；在所述拉簧与机壳之间安装有拉簧锁紧机构；N个探头线圈分别和其前置器组合为一体固定在机壳上。

7.按照权利要求3的绝对式振幅传感器装置，其特征在于：所述振动子的结构为悬臂拉吊动靶差动式，由2N个电涡流靶中的每两个为一组，每组与一定重量的物体加配重构成一惯性质量块，各惯性质量块的一端由成对的交叉的“十字”的长方形弹簧片固定在机壳上形成一支点，使惯性质量块成为一悬臂，该惯性质量块的重力作用线与所述支点之间的悬臂悬吊于一可带有预应力的圆柱形或锥形或枣核形拉簧的一端，所述拉簧的另一端吊装在机壳上，所述惯性质量块的悬浮端装设着所述电涡流靶；在所述拉簧与机壳之间安装有拉簧锁紧机构；2N个探头线圈分别和其前置器组合为一体，其中每两个线圈和其前置器为一组固定在机壳上。

8.按照权利要求3的绝对式振幅传感器装置，其特征在于：所述振动子的结构为双圆柱压簧动圈普通式，由N个探头线圈分别和其前置器组合为一体，分别与一定重量的物体加配重构成N个惯性质量块，各惯性质量块各自装设在两个圆柱压簧之间，并借助该两个圆柱压簧悬浮于机壳中；N个电涡流靶固定在机壳上。

9.按照权利要求3的绝对式振幅传感器装置，其特征在于：所述振动子结构为双圆柱压簧动圈差动式，由2N个差动式探头线圈中的每两个和其前置器组合为一体，其中每两个为一组，每组与一定重量的物体加配重构成一惯性质量块，各惯性质量块各自装设在两个圆柱压簧之间，并借助于该两个圆柱压簧悬浮于机壳中；2N个电涡流靶中的每两个为一组固定在机壳上。

10.按照权利要求3的绝对式振幅传感器装置，其特征在于：所述振动子的结构为双圆柱压簧动靶普通式，由N个电涡流靶分别与一定重量的物体加配重构成N个惯性质量块，各惯性质量块各自装设在两个圆柱形压簧之间，并借助该两个圆柱形压簧悬浮于机壳中；N个探头线圈和其前置器为一组固定在机壳上。

11.按照权利要求3的绝对式振幅传感器装置，其特征在于：所述振动子的结构为双圆柱压簧动靶差动式，由2N个电涡流靶中的每两对为一组，每组与一定重量的物体加配重构成一惯性质量块，各惯性质量块各自装设在两个圆柱形压簧之间，并借助该两个圆柱形压簧悬浮于机壳中；2N个探头线圈分别与其前置器合为一体，其中每两个线圈和其前置器为一组固定在机壳上。

12.按照权利要求3的绝对式振幅传感器装置，其特征在于：所述振动子的结构为双簧片动圈普通式，由N个探头线圈分别和其前置器组合为一体，分别与一定重量的物体加配重构成N个惯性质量块，各惯性质量块各自装设在两个圆形簧片之间，借助于该两个圆形簧片悬浮在机壳中，N个电涡流靶固定在机壳上。

13.按照权利要求3的绝对式振幅传感器装置，其特征在于：所述振动子结构为双簧片动圈差动式，由2N个差动式探头线圈中的每两个和其前置器组合为一体，其中每两个为一组，每组与一定重量的物体加配重构成一惯性质量块，各惯性质量块各自装设在两个圆形簧片之间，借助于该两个圆形簧片悬浮于机壳中；2N个电涡流靶中的每两个为一组固定在机壳上。

14.按照权利要求3的绝对式振幅传感器装置，其特征在于：所述振动子的结构为双簧片动靶普通式，由N个电涡流靶分别与一定重量的物体加配重构成N个惯性质量块，各惯性质量块各自装设在两个圆形簧片之间，借助该两个圆形簧片悬浮于机壳中；N个探头线圈和其前置器为一组固定在机壳上。

15.按照权利要求3的绝对式振幅传感器装置，其特征在于：所述振动子的结构为双簧片动靶差动式，由2N个差动式电涡流靶中的每两个为一组，每组与一定重量的物体加配重构成一惯性质量块，各惯性质量块各自装设在两个圆形簧片之间，借助该对簧片悬浮于机壳中，其中每两个线圈分别和其前置器为一组固定在机壳上。

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