专利名称：一种光栅式振动传感器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种传感器技术，特别涉及一种光栅式振动传感器。
背景技术：
在高度发展的现代工业中，现代测试技术向数字化、信息化方向发展已成必然发 展趋势，就振动传感器来说，由于传感器内部机电变换原理的不同，输出的电量也各不相 同。有的是将机械量的变化变换为电动势、电荷的变化，有的是将机械振动量的变化变换为 电阻、电感等电参量的变化，根据原理不同，可以分为一下几种相对式电动传感器、电涡流 式传感器、电涡流式传感器、电容式传感器、惯性式电动传感器、压电式加速度传感器、压电 式力传感器、阻抗头、电阻应变式传感器。但对于此类传感器的灵敏度要求是越来越高，实 现起来非常困难。
发明内容本实用新型是针对现在振动传感器的灵敏度要求是越来越高的问题，提出了一种 光栅式振动传感器，可以达到相当高的灵敏度。本实用新型的技术方案为一种光栅式振动传感器，包括传感器的箱体、质量块、 阻尼器、发光二极管、弹簧、移动光栅、固定光栅、光电元件，连接阻尼器垂直方向一头连接 箱体，一头接质量块下端，质量块上端与箱体之间接弹簧，在弹簧一边平行位置依次安装移 动光栅、固定光栅和光电元件，移动光栅固定在质量块上，在弹簧另一边平行位置安装发光 二极管，固定光栅、光电元件、发光二极管固定在箱体上，箱体压在被测物体上。本实用新型的有益效果在于本实用新型一种光栅式振动传感器，由于光栅的精 度和灵敏度很高，所以设计出来的光栅式振动传感器的灵敏度很高。
图1为本实用新型光栅式振动传感器设计模型图；图2为本实用新型通过matlab画出速度幅值比图。
具体实施方式
一种光栅式振动传感器设计实现方法首先对已有的模型进行振动分析，通过一系 列运算求出被测物体的速度与质量块速度的关系，然后利用matlab把得到的这种关系用 图形表示出来，接着对图形进行分析，从中找到规律。最后根据规律设计出光栅式振动传感
ο通过对模型的振动分析来说明该设计的步骤，如图1所示模型图，包括被测物体 1、传感器的箱体2、质量块3、阻尼器4、发光二极管5、弹簧6、移动光栅7、固定光栅8、光电 元件9，连接阻尼器4垂直方向一头连接箱体2，一头接质量块3下端，质量块3上端与箱体 2之间接弹簧6，在弹簧6 —边平行位置依次安装移动光栅7、固定光栅8和光电元件9，移
3动光栅7固定在质量块3上，在弹簧6另一边平行位置安装发光二极管5，固定光栅8、光电 元件9、发光二极管5固定在箱体2上。工作原理当被测物体1振动时，质量块3相对于箱体2有相对的运动，这时移动 光栅7对于固定光8会运动，当发光二级管5出的光通过光栅时，会在光电元件9表面产生 摩尔条纹，这个条纹会随质量块3运动而产出相应的运动，通过后面的电路处理后就能测 出被测物体的速度。通过微分和积分电路还能测出物体的位移和加速度。已知质量块3质量为m，刚度k，阻尼C，地基的位移是y，质量块相对与箱体的位 移是ζ。设地基的振动为y = Ycoswt ；根据牛顿第二定律，可得到系统的运动微分方程为
YYl
dtJ . J^ , , ___ dtJ — J
dt
+ c一 + kz = -m~— = WW Ycoswt dt dt
通过求解可以得到方程的特解z = Zc0S(wt-p )w2，其中
mvj2YYx2
Z =
V(A:-mw2)2+(cw)2 yl(\-r2)2+(2er)2 cw 2srtan/ =— 2
k 一 mw \-r
w I k其中r=— =±， P \m^z / Φ . mW F =r.-wsi^vv 1 -p)!-wYsinwt
mw2Y, T,mw2幅值比,,, 、？ /-^Y = ■
'\l(k-mw2)2 + (cw)2k^l(i-r2)2 +(2sr)2 ^(l-r2)2 +(2ε rf
相位差P。
我们通过matlab画出速度幅值比的图形如图2所示来分析一下，这个图形的几个 特殊位置。其中绿色的曲线是ε =0.7时的曲线，蓝色的曲线是ε =1时的曲线，红色的 曲线是ε =0.5时的曲线，青色的曲线是ε =0.25时的曲线，品红色的曲线是ε =0.01 时的曲线；它们的不同取值是由于阻尼器c的不同而不同的。但当横坐标r超过3. 5时， 以上各个曲线的值趋近于1。这一现象的物理意义是被测物体的振动频率超过传感器的固 有频率3. 5时，质量块3的速度就是被测物体1的速度，实际中只要物体的振动频率较高 时高时，就能测出被测物体1的速度。因为r = w/p，当被测物体1的振动频率w使r处于
0. 8-1. 5之间时，我们可以改变p，使ρ变小(ρ 二 λ/^即m变大k变小即可)，从而使r超过
V m
3. 5，这样就能测量物体1的速度了，这样我们可以设计出不同型号的传感器。
权利要求一种光栅式振动传感器，其特征在于，包括传感器的箱体(2)、质量块(3)、阻尼器(4)、发光二极管(5)、弹簧(6)、移动光栅(7)、固定光栅(8)、光电元件(9)，连接阻尼器(4)垂直方向一头连接箱体(2)，一头接质量块(3)下端，质量块(3)上端与箱体(2)之间接弹簧(6)，在弹簧(6)一边平行位置依次安装移动光栅(7)、固定光栅(8)和光电元件(9)，移动光栅(7)固定在质量块(3)上，在弹簧(6)另一边平行位置安装发光二极管(5)，固定光栅(8)、光电元件(9)、发光二极管(5)固定在箱体(2)上，箱体(2)压在被测物体上。
专利摘要本实用新型涉及一种光栅式振动传感器，连接阻尼器垂直方向一头连接箱体，一头接质量块下端，质量块上端与箱体之间接弹簧，在弹簧一边平行位置依次安装移动光栅、固定光栅和光电元件，移动光栅固定在质量块上，在弹簧另一边平行位置安装发光二极管，固定光栅、光电元件、发光二极管固定在箱体上，箱体压在被测物体上。通过一系列运算求出被测物体的速度与质量块速度的关系，然后利用matlab把得到的这种关系用图形表示出来，接着对图形进行分析，从中找到规律。最后根据规律设计出光栅式振动传感器。由于光栅的精度和灵敏度很高，所以设计出来的光栅式振动传感器的灵敏度很高。
文档编号G01H9/00GK201731936SQ20102022159
公开日2011年2月2日 申请日期2010年6月10日 优先权日2010年6月10日
发明者宋丽, 董新峰, 迟玉伦, 马燕玲 申请人:上海理工大学