一种传感器阻尼比调整装置的制作方法

本发明涉及传感器领域，尤其涉及一种传感器阻尼比调整装置。

背景技术：

动圈换能惯性传感器是一种常见的振动测量传感器。动圈换能惯性传感器利用电磁感应原理，将线圈置于磁场中，传感器受到外界振动后，线圈也随之运动，线圈运动切割磁力线产生感应电动势，从而测量出外界运动。动圈换能惯性传感器测量的振动物理量可以是速度，也可以是加速度。

测量物理量的不同是通过调整动圈换能惯性传感器的阻尼比来实现的，当传感器处于小阻尼状态时，传感器测量的物理量是速度；当传感器处于大阻尼状态时，测量的物理量是加速度。测量加速度需要获得较大的阻尼比，目前，采用如下两种方法获得较大的阻尼比：

第一，在传感器上并联一个电阻，加大阻尼比，构成速度摆加速度计，该方法是一种无源伺服反馈方法，其不足在于通过并联电阻的方式加大阻尼是有限度的，一般阻尼比加大到3-5后，受到传感器机械参数的限制，阻尼很难再被加大，传感器使用频带的宽度较窄；

第二，在动圈换能敏感元件上设计两组线圈，一组为信号线圈，一组为反馈线圈，信号线圈的信号经过反馈电路后加入到反馈线圈中，利用该方法可以获得较大的阻尼比，其不足在于由于线圈自感和互感的影响，传感器存在明显的谐振频率点。

技术实现要素：

基于此，本发明的目的在于，提供一种传感器阻尼比调整装置，其不需要改变传感器内部的机械机构，只需要通过改变两个电路中的电路参数，便可方便地改变传感器的阻尼比，获得较大的阻尼比，并且不会存在谐振率点，确保了传感器检测的准确性。

一种传感器阻尼比调整装置，包括传感器、阻尼调整电路和电压处理电路；所述传感器的输出端与所述阻尼调整电路的输入端连接；所述阻尼调整电路的输出端与所述电压处理电路的输入端连接；所述电压处理电路的输出端与所述传感器的输出端连接，将所述阻尼调整电路的压差信号反馈回所述传感器，再由所述传感器输出阻尼比信号。

相比于现有技术，本发明通过设计阻尼调整电路和电压处理电路，通过改变两个电路中的电路参数，便可方便地改变传感器的阻尼比；进一步地，本发明不需要改变传感器内部的机械机构，便可以获得较大的阻尼比，并且不会存在谐振率点，确保了传感器检测的准确性。

进一步地，所述阻尼调整电路包括第一电阻、第二电阻、第三电阻、第一输出端子和第二输出端子；

所述传感器的第一输出端与所述第一电阻的第一连接端连接；所述第一电阻的第二连接端与所述第二电阻的第一连接端，所述第二电阻的第二连接端接地；所述传感器的第一输出端还通过所述第一输出端子和第二输出端子与外界振动信号处理电路连接；所述第三电阻的第一连接端与所述第二输出端子连接，所述第三电阻的第二连接端接地；所述传感器的第二输出端接地；所述第二输出端子作为阻尼调整电路的第一电压输出端接入所述电压处理电路；所述第一电阻的第二连接端则作为阻尼调整电路的第二电压输出端接入所述电压处理电路。

进一步地，所述电压处理电路包括第一电压跟随器、第二电压跟随器、减法器和放大器；

所述第一电压跟随器的输入端与所述第一电阻的第二连接端连接；所述第二电压跟随器的输入端与所述第二输出端子连接；所述第一电压跟随器和第二电压跟随器的输出端分别与所述减法器的两个输入端连接，由所述减法器输出所述阻尼调整电路的压差。所述减法器的输出端与所述放大器的输入端连接；所述放大器的输出端与所述传感器的第一输出端连接，进而将调整电路的压差信号反馈回所述传感器。

进一步地，所述第一电阻、第二电阻和第三电阻均为可变电阻。

进一步地，所述第二电阻和第三电阻的阻值为所述传感器的直流电阻的1/10-1/5。

进一步地，所述传感器的阻尼比随所述放大器的放大倍数的增大而增大。

进一步地，所述传感器的阻尼比与放大器的放大倍数、第二电阻、第三电阻满足如下公式：

其中，G为机电耦合系数；K为放大器的放大倍数；R_s为传感器的直流阻抗；R＝R₂＝R₄，其中R₂和R₃分别为第二电阻和第三电阻的阻值；m为传感器运动部件质量；k为传感器弹性元件弹性系数。

相比于现有技术，本发明通过设计阻尼调整电路和电压处理电路，通过改变两个电路中的电路参数，便可方便地改变传感器的阻尼比；进一步地，本发明不需要改变传感器内部的机械机构，便可以获得较大的阻尼比，并且不会存在谐振率点，确保了传感器检测的准确性。

为了更好地理解和实施，下面结合附图详细说明本发明。

附图说明

图1是本发明传感器的等效电路图；

图2是本发明用于调整传感器阻尼比的电路结构示意图。

具体实施方式

请同时参阅图1和图2，图1是本发明传感器的等效电路图；图2是本发明用于调整传感器阻尼比的电路结构示意图。该传感器阻尼比调整装置，包括传感器B、阻尼调整电路G₁和电压处理电路G₂。所述传感器B的输出端与所述阻尼调整电路G₁的输入端连接；所述阻尼调整电路G₁的输出端与所述电压处理电路G₂的输入端连接；所述电压处理电路G2的输出端与所述传感器B的输出端连接，将所述阻尼调整电路G₁的压差信号反馈回所述传感器B，再由所述传感器B输出阻尼比信号。

所述阻尼调整电路G₁包括第一电阻R₁、第二电阻R₂、第三电阻R₃、第一输出端子P₁和第二输出端子P₂。

所述传感器B的第一输出端与所述第一电阻R₁的第一连接端连接，所述第一电阻R₁的第二连接端与所述第二电阻R₂的第一连接端后，由所述第二电阻R₂的第二连接端接地。所述传感器B的第一输出端还通过所述第一输出端子P₁和第二输出端子P₂与外界振动信号处理电路连接；所述第三电阻R₃的第一连接端与所述第二输出端子P₂连接，由所述第三电阻R₃的第二连接端接地；所述传感器B的第二输出端接地。所述第二输出端子P₂作为阻尼调整电路G₁的第一电压输出端接入所述电压处理电路G₂；所述第一电阻R₁的第二连接端则作为阻尼调整电路G₁的第二电压输出端接入所述电压处理电路G₂。

本发明中，所述第一电阻R₁、第二电阻R₂和第三电阻R₃均为可变电阻，或者可根据需要在阻尼调整电路G₁中接入不同阻值的第一电阻R₁、第二电阻R₂和第三电阻R₃。本实施例中，所述第二电阻R₂和第三电阻R₃的阻值为所述传感器B的直流电阻的1/10-1/5。

所述电压处理电路G₂包括第一电压跟随器N₁、第二电压跟随器N₂、减法器Z和放大器A。

所述第一电压跟随器N₁的输入端与所述第一电阻R₁的第二连接端连接；所述第二电压跟随器N₂的输入端与所述第二输出端子P₂连接；所述第一电压跟随器N₁和第二电压跟随器N₂的输出端分别与所述减法器Z的两个输入端连接，由所述减法器Z输出所述阻尼调整电路G₁的压差。所述减法器Z的输出端与所述放大器A的输入端连接；所述放大器A的输出端与所述传感器B的第一输出端连接，进而将调整电路的压差信号反馈回所述传感器B，进而实现对传感器B阻尼比的闭环检测和调节。

本发明的阻尼调整电路G₁和电压处理电路G₂主要用于调节动圈换能惯性传感器的阻尼比，以获得较大的阻尼比，具体的，下面具体阐述本发明调整阻尼比的原理：

假设传感器运动部件质量为m，传感器弹性元件弹性系数为k，机电耦合系数为G，传感器运动部件相对传感器壳体的相对位移为x，测量振动信号的位移为X。本发明中，所述传感器B在电路中可等效为由直流阻抗R_s和反感应电动势e₁组成。在阻尼调整电路G₁中，假设第二输出端子P₂的输出电流为i₁，其输出电压为e₂；第三电阻R₃的输出电流为i₂；阻尼调整电路G₁输出的压差为Δu。在电压处理电路G₂中，放大器A的放大倍数为K；重力加速度为g；则：

e₁＝-Gsx (2)

其中，阻尼调整电路G₁的第一电压输出端和第二电压输出端的分别为：

使R_s＝R₃，R₂＝R₄＝R，根据式(1)和式(3)有：

传感器B的拉普拉斯运动方程为：

(ms²+k)x-Gi₁＝ms²X (5)

其中，s为复变量。

根据式(1)和式(4)，第二输出端子P₂的输出电流i₁为：

根据式(2)、式(5)和式(6)，传感器运动部件相对传感器壳体的相对位移x与测量振动信号的位移X的比值为：

则此时阻尼系数C为：

传感器的临界阻尼系数C_c为：

阻尼比ξ为：

将式(8)和式(9)代入公式(10)，得到本发明的阻尼比ξ为：

由式(11)可知，传感器B的阻尼比与电路参数有关，通过改变阻尼调整电路的第二电阻R₂、第三电阻R₃，或者放大器的放大倍数K可以方便的调整传感器的阻尼比，并且可以获得较大的阻尼比。

相比于现有技术，本发明通过设计阻尼调整电路和电压处理电路，通过改变两个电路中的电路参数，便可方便地改变传感器的阻尼比；进一步地，本发明不需要改变传感器内部的机械机构，便可以获得较大的阻尼比，并且不会存在谐振率点，确保了传感器检测的准确性。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。