一种超低频振动速度传感器的制作方法

本实用新型涉及传感器技术领域，具体涉及一种超低频振动速度传感器。

背景技术：

在一些工程实际应用场合，经常需要对超低频振动的测量，如铁路公路桥梁、水坝等振动，这类振动含有频率很低的成分(1Hz以下)，很难找到满足测量要求的传感器。因此，有必要对现有的传感器进行动态性能改进，扩展它的工作频带以满足需要。磁电式振动速度传感器由于具有输出信号大、后续电路简单、抗干扰能力强的优点，在低频传感器中得到广泛应用。该传感器属惯性式传感器，它是一种把振动物体的振动参数转换成电量的换能装置，它是利用电磁感应原理，在被测物体振动时传感器内固定在惯性质量上的线圈切割磁力线，得到正比于振动速度的电势，该电势通过放大器放大，可测量被测物体的速度。如果再经过微分或积分环节，还可测量加速度或位移。因此，磁电式振动速度传感器可用于机床、航泊等装置的振动速度、加速度和位移的测量。但由于受本身机械结构和材料的限制，其下限测量频率不能满足超低频振动的测量的要求。因此，需要通过一定的动态补偿措施来改进此类传感器的频率特性。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于针对现有技术的缺陷和不足，提供一种超低频振动速度传感器，结构简单，使用价值高，在保持理想阻尼的前提下，扩展了速度传感器的使用通频带，使系统的动态性能得到了改善，能满足工程上超低频测量，改善了低频特性，达到降低下限测量频率的目的。

为实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案是：它包含壳体1、框架2、线圈3、固定块4、弹簧5、阻尼器6、惯性质量块7、接头8、滤波补偿网络9，所述壳体1内部设置有框架2，框架2内外围设置有线圈3，壳体1内部底端上表面设置有固定块4，固定块4上方左侧设置有弹簧5，且弹簧5上方右侧设置有阻尼器6，弹簧5和阻尼器6上端均设置在惯性质量块7下表面，壳体1上表面中间位置设置有接头8，接头8上设置有滤波补偿网络9。

所述弹簧5与阻尼器6的水平高度一致。

所述壳体1与固定块4之间的连接结构为一体化结构。

所述壳体1与接头8之间的连接方式为螺纹连接方式。

本实用新型的工作原理：壳体1内部设置有框架2，框架2内外围设置有线圈3，壳体1内部底端上表面设置有固定块4，固定块4上方左侧设置有弹簧5，且弹簧5上方右侧设置有阻尼器6，弹簧5和阻尼器6上端均设置在惯性质量块7下表面，壳体1上表面中间位置设置有接头8，接头8上设置有滤波补偿网络9，振动速度传感器其固有频率最低一般只能做到5Hz左右，为了保证测量精度，实现超低频测量，提出滤波补偿网络对上述速度传感器的动态性能进行改善，以达到降低下限测量频率的目的。

采用上述技术方案后，本实用新型有益效果为：结构简单，使用价值高，在保持理想阻尼的前提下,扩展了速度传感器的使用通频带,使系统的动态性能得到了改善,能满足工程上超低频测量，改善了低频特性，达到降低下限测量频率的目的。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型的结构示意图；

图2是本实用新型中补偿时振动速度传感器幅频特性的曲线示意图。

附图标记说明：壳体1、框架2、线圈3、固定块4、弹簧5、阻尼器6、惯性质量块7、接头8、滤波补偿网络9。

具体实施方式

参看图1-图2所示，本具体实施方式采用的技术方案是：它包含壳体1、框架2、线圈3、固定块4、弹簧5、阻尼器6、惯性质量块7、接头8、滤波补偿网络9，所述壳体1内部设置有框架2，框架2内外围设置有线圈3，壳体1内部底端上表面设置有固定块4，固定块4上方左侧设置有弹簧5，且弹簧5上方右侧设置有阻尼器6，弹簧5和阻尼器6上端均设置在惯性质量块7下表面，壳体1上表面中间位置设置有接头8，接头8上设置有滤波补偿网络9。

实际使用的是磁电式振动速度传感器+补偿网络实现超低频振动速度传感器，磁电式振动速度传感器力学模型可简化为一个弹性系数为k的弹簧，惯性质量块m和阻尼c三部分组成质量块-弹簧-阻尼器是等效模型。

所述壳体1与固定块4之间的连接结构为一体化结构。

所述壳体1与接头8之间的连接方式为螺纹连接方式。

本实用新型的工作原理：壳体1内部设置有框架2，框架2内外围设置有线圈3，壳体1内部底端上表面设置有固定块4，固定块4上方左侧设置有弹簧5，且弹簧5上方右侧设置有阻尼器6，弹簧5和阻尼器6上端均设置在惯性质量块7下表面，壳体1上表面中间位置设置有接头8，接头8上设置有滤波补偿网络9，振动速度传感器其固有频率最低一般只能做到5Hz左右，为了保证测量精度，实现超低频测量，提出振动速度传感器补偿网络对上述速度传感器的动态性能进行改善，以达到降低下限测量频率的目的。

磁电式振动速度传感器力学模型可简化为一个弹性系数为k的弹簧，惯性质量块m和阻尼c三部分组成，该速度传感器为单自由度系统，设y0建立在传感器的壳体上，它为牵连运动坐标，y1为惯性质量块与壳体作相对运动的坐标，y2为质量块的绝对运动坐标。其力学方程为：

电磁感应方程为：

式中的B为磁感应强度，N为线圈的匝数，L为每匝线圈的平均长度，α为灵敏度。由运动学知识可知，牵连运动、相对运动和绝对运动三者的速度

关系为：

综合(1)、(2)和(3)式，dy0(t)/dt即为传感器的输入，E(t)为传感器的输出。分别对(1)、(2)和(3)式作拉氏变换，并联立求解可得传感器的归一化传递函数为：

式中：

为阻尼比，

为固有频率。

由此可知，磁电式振动速度传感器频域具有二阶高通特性。目前，工程测量中磁电式振动速度传感器其固有频率最低一般只能做到5Hz左右，为了保证测量精度，在使用时的下限频率还应取固有频率的2倍以上。所以，它不能满足超低频振动的测量的需要，限制了其使用范围。为了实现超低频测量，本文提出了基于传递函数网络理论的速度传感器动态特性软件和硬件补偿方法，不改变传感器结构参数，利用软件设计数字滤波器和用硬件设计模拟滤波器两种方法对上述速度传感器的动态性能进行改善，以达到降低下限测量频率的目的。

设传感器的传递函数为G(s)，通常G(s)有n个零点和m个极点：

设想在传感器之后串联一个滤波补偿网络C(s)，通过零极点配置法，加入新的极点，消去原来的极点，不动零点。对磁电式振动速度传感器的传递函数来说，此时补偿环节为：

等效系统为：

由(7)式可知，补偿后的等效系统仍为二阶高通特性。根据需要，设计补偿环节C(s)，使得ω1<ω0且ξ1为最佳阻尼，校正后系统的固有频率得到降低，从而实现在保持理想阻尼的前提下，扩展了振动速度传感器的使用通频带，改善了低频特性。

由传感器补偿网络的传递函数式(6)，可以将其看成是一个具有某种频率特性的滤波器的传递函数，于是可以利用数字滤波器的有关理论，将式(6)的模拟滤波器的传递函数表达式C(s)化为数字滤波器的表达形式C(z)，构成具有同样频率特性的数字滤波器。现采用双线性变换法，由双线性变换公式：

其中T为采样时间，于是将(6)的s域表达式转化为z域表达式为[4]：

根据上述磁电式振动速度传感器动态特性补偿理论，针对某种型号的速度传感器的动态特性进行了补偿，此种速度传感器的固有频率ω0＝5×2π[rad/s]，阻尼比ξ0＝0.618，当取式(6)中频率补偿网络的参数ω1＝0.5×2π[rad/s]，ξ1＝0.707,T＝0.01s时，则由式(9)得到补偿网络的z域表达式为：

于是所构造的数字滤波器具有如下形式：

y(n)＝1.9556y(n-1)-0.9566y(n-2)+1.7649u(n)-1.5217u(n-1)+0.6256u(n-2)(11)，其中u(n)为滤波器当前的输入值，u(n-1)为滤波器上次的输入值，y(n)为滤波器当前的输出值，y(n-1)为滤波器上次的输出值。经仿真，补偿后速度传感器下限频率很低，传感器的通频带展宽，系统的动态性能得到了改善，能满足工程上超低频测量。

采用上述技术方案后，本实用新型有益效果为：结构简单，使用价值高，在保持理想阻尼的前提下,扩展了速度传感器的使用通频带,使系统的动态性能得到了改善,能满足工程上超低频测量，改善了低频特性，达到降低下限测量频率的目的。

以上所述，仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本实用新型的技术方案所做的其它修改或者等同替换，只要不脱离本实用新型技术方案的精神和范围，均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。