一种振动监测仪的制作方法

本发明涉及检测设备，具体涉及振动监测仪。

背景技术：

小至电子、原子、分子等微观粒子，大至电子产品设备、大地、星球、宇宙，人们都在通过各种设备仪器监测它们的振动，获得众多的研究数据，其研究成果已经被广泛应用于我们的日常生活工作中。现在，人们一般将振动监测装置的振动传感器紧贴机械设备，进行机械设备振动的监测；或则将振动监测装置置于地面，直接监测大地的振动。对于振动较大的监测，普通振动监测设备已经可以满足使用要求，但是对于振动微弱的精加工设备、大地等振动，则监测数据失真。例如1900多年前张衡发明的地震仪，现在国家使用的地震观测台网等等，它们对振动监测精度极高，可以监测到微弱的振动信号，可以用于监测精加工设备、大地等的振动，但是它们本身都属于结构复杂的大型设备，并且需要专人维护，不适用于普通企事业、个人。随着现在精加工设备、人们对于地震安全意识等等发展，适用于普通企事业、个人的一种小型化、价格低廉、操作简易、易于维护的微弱振动监测仪，成为人们日益迫切的需求。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种振动监测仪,用于对监测位置的振动强度和震源方向的水平分量的方向进行监测。

本发明采用下述技术方案：

一种振动监测仪，包括：

支架；

摆臂，其包括与该支架活动连接并能任意转动的摆臂球、上端与该摆臂球固定连接的摆臂杆、设置于该摆臂杆下端的配重以及第一端与该摆臂杆的下端连接且第二端向下延伸或者第一端与该摆臂杆的上端连接且第二端向上延伸的延长杆；

阻尼系统，其对该摆臂摆动起阻尼作用；

其中，所述摆臂能向横向任意方位摆动，其摆动幅度表征监测位置的振动强度，其摆动方向的水平分量的方向为震源方向的水平分量的方向。

还包括：

位移传感器，其设置于所述延长杆，其用于获取自身的相对于自身静止时的位置所摆动的位移参量；

计算单元，其基于该延长杆的位移放大倍数k、阻尼系统参数及所获取的位移参量计算出监测位置的振动强度的数值和震源方向的水平分量方向的数值；

其中，所述位移传感器到所述摆臂球球心的距离为l，所述摆臂杆、延长杆、位移传感器、配重合在一起的重心到该摆臂球球心的距离为l0，则k＝l/l0。

所述计算单元基于该延长杆的位移放大倍数k、阻尼系统参数及所获取的位移参量计算出监测位置的振动强度的数值和震源方向的水平分量方向的数值的算法为噪声滤波算法。

所述噪声滤波算法为卡尔曼滤波算法。

所述支架包括底座、一端固定于该底座另一端向上延伸的第一立杆和第二立杆、两端分别固定于该第一立杆和第二立杆的横杆及设置于该横杆的空腔，所述摆臂球活动设置于该空腔内。

所述空腔：

第一凹腔，其设置于所述横杆顶面，其底部具有第一开孔；

第二凹腔，其设置于固定块，该固定块盖合于该第一凹腔使第一凹腔和第二凹腔共同形成该空腔；

其中，当所述延长杆的第二端向下延伸时，所述摆臂杆穿过该第一开孔并能向横向任意方位摆动；当所述延长杆的第二端向上延伸时，该第二凹腔的顶部具有第二开孔，所述延长杆穿过该第二开孔并能向横向任意方位摆动。

所述阻尼系统包括：

阻尼支架；

阻尼卡环，其安装于该阻尼支架，其环内壁具有沿环内壁周向延伸的阻尼槽；

磁环，其设置于该阻尼槽内并能沿径向方向往复移动；

磁件，其设置于该配重，其极性与该磁环极性相同；或者，该磁件由该配重构成，该配重由极性与该磁环极性相同的磁性材料制成；

或者，

该阻尼系统包括：

阻尼支架；

阻尼卡环，其安装于该阻尼支架，其环内壁具有沿环内壁周向延伸的阻尼槽；

静电环，其设置于该阻尼槽内并能沿径向方向往复移动；

静电件，其设置于该配重，其电荷与该静电环的电荷均为同性电荷；或者，该静电件由该配重构成，该配重由电荷与该静电环的电荷相同的静电材料制成；

其中，该配重位于该阻尼卡环内圈内。

所述阻尼系统包括：

阻尼支架；

阻尼卡环，其安装于该阻尼支架，其环内壁具有沿环内壁周向延伸的阻尼槽；

内环，其设置于该阻尼槽内并能沿径向方向往复移动；

外环，其套装于所述摆臂杆、配重或延长杆外壁；

弹性件，其一端与该外环连接，其另一端与该内环连接；

其中，该摆臂杆、配重或延长杆位于该阻尼卡环内圈内。

所述弹性件为弹簧带、拉簧或橡皮筋。

所述阻尼系统包括：

液灌，其设置于所述摆臂杆下方，其具有与罐内空腔连通的通孔；

粘滞液，其装于该液灌内；

阻尼锤，其浸入该粘滞液；

柔性线，当所述延长杆的第二端向下延伸时，其穿过该通孔将该阻尼锤与该第二端连接，当所述延长杆的第二端向上延伸时，其穿过该通孔将该阻尼锤与所述摆臂杆的下端连接；

其中，该柔性线在该通孔内能自由滑动。

本发明的有益效果在于：本发明具有小型化、价格低廉、操作简易、易于维护的特点，能对监测位置的振动强度和震源方向的水平分量的方向进行监测。

附图说明

图1为本发明的一种立体结构示意图(含外罩)。

图2为本发明的一种立体结构示意图(不含外罩)。

图3为图2的纵向剖视图。

图4为本发明的计算单元与位移传感器电气连接结构示意图。

图5为本发明的支架的立体结构示意图。

图6为图5的纵向剖视图。

图7为本发明的另一种立体结构示意图(不含外罩)。

图8为图7的纵向剖视图。

图9为本发明的再一种立体结构示意图(不含外罩)。

图10为图9的纵向剖视图。

图11为本发明的第四种立体结构示意图(不含外罩)。

图12为图11的纵向剖视图。

图13为本发明的第五种立体结构示意图(不含外罩)。

图14为图13的纵向剖视图。

具体实施方式

为能详细说明本发明的技术特征及功效，并可依照本说明书的内容来实现，下面结合附图对本发明的实施方式进一步说明。

除非特别说明，本文中术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”、“第五”等不代表顺序，也不代表与之搭配的术语的重要性。

本发明中，监测位置是本发明的振动监测仪放置的位置；震源是引起振动的地方。震源方向即为从监测位置指向引起振动的地方方向。

图1、2示例性示出本发明众多实施例中的一种振动监测仪的实施例。该振动监测仪包括支架、摆臂、位移传感器8、计算单元9、阻尼系统、外罩23。

一并参见图5、6，支架对摆臂、位移传感器8等起支撑作用，其包括底座1、横杆2、第一、二立杆3、4以及空腔。第一、二立杆3、4的一端固定于底座1，其另一端向上延伸。横杆2两端分别固定于该第一、二立杆3、4。空腔设置于横杆2。底座1、横杆2、第一、二立杆3、4之间可以但不限于通过螺钉紧固固定。

具体的，空腔包括第一凹腔2-1、第二凹腔10-1。第一凹腔2-1设置于横杆2顶面，其底部具有第一开孔2-2。第二凹腔10-1设置于固定块10，固定块10盖合于该第一凹腔2-1使第一凹腔2-1和第二凹腔10-1共同形成空腔，空腔为球形较佳。固定块10与横杆2之间可以但不限于通过螺钉紧固固定。

摆臂包括摆臂球11、摆臂杆5、配重6和延长杆7。

摆臂球11与支架活动连接并能任意转动。具体的，摆臂球11活动设置于支架的空腔内即并能任意转动，使摆臂能向横向任意方位摆动。摆臂摆动方向的水平分量的方向为震源方向的水平分量的方向即摆臂用于指示震源方向的水平分量的方向，其摆动幅度表征监测位置的振动强度。摆臂球11与空腔适配活动配合较佳。摆臂球11与空腔之间的摩擦力越小,振动方向监测精度越高。摆臂球11与空腔之间的间隙填充润滑剂，用于减小摆臂球11与空腔之间的摩擦力。摆臂杆5的上端与该摆臂球11固定连接。摆臂杆5穿过该第一开孔并能向横向任意方位摆动。配重6设置于该摆臂杆5下端。这样，摆臂悬挂于支架，形成单摆。

图2、3所示的实施例中，延长杆7的第一端与摆臂杆5的下端连接且其第二端向下延伸。

摆臂球11、摆臂杆7由金属材料制成较佳。延长杆7用于对摆臂杆5、配重6、位移传感器8和延长杆7构成的机构重心的位移进行放大，也就是延长杆7对监测位置的振动强度进行放大。本文中，将延长杆7对摆臂杆5、配重6、位移传感器8和延长杆7构成的机构重心的位移放大倍数，简称为延长杆7的位移放大倍数。

阻尼系统对摆臂摆动起阻尼作用，以耗散摆臂的动能，抑制振动监测仪的噪声信号。若不加装阻尼系统，摆臂为悬挂在支架上的单摆，若给其一个振动信号(冲量)后，在没有外部作用力的干预下，其振动将一致持续，对振动的实时测试没有意义。若给其持续的振动信号，前期接收到振动信号为测试时的干扰信号，即噪声信号，将导致监测信号被噪声信号淹没，监测结果失去意义。因此，对于单摆，只知道曾经发生过振动，对振动的监测，特别是实时监测，没有意义。一并参见图2-14，在摆臂摆动的过程中，阻尼系统对摆臂提供一个阻碍作用力，持续阻碍摆臂的运动。阻尼系统将摆臂传递过来的能量通过自身系统耗散掉，对摆臂实现持续耗能。若振动监测仪接收到脉冲振动信号，摆臂摆动后，在阻尼系统作用下，摆动逐渐减慢，直至停止。若振动监测仪接收到持续的振动信号，噪声信号被衰减削弱，噪声滤波算法辅助下，完成对振动信号的实时监测。

后文将对阻尼系统进行详细说明。

为了得出监测位置的振动强度的数值和震源方向的水平分量方向的数值，本发明采用位移传感器8和计算单元9共同来实现。

位移传感器8设置于该延长杆7，如设置于延长杆7的第二端端末。位移传感器8用于获取自身的相对于自身静止时的位置所摆动的位移参量。位移传感器8将所获取的位移参量转换为对应的电信号后输出。

一并参见图4，计算单元9与位移传感器8通过无线或有线连接。计算单元9基于延长杆7的位移放大倍数k、阻尼系统参数及所获取的位移参量计算出监测位置的振动强度的数值和震源方向的水平分量方向的数值。具体的，计算单元9基于延长杆7的位移放大倍数k、阻尼系统参数及位移传感器8所获取的位移参量通过噪声滤波算法计算出监测位置的振动强度的数值和震源方向的水平分量方向的数值。计算单元9将位移传感器8所输出的电信号转换为对应的位移参量，然后基于该对应的位移参量、延长杆7的位移放大倍数k及阻尼系统参数通过噪声滤波算法计算出监测位置的振动强度的数值和震源方向的水平分量方向的数值。噪声滤波算法可以但不限于为卡尔曼滤波算法。

噪声滤波算法具体应用为：位移传感器8获取到的位移参量中，包含有自身的位移(矢量)、位移的一阶导数(速度，矢量)、位移的二阶导数(加速度，矢量)、位移的三阶导数(矢量)，转动惯量(矢量)等物理参数。将延长杆7的位移放大倍数k、阻尼系统参数及前述所获取到的物理参数代入噪声滤波算法进行处理，滤掉噪声等干扰信号，直接算出即时监测位置的振动强度的数值和震源方向的水平分量方向的数值。

阻尼系统参数属于振动监测仪自身的参数。阻尼越大，噪声抑制效果越好。但是，阻尼太大，将会降低振动监测仪的振动精度；阻尼太小，噪声抑制不了。因此，阻尼系统参数应根据实际情况适当选取。

当本发明接收单个振动信号时，支架带动摆臂球11运动，配重6在惯性作用下没有位移。然后，摆臂球11带动摆臂杆7，进而带动配重6运动。摆臂杆5、延长杆7、位移传感器8、配重6合在一起的重心，其振动位移大小约等于监测位置的位移大小，延长杆7对监测位置的振动强度进行放大。

当本发明接收持续振动信号时，支架带动摆臂球11运动，配重6在惯性作用下没有位移。然后，摆臂球11带动摆臂杆7，进而带动配重6运动。位移传感器8和摆臂(摆臂杆5、延长杆7、配重6和摆臂球11)摆动后，即获得动能，一边通过阻尼系统耗散自身动能，抑制系统噪声，一边即时接收震源的振动信号，获得能量。摆臂杆5、延长杆7、位移传感器8、配重6合在一起的重心的累积动能大于测量位置同质量物体的动能，即其位移量将大于监测位置的位移量，此时，本发明的振动监测仪监测精度较低。若摆臂杆5、延长杆7、位移传感器8、配重6合在一起的重心与摆臂球11球心之间的距离和被测位置或物体的振动频率谐振，摆臂杆5、延长杆7、位移传感器8、配重6合在一起的重心单位时间累积动能达到极大值，此时，本发明的振动监测仪监测精度最高。若摆臂杆5、延长杆7、位移传感器8、配重6合在一起的重心与摆臂球11球心之间的距离远远偏离被测位置或物体的振动频率，摆臂杆5、延长杆7、位移传感器8、配重6合在一起的重心单位时间累积动能达到极小值，此时，本发明的振动监测仪仅能监测到振动强度较大的振动。因此，需要摆臂杆7对监测位置的振动强度进行一级放大，延长杆7对监测位置的振动强度进行二级放大，尽量使摆臂杆5、延长杆7、位移传感器8、配重6合在一起的重心与摆臂球11球心之间的距离和震源的振动频率谐振。

放大后的位移信号，传递给安装于延长杆7或其末端的位移传感器8。位移传感器8在摆臂振动摆动过程中，实时监测自身的位移，获取自身的相对于自身静止时的位置所摆动的位移参量，将该位移参量转换为对应的电信号后输出，将电信号传输给计算单元9。计算单元9将电信号转换为对应的位移参量后，然后基于该对应的位移参量、延长杆7的位移放大倍数k及阻尼系统参数通过噪声滤波算法计算出监测位置的振动强度的数值和震源方向的水平分量方向的数值。

图2、3所示的实施例中，位移传感器8、摆臂杆5、延长杆7、配重6和摆臂球11共线。同理，位移传感器8、摆臂杆5、延长杆7、配重6和摆臂球11不共线或不完全共线也可以实现本发明的目的。

一并参见图7、8，为本发明的另一种立体结构示意图(不含外罩)。图7、8与图2、3所示的实施例不同之处在于：延长杆7的第一端与摆臂杆5的上端连接且其第二端向上延伸，这种结构下，第二凹腔10-1的顶部具有第二开孔，延长杆7穿过该第二开孔并能向横向任意方位摆动；阻尼系统的结构不同，对于阻尼系统的结构将在后文进行具体说明。位移传感器7也设置于延长杆7的第二端端末。除此之外，图7、8其他均与图2、3所示的实施例均相同。图7、8所示的结构，延长杆7对监测位置的振动强度进行放大。

参见图2、3，图2、3所示的实施例中，阻尼系统为磁力阻尼系统，其阻尼系统参数包括摩擦系数、阻尼卡环尺寸、阻尼槽尺寸、磁场大小等。该阻尼系统包括阻尼支架、阻尼卡环12、磁环13、磁件14。

阻尼支架用于支撑阻尼卡环12、磁环13、磁件14等，其包括多根支撑杆15，每根支撑杆15的下端通过螺钉与底座固定，其上端通过固定螺钉与阻尼卡环12固定，从而将阻尼卡环12安装于该阻尼支架。

阻尼卡环12的环内壁具有沿环内壁周向延伸的阻尼槽。配重6位于该阻尼卡环13内圈。磁环13设置于该阻尼槽内并能沿径向方向往复移动。磁环13嵌入阻尼卡环12较佳，以防止磁环13脱离，比如，磁环13外径小于阻尼槽的外缘直径。可以在磁环13与阻尼槽之间的间隙填充润滑剂。

磁件14设置于配重6，其极性与该磁环13极性相同。或者配重6由磁性材料制成，其极性与该磁环13极性相同。

工作时，磁环13受到磁件14或配重6磁力作用，在阻尼槽内运动，运动过程，其动能通过摩擦耗散，实现摆臂动能的耗散，从而抑制本发明的噪声。

在图2、3所示的实施例的基础上，将磁力阻尼系统置换为静电阻尼系统，其阻尼系统参数包括摩擦系数、阻尼卡环尺寸、阻尼槽尺寸、静电场大小等。具体：将配重6上的磁件14置换为由静电材料制成的静电部件或者由静电材料制成，磁环13置换为静电材料制成的静电环，静电环与静电部件或配重6的电荷均为同性电荷，之间会产生静电力排斥力。除此之外，其他均与图2、3所示的实施例相同。

参见图9、10，图9、10所示的实施例中，阻尼系统为弹性阻尼系统，其阻尼系统参数包括摩擦系数、弹簧倔强系数、阻尼卡环尺寸、阻尼槽尺寸、等。该阻尼系统包括阻尼支架、阻尼卡环12、内环16、外环17、弹性件18。

阻尼支架用于支撑阻尼卡环12、内环16、弹性件18等，包括多根支撑杆15，每根支撑杆15的下端通过螺钉与底座固定，其上端通过固定螺钉与阻尼卡环12固定，从而将阻尼卡环12安装于该阻尼支架。

阻尼卡环12的环内壁具有沿环内壁周向延伸的阻尼槽。内环16设置于该阻尼槽内并能沿径向方向往复移动。

外环17套装于摆臂杆5外壁，这种情况下，摆臂杆5位于该阻尼卡环12内圈内较佳。可以理解的是，外环17也可以套装于配重6或延长杆7外壁，这种情况下，配重6或延长杆7对应位于该阻尼卡环内圈内。

弹性件18的一端与该外环17连接，其另一端与该内环16连接。图9、10所示的实施例中，弹性件18为拉簧。

图11、12与图9、10所示的实施例不同之处在于：图11、12所示的实施例中，弹性件18为橡皮筋。除此之外，其他均与图9、10所示的实施例相同。

除上述外，弹性件18还可以为其他弹性部件，比如弹簧带等。

上述弹性件18在阻尼卡环12内周向均布较佳。

上述内环16与外环17之间的弹性力为拉伸作用力。内环16受到配重6传递给弹性件18的拉伸作用力，在阻尼槽内运动，运动过程，其动能通过摩擦耗散，实现摆臂动能的耗散，从而抑制本发明的噪声。

一并参见图7、8、13、14，图13、14与图2、3所示的实施例不同之处在于：图13、14所示的实施例的阻尼系统为粘滞阻尼系统，其阻尼系统参数包括阻尼锤尺寸、粘滞液粘滞系数等。除此之外，其他均与图2、3所示的实施例相同。图13、14所示的实施例中，当延长杆7的第二端向下延伸，该实施例的阻尼系统包括液灌19、粘滞液20、阻尼锤21、柔性线22。

液灌19固定于底座1，并设置于摆臂杆5下方，其具有与罐内空腔连通的通孔。通孔位于液灌19上方较佳。

粘滞液20装于该液灌19内。阻尼锤21浸入该粘滞液20；柔性线22通过液灌19的通孔将该阻尼锤21与延长杆7的第二端连接。粘滞液20可以但不限于为润滑油、清油等。

阻尼锤21与粘滞液20的密度之比为(1.1～3.0)倍较佳。阻尼锤21与粘滞液20的密度比值减小，本发明抑制噪声的能力将减弱。阻尼锤21与粘滞液20的密度比值增大，会减弱摆臂杆5、延长杆7对振动的位移信号放大能力。

图7、8与图13、14所示的实施例不同之处在于：延长杆7的第二端向上延伸即上述的延长杆7的第一端与摆臂杆5的上端连接且其第二端向上延伸，这种结构下，柔性线22通过液灌19的通孔将该阻尼锤21与摆臂杆7的下端连接，柔性线22在通孔内能自由滑动。除此之外，其他均与图13、14所示的实施例相同。

工作时，阻尼锤21受到配重6传递过来的作用力，带动阻尼锤21在粘滞液中运动，运动过程，阻尼锤21与粘滞液20之间存在固液表面摩擦作用力，阻尼锤21的动能很快耗散在粘滞液20中，实现摆臂动能的耗散，从而抑制本发明的噪声。

本发明中，摆臂杆5越长，振动强度监测精度越高。当被测的振动和摆臂谐振时，振动监测仪的监测精度急剧提高。进行摆臂杆5长度选择时，需要优先考虑监测振动频率，兼顾小型化设计。配重6越重，摆臂杆5、配重6、位移传感器8和延长杆7构成的机构重心越低，越有利于减小转动连接位置处摩擦力、摆臂杆5自身重量等因素对监测结果的影响。延长杆7由轻质材料(比如木头、竹子、高分子材料、空心管道等)制成较佳。延长杆7与摆臂杆5在摆臂球同侧(或者异侧)，用于对监测位置的振动强度进行放大，比如，延长杆7的位移放大倍数为k，位移传感器8到摆臂球11球心的距离为l，摆臂杆5、延长杆7、位移传感器8、配重6合在一起的重心到摆臂球11球心的距离为l0，则位移放大倍数k＝l/l0。

外罩23大致呈一端封闭的筒状结构，其未封闭端朝向盖合于底座1，将横杆2、第一、二立杆3、4、摆臂杆5、配重6、延长杆7、位移传感器8等核心部件纳入其内进行保护。当计算单元9与位移传感器8通过无线连接时，外罩23采用不会屏蔽射频信号的材料制成。当计算单元9与位移传感器8通过有线连接时，计算单元9可以与位移传感器8制成一体，也可以通过柔性轻质通信线连接，等等。

需要说明的是，上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何适合的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再进行描述。

上面参照实施例对本发明进行了详细描述，是说明性的而不是限制性的，在不脱离本发明总体构思下的变化和修改，均在本发明的保护范围之内。