基于加速度动态响应的振动频率传感器

本发明属于传感器设计，具体涉及一种基于加速度动态响应的振动频率传感器，可以用于机械系统振动频率实时测量和监测。

背景技术：

1、振动现象普遍存在于众多工业和科技领域中。频率是振动的关键要素之一，通过测量设备或结构的振动频率，可以实时评估其性能、安全性和结构完整性。例如，在制造业中，实时监测机械设备的振动频率有助于预测和诊断潜在的故障和性能衰退，从而减少停机时间和维修成本。在建筑和土木工程中，振动频率测量用于评估桥梁、建筑物和其他结构的稳定性和安全性。在能源部门，监测风力涡轮机和其他发电设备的振动频率有助于优化运行效率和预防故障。此外，通过对振动频率的实时监测，技术人员可以立即识别异常振动并快速响应，采取有效措施以防止可能的损坏和故障。这不仅可以保障人员安全，也确保了生产和运营的效率。因此，振动频率测量和实时监测在工业和科技领域中具有至关重要的作用。

2、振动传感器主要分为两大类，非接触式传感器和接触式传感器。非接触式传感器主要由电容、电感和光学元件等组成，效果很好但同时存在一些问题，如基于电学元件的传感器抗电磁干扰能力差，基于光学元件的传感器易受表面粗糙度、空气质量等因素影响。此外，非接触式传感器系统相对复杂、成本较高。接触式传感器主要是采用加速度计或探针测量物体的振动，尽管带来附加质量，但是影响可以忽略不计，可以获得较好的效果。与非接触式传感器相比，接触式传感器相对简单、成本较低。然而，无论是接触式还是非接触式，现有的振动传感器还存在以下缺点需要解决：(1)现有振动传感器大多是测量物体振动的位移、速度或加速度，无法反映振动的频率信息；(2)环境激励频率的获取大都是基于振动传感器的测量信号，利用傅里叶变换等信号处理方法进行离线转换，频率辨识用时长、效率低、适用带宽窄，无法保证环境频率的在线实时测量和监测。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了当前机械振动领域中广泛存在的振动传感器无法直接反应振动频率信息，以及现有的频率传感器辨识用时长、效率低、缺乏在线实时性和适用带宽窄等问题，提供一种基于加速度动态响应信号的振动频率辨识传感器，装置简单，成本低，测量效率高、精度高。利用被测物体的加速度信号，便可以实现对机械系统振动频率的在线实时测量和监测。

2、为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

3、基于加速度动态响应的振动频率传感器，所述传感器的组成包括加速度计，质量块，阻尼，弹簧，外壳；

4、所述加速度计用来实时在线采集质量块的加速度信号，加速度计和质量块共同构成频率传感器的有效载荷；有效载荷、阻尼和弹簧构成一个单自由度质量-弹簧-阻尼系统。

5、进一步地，所述传感器的工作原理为：

6、根据结构动力学中单自由度质量-弹簧-阻尼系统理论，本振动传感器的动力学模型为一个常微分方程，

7、

8、式中，m为频率传感器内部有效载荷的质量，d是微分符号，t为时间，x为质量块的位移，c为频率传感器内部的阻尼，k为频率传感器内部弹簧的刚度，u(t)＝u0 sin(ωt+φ)为做简谐振动的被测系统的位移表达式，u0为振动的位移幅值，ω为待测频率，φ为振动的相位差；

9、将式(1)对时间微分两次，得到

10、

11、令表示有效载荷的加速度，将其代入式(2)中得到

12、

13、将式(3)对时间微分两次，得到

14、

15、将式(3)两边同时乘ω2，得到

16、

17、将式(4)和(5)相加得到

18、

19、将式(6)两边乘并对时间t进行四次积分，经过分部积分处理，可以得到

20、

21、式中，t0≥0表示频率估计的开始时间，r4,p4表达式如下

22、

23、式中，r1,r2,r3,p1,p2和p3均为中间参量；

24、由式(7)可知，仅使用一个小的时间间隔δt内的加速度信息就能够显式地计算得到简谐振动频率ω，

25、

26、式中，表示通过本频率传感器所采集得到的频率，γ表示滤波增益，通常取为0.01，e为自然底数。

27、至此，给出了基于加速度信号的振动频率辨识的显式表达式，即一种基于加速度响应的振动频率传感器，实现简谐振动频率的在线实时采集和测量。

28、进一步地，t0是传感器中的一个重要参数，通过对t0进行实时调控能够有效地应对外激励频率变化的情况；将频率辨识过程划分为两个部分，瞬态阶段和稳态阶段，定义t1为瞬态阶段时长，差分值d为当前步的频率估计值和上一步频率估计值的差值除以步长；传感器参数d1是自定义值，当频率估计值逐渐收敛时，差分值d逐渐趋于0，当d＜d1，辨识由瞬态阶段转为稳态阶段；同样，传感器参数d2也是自定义值，当激励频率变化时，则频率估计值会有变化，差分值d会由0或者接近0的数值进行较大的突变而大于d2，此时，t0重新选定为当前时间，辨识由稳态阶段转为瞬态阶段；传感器参数t1、d1和d2可以根据经验和被测系统特性选定。

29、本发明相对于现有技术的有益效果为：本发明是基于响应信号的振动频率辨识传感器及方法。装置简单，成本低，测量效率高、精度高，适用于全频带的振动频率采集和测量。通过加速度动态响应，便可以实现简谐外激励的实时在线频率辨识。解决了实际工程中振动传感器仅能获取振动响应的时域信号而无法实时在线获取振动频率信息的缺点，以及现有的少数频率传感器结构复杂、成本高、识别速度慢、精度低、效率低、适用频带窄等问题。本发明有着丰富的应用前景和现实意义。

技术特征：

1.基于加速度动态响应的振动频率传感器，其特征在于：所述传感器的组成包括加速度计，质量块，阻尼，弹簧；

2.根据权利要求1所述的基于加速度动态响应的振动频率传感器，其特征在于：所述传感器的工作原理为：

3.根据权利要求2所述的基于加速度动态响应的振动频率传感器，其特征在于：通过对进行实时调控能够有效地应对外激励频率变化的情况；将频率辨识过程划分为两个部分，瞬态阶段和稳态阶段，定义频率差分值为当前步的频率估计值和上一步频率估计值的差值除以步长，频率辨识初始过程为瞬态过程，在该阶段，当频率差分值收敛时，频率估计值也逼近真实值，辨识过程进入到稳态阶段，在该阶段，若频率差分值发生突变，则说明激励频率有变化，此时更新频率估计开始时间为当前时刻，以上就是应对变化外激励频率情况的频率估计开始时间的调整策略。

技术总结
基于加速度动态响应的振动频率传感器，属于传感器设计技术领域。所述传感器的组成包括加速度计，质量块，阻尼，弹簧；所述加速度计用来实时在线采集质量块的加速度信号，加速度计和质量块共同构成频率传感器的有效载荷；有效载荷、阻尼和弹簧构成一个典型的单自由度质量‑弹簧‑阻尼系统；利用所提出的频率估计算法在线实时获取系统的振动频率。本发明是基于响应信号的振动频率辨识传感器及方法。装置简单，成本低，测量效率高、精度高，适用于全频带的振动频率采集和测量。通过加速度动态响应，便可以实现简谐外激励的实时在线频率辨识。

技术研发人员：陈帅,曹登庆,王逸龙,张笑云
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/1