磁電式速度計(jì)實(shí)現(xiàn)超低頻振動(dòng)傳感器的實(shí)用方法

1、超低頻振動(dòng)傳感器的設(shè)計(jì)與分析摘要：本文提出了利用磁電式速度計(jì)實(shí)現(xiàn)超低頻振動(dòng)傳感器的實(shí)用方法一通過串聯(lián)式校正電路， 在保持最佳阻尼的同時(shí)，使可測(cè)最低頻率降至 0.5Hz以下。同時(shí)，對(duì)該超低頻振動(dòng)傳感器的校 正電路、工作原理傳遞函數(shù)以及校正前和校正后輸出特性的差異進(jìn)行了系統(tǒng)的分析與闡述。關(guān)鍵詞：傳感器；超低頻；振動(dòng)；校正電路；傳遞函數(shù)一、引言超低頻振動(dòng)是一種常見的物理現(xiàn)象，礦井井架、井塔、高層建筑物、鐵路公路橋梁、水壩的振動(dòng) 都屬此類，地震波也是這種震動(dòng)方式的產(chǎn)物。這類振動(dòng)具有振動(dòng)頻率很低，1Hz以下頻率成份極豐富、振幅大（可高達(dá)10mm以上）、破壞力強(qiáng)等特點(diǎn)。它在正常情況下對(duì)人們的日常生活 沒有

2、太大影響，然而一旦超過允許的極限將會(huì)對(duì)社會(huì)生產(chǎn)和生活造成極大的危害，因此在工程技術(shù)領(lǐng)域，超低頻振動(dòng)的測(cè)試與研究一直受到高度重視。但在工程測(cè)試中，常用的磁電式振動(dòng)速度傳感器由于其下限頻率都在13Hz以上，致使超低頻測(cè)試精度不能滿足工程要求。為此，我們 通過串連校正電路的方法來降低磁電式振動(dòng)傳感器的測(cè)試頻率，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，該方法取得了良好的效果。二、超低頻傳感器的設(shè)計(jì)1、振動(dòng)速度傳感器的原理磁電式振動(dòng)速度傳感器由于具有輸出信號(hào)大、后續(xù)電路簡(jiǎn)單、抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，在低頻傳感 器中得到了廣泛應(yīng)用。它是一種慣性式傳感器，為單自由度系統(tǒng)， 其頻域具有二階高通特性。受 系統(tǒng)的固有頻率制約，該傳感器的輸出電壓

3、對(duì)于振動(dòng)速度輸入的歸一化傳遞函數(shù)為：式中，刃一阻尼比；30固有角頻率。一般說，可測(cè)頻率要高于速度傳感器的 3倍固有頻率。目前工程測(cè)量用磁電式振動(dòng)速度傳感器 的機(jī)械結(jié)構(gòu)固有頻率一般不低于 4Hz，而測(cè)量頻率在13Hz以上，因此不能滿足超低頻測(cè)試的 需。為了擴(kuò)展磁電式振動(dòng)速度傳感器的頻率響應(yīng)，需采用電路校正的聯(lián)校正兩種形式，對(duì)于二階高通環(huán)節(jié)，反饋校正在降低固有頻率的同時(shí)也降低了阻尼。為使校正后系統(tǒng)輸出仍保持合適的阻尼,往往要預(yù)先增大原動(dòng)態(tài)特性的阻尼，例如給磁電式振動(dòng)速度傳感等，可使傳感器的阻尼增大；但是，這種校正方式，對(duì)原本因傳感器頻率特性已受到衰減的頻率分量，進(jìn)行衰減后再作放大，影2、降頻原理與

4、系統(tǒng)傳遞函數(shù)器并聯(lián)一個(gè)電阻，調(diào)節(jié)電磁阻尼方法。電路校正有反饋校正與串響了信噪比。此外，對(duì)于二階高通環(huán)節(jié)，低頻信號(hào)的相位存在畸變，零頻附近相位差近于180°， 造成了低頻負(fù)反饋演變?yōu)檎答?，易于產(chǎn)生振蕩。在研究中，我們對(duì)磁電式振動(dòng)速度傳感器采用串聯(lián)校正方式，設(shè)計(jì)一個(gè)物理上可以實(shí)現(xiàn)的補(bǔ)償環(huán)節(jié)C(s)，其傳遞函數(shù)如下:經(jīng)過該補(bǔ)償環(huán)節(jié)的校正后，輸出仍呈二階高通特性，其歸一化傳遞函數(shù)為設(shè)計(jì)補(bǔ)償環(huán)節(jié)C(s)，使得31< 30且E1為最佳阻尼，校正后系統(tǒng)輸出特性的固有頻率得到降 低，從而實(shí)現(xiàn)在保持理想阻尼的前提下，擴(kuò)展傳感器可測(cè)最低頻率和校正傳感器動(dòng)態(tài)特性的目的。 并且保持原速度傳感器的較高

5、機(jī)械固有頻率性質(zhì)不變，使其仍然具有機(jī)械結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，良好的抗干擾、抗沖擊性能的特點(diǎn)，而校正后系統(tǒng)輸出特性的固有頻率則完全取決于所串聯(lián)的校正電路。因此，校正后的傳感器既保持了原傳感器的優(yōu)點(diǎn)又改善了低頻輸出特性。對(duì)于由(2)式所表達(dá)的補(bǔ)償環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)，可以展開為:0A110穎辜 /St(a).幅頻特性(b).相頻特性圖4速度伎感器校正前后幅相頻率特性式中,當(dāng)CO 1< W0且日w1<幻3。時(shí)，K1與K2都大于零。因 此，校正環(huán)節(jié)可以由低通環(huán) 節(jié)、帶通環(huán)節(jié)與全通環(huán)節(jié)并聯(lián) 實(shí)現(xiàn)。通過調(diào)節(jié)這三個(gè)環(huán)節(jié)增 益的比例關(guān)系，使得補(bǔ)償環(huán)節(jié) 的零點(diǎn)與原傳感器的極點(diǎn)相 對(duì)消，系統(tǒng)輸出特性便具有 式的二階高通形

6、式。補(bǔ)償環(huán)節(jié) 的原理框圖如圖1所示。補(bǔ)償后系統(tǒng)固有頻率得到降 低，系統(tǒng)電壓輸出相對(duì)振動(dòng)速 度輸入的歸一化傳遞函數(shù)仍 然形如(1 )式。在超低頻振動(dòng)的工程測(cè)試中，振動(dòng)位移是一個(gè)重要待測(cè)量，但是需要對(duì)電壓輸出信號(hào)進(jìn)行一次積分才能得到它，可純積分會(huì)導(dǎo)致零漂的積累，是難以實(shí)現(xiàn)的，因此要以一階慣性環(huán)節(jié)替代積分環(huán)節(jié)；此外，電路中還要設(shè)置隔直環(huán)節(jié)。實(shí)際校正后的超低頻振動(dòng)位移傳感器工作原理框圖如圖2所示。3、校正電路與傳遞函數(shù)校正后超低頻位移傳感器的信號(hào)調(diào)理電路含積分、低頻補(bǔ)償、隔直環(huán)節(jié)，如圖3所示。圖中，積分環(huán)節(jié)由IC1和R11、R12、R13、C11等構(gòu)成的積分放大電路實(shí)現(xiàn)。由于積分環(huán)節(jié)生!_是臨界不穩(wěn)定

7、環(huán)節(jié)，實(shí)際上采用一階慣性環(huán)節(jié)代替。該環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為Kl L"昭,積分時(shí)間常數(shù)為T= R12 C11 。此外，為了抑制低頻噪聲與漂移的影響，還引入了兩個(gè)一階隔 直環(huán)節(jié)。IC2等構(gòu)成低通放大電路，其傳遞函數(shù)為：(5)IC3等構(gòu)成帶通放大器電路，其傳遞函數(shù)為：(6)固有頻率與阻尼比取決于以上兩個(gè)傳遞函數(shù)的分母，即電路中相應(yīng)的阻容元3亠：亠i _斗fAt 4A AA AAA件。IC4等構(gòu)成加法放大器電路，調(diào)整電阻 R41、R42和R43，可以改變電路對(duì)低通、帶通和全通 三個(gè)環(huán)節(jié)輸出信號(hào)的放大倍數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償環(huán)節(jié)的零點(diǎn)與原傳感器極點(diǎn)的對(duì)消。校正后的超低頻振動(dòng)位移傳感器輸出Y(s)對(duì)于振動(dòng)位

8、移輸入X(s)的歸一化傳遞函數(shù)為：、校正前后的輸出特性比較圖4是根據(jù)（7）式繪出的校正前后幅、相頻率特性（歸一化）曲線，曲線1為校正前的低頻振動(dòng)位移傳感器的歸一化幅、相頻率特性曲線，曲線2為校正后的超低頻振動(dòng)位移傳感器的歸一化幅、相頻率特性（校正后輸出特性固有頻率 0.5Hz，阻尼比為0.65，積分、隔直時(shí)間常數(shù) 2.2s ）。由曲線看出校正前最低頻率大于 13Hz，校正后最低頻率約0.5Hz左右。圖4中的曲線3為帶有隔直環(huán)節(jié)的二階高通環(huán)節(jié)幅、相頻率特性。比較圖4的曲線2和3，可以看出：受一階慣性環(huán)節(jié)與隔直環(huán)節(jié)時(shí)間常數(shù)的影響，校正后幅頻 特性固有頻率0.5Hz附近及低于0.5Hz的頻段曲線2的

9、幅度衰減稍大，其對(duì)應(yīng)的相頻曲線中， 固有頻率0.5Hz以上的工作頻段相角為-180 °，曲線3的0.5Hz點(diǎn)的相移為-90 °，曲線2的 0.5Hz的點(diǎn)的相移則達(dá)到-65 °實(shí)際校正后的傳感器經(jīng)180。倒相，工作頻段相角為0° ）如果測(cè)量信號(hào)對(duì)相位要求不高，此時(shí)，積分與隔直環(huán)節(jié)的影響并不大；但若測(cè)量對(duì)于相位失真要 求高的信號(hào)（如超低頻瞬態(tài)信號(hào)），因積分、隔直環(huán)節(jié)的影響，波形將發(fā)生畸變，積分與隔直環(huán) 節(jié)的時(shí)間常數(shù)應(yīng)選擇更大一些。四、實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖5為試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖，圖中的數(shù)字示波器可以精確的讀出幅值大小。在輸入振動(dòng)幅值不變的情況下，對(duì)校正后的傳感器測(cè)量了輸出電壓，結(jié)果如表1所示，從表中看出實(shí)測(cè)結(jié)果符合研究規(guī)律。L2345418910110LI0L20JU05QS5OUS070U81.01(UM0.1$Q31呵079Q84U80L931.011五、結(jié)論根據(jù)機(jī)電系統(tǒng)的相似性，用模擬電路設(shè)計(jì)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，對(duì)磁電式振動(dòng)速度傳感器的輸出特性進(jìn)行校 正。校正后得到的超低頻振動(dòng)位移傳感器成為與原傳感器傳遞函