超低频伺服式振动加速度传感器及加速度测量方法技术

本发明专利技术属于振动传感器技术领域，具体涉及超低频伺服式振动加速度传感器及加速度测量方法。一种超低频伺服式振动加速度传感器，它包括：壳体，其内部设有电磁元件、连接轴和金属质量块，电磁元件包括电磁线圈和环形永磁体，电磁线圈与壳体固定连接，且环绕环形永磁体；连接轴的一端与金属质量块固定连接，另一端通过弹性元件与壳体连接；环形永磁体与连接轴固定连接；控制单元，与电磁线圈连接，对电磁线圈施加反馈电流，使金属质量块与壳体的相对位移为零。本发明专利技术提供的超低频伺服式振动加速度传感器通过控制单元对传感器机械系统施加较大的电子质量和电子阻尼，提高传感器的低频特性，从而使加速度传感器具有较小的结构尺寸。从而使加速度传感器具有较小的结构尺寸。从而使加速度传感器具有较小的结构尺寸。

【技术实现步骤摘要】
超低频伺服式振动加速度传感器及加速度测量方法


[0001]本专利技术属于振动传感器
，具体涉及超低频伺服式振动加速度传感器及加速度测量方法。

技术介绍

[0002]振动是一种常见的物理现象，如桥梁振动、飞机机翼振动、车床振动、汽车振动等。大部分情况下，振动是有害的，剧烈的振动将导致动力结构裂纹的萌生和扩展，最后导致构件的疲劳破坏，进而影响机械装备的使用寿命；因此准确测量各种工程结构的振动情况对于确定结构的状态，研究结构破坏机制，减少由振动造成的损失具有重要意义。
[0003]在工业生产线、精密工程以及科学研究等实践中，要对一个系统进行控制及隔振，测量该系统的振动是极为重要的一环。传统的磁电式速度传感器的输入速度信号和输出电压呈线性关系，不需要进行积分转化或者其他复杂运算，输出信号则不会产生零点漂移，还具有抗干扰能力强、性能稳定、灵敏度高等特点，但传统的磁电式速度传感器由于其频响特性为典型的高通特性，受其机械结构刚度和共振质量的影响，其体积较大，难以实现对低频振动信号的检测，因此需克服传统磁电式传感器体积较大的难题。

技术实现思路

[0004]本专利技术针对传统的磁电式速度传感器体积较大这一技术问题，一方面，提供一种体积较小的超低频伺服式振动加速度传感器；另一方面，提供一种利用超低频伺服式振动加速度传感器测量加速度的方法。具体技术方案如下。
[0005]一方面，本专利技术提供的一种超低频伺服式振动加速度传感器包括：
[0006]壳体，其内部设有电磁元件、连接轴和金属质量块，所述电磁元件包括电磁线圈和环形永磁体，所述电磁线圈与所述壳体固定连接，且环绕所述环形永磁体；所述连接轴的一端与金属质量块固定连接，另一端通过弹性元件与壳体连接；所述环形永磁体与连接轴固定连接，且所述连接轴可随环形永磁体沿壳体的轴向移动；
[0007]控制单元，与电磁线圈连接，对电磁线圈施加反馈电流，使金属质量块与壳体的相对位移为零。
[0008]此结构，通过连接轴、电磁元件、金属质量块和控制单元实现对被测物体加速度的测量；所述电磁线圈环绕所述环形永磁体，使传感器结构紧凑；通过控制单元对电磁线圈施加反馈电流，反馈电流产生一个使金属质量块与壳体相对位移为零的电磁力，从而实现传感器的设计。因此，该加速度传感器具有结构简单、外形尺寸较小、生产成本低的优点。
[0009]进一步的，所述电磁线圈与所述环形永磁体间留有间隙，在工作过程中电磁线圈与环形永磁体不接触。未对电磁线圈施加反馈电流时，被测物体振动，连接轴随被测物体振动，环形永磁体随连接轴振动，环形永磁体与电磁线圈产生相对位移。
[0010]进一步的，所壳体包括第一腔室和第二腔室，所述第一腔室与第二腔室之间通过通孔连通；所述通孔内设置有导向轴承；所述连接轴从第一腔室内穿过导向轴承后伸入第
二腔室内；所述导向轴承限制连接轴的径向移动，从而提高加速度传感器的测量精度。
[0011]进一步的，所述金属质量块位于第一腔室内，且无法穿过导向轴承；所述电磁元件位于第二腔室内。
[0012]进一步的，所述控制单元包括：涡流计和PID控制器；所述涡流计安装于壳体的端部，用于测量金属质量块与壳体的相对位移；所述PID控制器分别与涡流计、电磁线圈连接，根据金属质量块与壳体的相对位移向电磁线圈施加反馈电流。
[0013]进一步的，所述环形永磁体和电磁线圈同轴布置。
[0014]进一步的，非工作状态下，所述电磁线圈的轴向中心平面与环形永磁体的轴向中心平面重合。
[0015]另一方面，本专利技术提供一种利用超低频伺服式振动加速度传感器测量加速度的方法，包括如下步骤：
[0016]将外壳与被测物体固定连接；
[0017]被测物体振动时，通过控制单元向电磁线圈施加反馈电流，使得金属质量块与壳体的相对位移为零；
[0018]获取反馈电流作用至环形永磁体的电磁力F，根据电磁力F计算被测物体的加速度。
[0019]此方法中，当被测物体振动时，金属质量块与壳体发生相对位移，通过控制单元向电磁线圈施加反馈电流，线圈中的反馈电流产生电磁力F，电磁力F使金属质量块与壳体的相对位移为零，此时，该电磁力与反馈电流呈线性关系，加速度与电磁力呈线性关系，因此，通过测量反馈电流I即可计算得到被测物体的加速度。
[0020]进一步的，所述通过控制单元向电磁线圈施加反馈电流，使得金属质量块与壳体的相对位移为零的方法包括：
[0021]通过涡流计测量金属质量块与壳体的相对位移，PID控制器根据相对位移调节反馈电流的大小，直到涡流计所测量的相对位移为零。
[0022]有益效果：
[0023]本专利技术所提供的超低频伺服式振动加速度传感器：
[0024]1.通过连接轴、电磁元件、金属质量块和控制单元实现对被测物体加速度的测量，结构简单；所述电磁线圈环绕所述环形永磁体，使传感器结构紧凑；通过PID控制器对电磁线圈施加反馈电流，通过反馈电流即可反应被测物体的振动加速度，PID控制器决定加速度传感器的性能，降低加速度传感器的机械结构要求，有效的减小传感器外形结构尺寸，同时可降低加速度传感器的生产制造成本。
[0025]2.使用电涡流计作为测量元件，具有非接触、环境适应性强、线性范围大、灵敏度高等优点。
[0026]3.环形永磁体与电磁线圈间留有间隙，电磁线圈中的电流产生非接触性的电磁力，使系统具有较小的阻尼系数和较长的疲劳寿命。
附图说明
[0027]为了更清楚地说明本专利技术实施例中的技术方案，下面将对实施例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专利技术的一些实施例，对于
本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0028]图1为本专利技术实施例中超低频伺服式振动加速度传感器的结构示意图。
[0029]图2为图1中沿A
‑
A的剖面示意图。
[0030]图3为本专利技术实施例中超低频伺服式振动加速度传感器中涡流计的工作原理图。
[0031]图4为本专利技术实施例中超低频伺服式振动加速度传感器中涡流计工作原理等效简化图。
[0032]图5为本专利技术实施例中超低频伺服式振动加速度传感器电磁元件的结构尺寸图。
[0033]图6a为本专利技术实施例中超低频伺服式振动加速度传感器金属质量块运动状态及受力图之一。
[0034]图6b为本专利技术实施例中超低频伺服式振动加速度传感器金属质量块运动状态及受力图之二。
[0035]附图标记：1、壳体；11、第一腔室；12、第二腔室；13、连接法兰；2、连接轴；3、电磁元件；31、环形永磁体；32、电磁线圈；33、轴环；4、金属质量块；5、导向轴承；6、涡流计；61、涡流探头；62、信号转换放大器；7、PID控制器；8、弹性元件。
具体实施方式
[0036]下面将结合附图对本专利技术的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种超低频伺服式振动加速度传感器，其特征在于，包括：壳体(1)，其内部设有电磁元件(3)、连接轴(2)和金属质量块(4)，所述电磁元件(3)包括电磁线圈(32)和环形永磁体(31)，所述电磁线圈(32)与所述壳体(1)固定连接，且环绕所述环形永磁体(31)；所述连接轴(2)的一端与金属质量块(4)固定连接，另一端通过弹性元件(8)与壳体(1)连接；所述环形永磁体(31)与连接轴(2)固定连接，且所述连接轴(2)可随环形永磁体(31)沿壳体(1)的轴向移动；控制单元，与电磁线圈(32)连接，对电磁线圈(32)施加反馈电流，使金属质量块(4)与壳体(1)的相对位移为零。2.根据权利要求1所述超低频伺服式振动加速度传感器，其特征在于，所述电磁线圈(32)与所述环形永磁体(31)间留有间隙。3.根据权利要求1所述超低频伺服式振动加速度传感器，其特征在于，所壳体(1)包括第一腔室(11)和第二腔室(12)，所述第一腔室(11)与第二腔室(12)之间通过通孔连通；所述通孔内设置有导向轴承(5)；所述连接轴(2)从第一腔室(11)内穿过导向轴承(5)后伸入第二腔室(12)内；所述导向轴承(5)限制连接轴(2)的径向移动。4.根据权利要求3所述超低频伺服式振动加速度传感器，其特征在于，所述金属质量块(4)位于第一腔室(11)内，且无法穿过导向轴承(5)；所述电磁元件(3)位于第二腔室(12)内。5.根据权利要求1所述超低频伺服式振动加速度传感器，其特征在于，所...

【专利技术属性】
技术研发人员：周振华，戴志辉，周民瑞，刘鑫，
申请(专利权)人：长沙理工大学，
类型：发明
国别省市：