磁电式速度计实现超低频振动传感器的实用方法

1、超低频振动传感器的设计与分析摘要：本文提出了利用磁电式速度计实现超低频振动传感器的实用方法一通过串联式校正电路， 在保持最佳阻尼的同时，使可测最低频率降至 0.5Hz以下。同时，对该超低频振动传感器的校 正电路、工作原理传递函数以及校正前和校正后输出特性的差异进行了系统的分析与阐述。关键词：传感器；超低频；振动；校正电路；传递函数一、引言超低频振动是一种常见的物理现象，矿井井架、井塔、高层建筑物、铁路公路桥梁、水坝的振动 都属此类，地震波也是这种震动方式的产物。这类振动具有振动频率很低，1Hz以下频率成份极丰富、振幅大（可高达10mm以上）、破坏力强等特点。它在正常情况下对人们的日常生活 没有

2、太大影响，然而一旦超过允许的极限将会对社会生产和生活造成极大的危害，因此在工程技术领域，超低频振动的测试与研究一直受到高度重视。但在工程测试中，常用的磁电式振动速度传感器由于其下限频率都在13Hz以上，致使超低频测试精度不能满足工程要求。为此，我们 通过串连校正电路的方法来降低磁电式振动传感器的测试频率，经试验验证，该方法取得了良好的效果。二、超低频传感器的设计1、振动速度传感器的原理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 器中得到了广泛应用。它是一种惯性式传感器，为单自由度系统， 其频域具有二阶高通特性。受 系统的固有频率制约，该传感器的输出电压

3、对于振动速度输入的归一化传递函数为：式中，刃一阻尼比；30固有角频率。一般说，可测频率要高于速度传感器的 3倍固有频率。目前工程测量用磁电式振动速度传感器 的机械结构固有频率一般不低于 4Hz，而测量频率在13Hz以上，因此不能满足超低频测试的 需。为了扩展磁电式振动速度传感器的频率响应，需采用电路校正的联校正两种形式，对于二阶高通环节，反馈校正在降低固有频率的同时也降低了阻尼。为使校正后系统输出仍保持合适的阻尼,往往要预先增大原动态特性的阻尼，例如给磁电式振动速度传感等，可使传感器的阻尼增大；但是，这种校正方式，对原本因传感器频率特性已受到衰减的频率分量，进行衰减后再作放大，影2、降频原理与

4、系统传递函数器并联一个电阻，调节电磁阻尼方法。电路校正有反馈校正与串响了信噪比。此外，对于二阶高通环节，低频信号的相位存在畸变，零频附近相位差近于180°， 造成了低频负反馈演变为正反馈，易于产生振荡。在研究中，我们对磁电式振动速度传感器采用串联校正方式，设计一个物理上可以实现的补偿环节C(s)，其传递函数如下:经过该补偿环节的校正后，输出仍呈二阶高通特性，其归一化传递函数为设计补偿环节C(s)，使得31< 30且E1为最佳阻尼，校正后系统输出特性的固有频率得到降 低，从而实现在保持理想阻尼的前提下，扩展传感器可测最低频率和校正传感器动态特性的目的。 并且保持原速度传感器的较高

5、机械固有频率性质不变，使其仍然具有机械结构稳定，良好的抗干扰、抗冲击性能的特点，而校正后系统输出特性的固有频率则完全取决于所串联的校正电路。因此，校正后的传感器既保持了原传感器的优点又改善了低频输出特性。对于由(2)式所表达的补偿环节传递函数，可以展开为:0A110穎辜 /St(a).幅频特性(b).相频特性图4速度伎感器校正前后幅相频率特性式中,当CO 1< W0且日w1<幻3。时，K1与K2都大于零。因 此，校正环节可以由低通环 节、带通环节与全通环节并联 实现。通过调节这三个环节增 益的比例关系，使得补偿环节 的零点与原传感器的极点相 对消，系统输出特性便具有 式的二阶高通形

6、式。补偿环节 的原理框图如图1所示。补偿后系统固有频率得到降 低，系统电压输出相对振动速 度输入的归一化传递函数仍 然形如(1 )式。在超低频振动的工程测试中，振动位移是一个重要待测量，但是需要对电压输出信号进行一次积分才能得到它，可纯积分会导致零漂的积累，是难以实现的，因此要以一阶惯性环节替代积分环节；此外，电路中还要设置隔直环节。实际校正后的超低频振动位移传感器工作原理框图如图2所示。3、校正电路与传递函数校正后超低频位移传感器的信号调理电路含积分、低频补偿、隔直环节，如图3所示。图中，积分环节由IC1和R11、R12、R13、C11等构成的积分放大电路实现。由于积分环节生!_是临界不稳定

7、环节，实际上采用一阶惯性环节代替。该环节的传递函数为Kl L"昭,积分时间常数为T= R12 C11 。此外，为了抑制低频噪声与漂移的影响，还引入了两个一阶隔 直环节。IC2等构成低通放大电路，其传递函数为：(5)IC3等构成带通放大器电路，其传递函数为：(6)固有频率与阻尼比取决于以上两个传递函数的分母，即电路中相应的阻容元3亠：亠i _斗fAt 4A AA AAA件。IC4等构成加法放大器电路，调整电阻 R41、R42和R43，可以改变电路对低通、带通和全通 三个环节输出信号的放大倍数，从而实现补偿环节的零点与原传感器极点的对消。校正后的超低频振动位移传感器输出Y(s)对于振动位

8、移输入X(s)的归一化传递函数为：、校正前后的输出特性比较图4是根据（7）式绘出的校正前后幅、相频率特性（归一化）曲线，曲线1为校正前的低频振动位移传感器的归一化幅、相频率特性曲线，曲线2为校正后的超低频振动位移传感器的归一化幅、相频率特性（校正后输出特性固有频率 0.5Hz，阻尼比为0.65，积分、隔直时间常数 2.2s ）。由曲线看出校正前最低频率大于 13Hz，校正后最低频率约0.5Hz左右。图4中的曲线3为带有隔直环节的二阶高通环节幅、相频率特性。比较图4的曲线2和3，可以看出：受一阶惯性环节与隔直环节时间常数的影响，校正后幅频 特性固有频率0.5Hz附近及低于0.5Hz的频段曲线2的

9、幅度衰减稍大，其对应的相频曲线中， 固有频率0.5Hz以上的工作频段相角为-180 °，曲线3的0.5Hz点的相移为-90 °，曲线2的 0.5Hz的点的相移则达到-65 °实际校正后的传感器经180。倒相，工作频段相角为0° ）如果测量信号对相位要求不高，此时，积分与隔直环节的影响并不大；但若测量对于相位失真要 求高的信号（如超低频瞬态信号），因积分、隔直环节的影响，波形将发生畸变，积分与隔直环 节的时间常数应选择更大一些。四、实验系统图5为试验系统示意图，图中的数字示波器可以精确的读出幅值大小。在输入振动幅值不变的情况下，对校正后的传感器测量了输出电压，结果如表1所示，从表中看出实测结果符合研究规律。L2345418910110LI0L20JU05QS5OUS070U81.01(UM0.1$Q31呵079Q84U80L931.011五、结论根据机电系统的相似性，用模拟电路设计补偿网络，对磁电式振动速度传感器的输出特性进行校 正。校正后得到的超低频振动位移传感器成为与原传感器传递函